Programme LES BASES ANATOMO-FONCTIONNELLES LA CIRCULATION PULMONAIRE

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1 Programme LES BASES ANATOMO-FONCTIONNELLES LA CIRCULATION PULMONAIRE
INTRODUCTION A LA PHYSIOLOGIE RESPIRATOIRE LES BASES ANATOMO-FONCTIONNELLES LA CIRCULATION PULMONAIRE LES Espaces morts LA mécanique ventilatoire LA Bronchomotricité LES echanges gazeux AC Transport des gazs dans le sang control de la ventilation pulmonaire epuration et fonction métabolique

2 LE TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG
Pr Bazid Zakaria

3 Plan Introduction Les modalités de transport Les facteurs de transport
L’oxygène Le transport de CO2 Les facteurs de transport   Pour l’O2 Pour le CO2 Les réserves de Gaz

4 I. Introduction: L’objectif final de la ventilation est la respiration cellulaire. L’apport d’O2 et l’élimination de CO2 aux différents tissus de l’organisme nécessite le transport de ces gaz dans le sang. Les échanges gazeux avec les cellules au niveau des tissus périphériques ont lieu au niveau des capillaires. Nous verrons successivement : Les modalités et les formes de transport d’O2 et de CO2 Les facteurs influençant le transport de ces gaz Les réserves dont dispose l’organisme

5 Plan Introduction Les modalités de transport Les facteurs de transport
L’oxygène Le transport de CO2 Les facteurs de transport   Pour l’O2 Pour le CO2 Les réserves de Gaz

6 II. Les modalités de transport :
l’azote se trouve seulement sous forme dissoute ; le contenu en azote est de 1ml /100 ml de sang Si on lui applique la relation PV = cte ; En plongée : P ↑et donc V↓ Pendant la remontée : P↓ et le volume ↑ ; si cette remontée est trop rapide ; il ya formation de gaz qui entraine une embolie.

7 O2 CO2 Echanges gazeux au niveau des alvéoles et des cellules. Alvéole
PO2 = 100 mmHg PCO2 = 40 mmHg O2 CO2 PO2 = 40 PO2 = 100 PCO2 = 46 PCO2 = 40 PO2 = 40 PO2 = 100 PCO2 = 46 PCO2 = 40 PO2  40 mmHg PCO2  46 mmHg Tissus périphériques Tissus périphériques Echanges gazeux au niveau des alvéoles et des cellules.

8 A. L’oxygène : Le contenu en O2 du sang artériel systémique est
CaO2 = 20 ml/100ml : chaque litre de sang contient donc 200 ml d’O2/ L de sang. Le débit cardiaque étant de 5 L/min : l’O2 transporté aux tissus / min : 1L O2/min L’ O2 se trouve sous deux formes : Forme dissoute dans le plasma : 3 ml (soit 1.5 %) dans chaque litre de sang ; avec une PaO2 = 100 mmHg Forme combinée réversiblement aux molécules d’Hb : 197 ml dans chaque litre de sang (soit 98.5 %)

9 1)L’O2 dissous : PaO2 = 100 mmHg ; mais l’O2 est très peu soluble : O2 dissous = 0.3 ml/100 ml de sang pour une PaO2 de 100 mmHg (ce qui représente 1.5% du contenu total en O2.

10 2) L’O2 combiné à l’Hb : 98.5% d’O2 se trouve sous forme liée à l’Hb soit 19.7 ml/100 ml de sang. Chaque molécule d’Hb est une protéine constituée de 4 sous unités liées ensemble. Chaque sous unité est constituée : Un groupement moléculaire appelé hème Un polypeptide fixé à l’hème: la globine. Les sous unités ont chacune une conformation hélicoïdale et chacun des groupements hème contient un atome de fer (Fe 2+) sur lequel se fixe l’O2. Comme chaque atome de fer peut fixer une molécule d’O2 ; donc une molécule d’Hb peut fixer 4 molécules d’O2.

11 Ainsi : Hb4 + 4O2 ↔ Hb4 (O2)4 Pour simplifier, on écrit :
Ainsi on a 2 formes  d’Hb : désoxyhémoglobine (Hb) oxyhémoglobine (HbO2). HbO2 = Hb oxygénée (et non pas Hb oxydée) Hb (quand elle ne porte pas d’O2) est dite Hb réduite =HbH = Hb désoxygénée.

12 NB : la fixation d’O2 entraine des modifications de la allostérie de l’Hb ; ceci joue un rôle très important dans l’affinité de l’Hb pour l’O2 et la fixation d’autres atomes sur la même molécule d’Hb. En effet ; lorsqu’une molécule d’O2 se fixe sur une molécule d’hème ; elle induit des modifications de conformation telles que les autres sites de fixation d’O2 sont plus exposés. Ainsi la fixation d’une molécule d’O2 sur la désoxyHb augmente l’affinité des autres sites de la même molécule d’Hb. Le fer a des difficultés à fixer le 1er O2 ; alors que le 4ème est fixé 4 fois + vite.

13 B. Le transport de CO2 Chez une personne au repos ; le métabolisme génère prés de 200 ml de CO2/min. Le contenu du sang artériel en CO2 est de 49 ml/ 100ml de sang ; et CvCO2 = 54 ml/ 100ml de sang Le transport de CO2 doit assurer le rejet du CO2 produit par le métabolisme et implique donc le transport d’un acide. Le CO2 est en effet en équilibre avec l’acide carbonique H2CO3 (acide faible fortement dissocié) : H2CO3↔ CO2 + H2O

14 Ce transport va être effectué sans que le pH du sang ne change bcp : le pH du sang veineux n’est en effet que légèrement plus acide que celui du sang artériel (0.01 à 0.03 unités de pH). Le rôle important de l’Hb dans le transport du CO2 et le maintien du pH doit être souligné. Comme l’O2 ; il existe sous 2 formes  de transport de CO2 ; la plupart du CO2 est transportée sous forme combinée

15 1) Le CO2 dissous (5%) Le CO2 est bcp plus soluble que l’O2
conformément à la loi d’Henry, la quantité de CO2 sous forme dissoute dans le sang est > à celle de l’O2. Même ainsi, la quantité de CO2 transportée dans le sang sous forme dissoute (dans le plasma et le liquide érythrocytaire) reste minime et représente seulement 5 % du CO2 total. Soit 2.5 ml/100 ml Le CO2 : entre dans l’équilibre acido-basique

16 2) Le CO2 combiné Dans le plasma
Le CO2 se combine avec les protéines plasmatiques et avec l’eau pour former l’acide carbonique (forme secondaire de transport). a) Le CO2 combiné avec les protéines plasmatiques  (liaison avec les groupes terminaux aminés): Pr- NH2 + CO2 ↔ Pr-NHCOOH

17 b) Hydratation lente du CO2 dans le plasma :
Une petite partie du CO2 est hydratée dans le plasma et aboutit à la formation d’acide carbonique : CO2 + H2O ↔ H2CO3↔ H+ + HCO3- Cette réaction est catalysée par l’anhydrase carbonique

18 Dans le globule rouge : L’essentiel du CO2 diffuse dans l’hématie (90%) se combine de façon réversible avec les groupes aminés de l’Hb pour former la carbaminohémoglobine (30% du CO2) : Hb + CO2 ↔ HbCO2 Cette réaction est plus importante lorsque l’Hb n’est pas oxygénée : la désoxyHb a une affinité plus grande que l’oxyHb pour le CO2

19 la plupart du CO2 subit une hydratation rapide grâce à la présence d’AC  (60 % du CO2)
CO2 + H2O ↔ H2CO3↔ H+ + HCO3- H2CO3 intraglobulaire se dissocie pour former des bicarbonates et des ions H+. La concentration d’HCO3- intraglobulaire devient > à celle du plasma => les bicarbonates passent dans le plasma en échange avec Cl- permettant de préserver l’électroneutralité du GR : c’est l’effet Hamburger...\videos\co2.avi

20 AC= anhydrase carbonique
GLOBULE ROUGE TISSUS HbNHCOOH CO2 dissous dissous CO2 CO2 AC H2CO3 + H2O HCO3- + H+ HCO3- Effet Hamburger Cl- Cl- H.Hb O2 O2 AC= anhydrase carbonique

21 Plan Introduction Les modalités de transport Les facteurs de transport
L’oxygène Le transport de CO2 Les facteurs de transport   Pour l’O2 Pour le CO2 Les réserves de Gaz

22 III. Les facteurs de transport :
A)Pour l’O2 : Etant majoritairement transporté sous forme combinée à l’Hb ; le transport de l’O2 dans le sang va dépendre  donc : De la nature de l’Hb De la concentration ou taux d’Hb De l’affinité de cette Hb pour l’O2

23 1) Nature de l’Hb : Le transport d’O2 est altéré lorsque l’Hb est anormale : L’Hb fœtale : peut capter l’O2 d’une façon différente de l’Hb adulte. Si cette forme persiste ; elle provoque des anomalies. Hémoglobinopathies : ex drépanocytose ; thalassémie CarboxyHb  (HbCO): le CO a une affinité extrême pour les sites de fixation d’O2 sur l’Hb (210 fois > O2) ; diminue par compétition sur ces sites la quantité d’O2 qui se lie à l’Hb au niveau des capillaires pulmonaires. Il déplace la courbe de dissociation O2-Hb vers la gauche, ce qui diminue la libération d’O2 par l’Hb au niveau des tissus. En plus il n y a pas d’augmentation reflexe de la ventilation en cas d’intoxication au CO La méthémoglobine : est une Hb oxydée avec transformation du fer ferreux Fe 2+ en fer ferrique Fe 3+ ; elle ne transporte pas l’O2

24 2) La concentration de l’Hb :
a) Le pouvoir oxyphorique de l’Hb : C’est la quantité maximale d’O2 qui peut être transportée par l’Hb. In vitro : 1 g d’Hb peut transporter 1.39 ml d’O2 In vivo : 1 g d’Hb peut transporter 1.36 ml d’O2 Chez un sujet normal ; pour un taux d’Hb de 15 g/dl ; la quantité d’O2 pouvant être transportée est : 15 x 1.36 = 20.4 ml d’O2 / 100 ml de sang. C’est la capacité maximale de l’Hb en O2.

25 NB : Dans le sang artériel, on retrouve 19.8 ml d’O2 liée à l’Hb ;
C'est-à-dire que l’Hb n’est pas saturée à 100%

26 b) La saturation en O2 de l’Hb :
Rapport entre quantité d’O2 liée à Hb / capacité maximale de transport d’O2. La saturation en O2 au niveau du sang artériel est de 97% Ce rapport n’est qu’un indice qualitatif ; il ne renseigne pas sur le contenu réel en O2 du sang ; il est important de connaitre en plus le taux d’Hb Exemple : Pour un taux d’Hb de 15 g /dl ; une saturation à 97 % correspond à 19.8 ml d’O2/ 100 ml Pour un taux d’Hb de 10 g/dl ; une même saturation correspond seulement à 13.6 ml d’O2/100ml A l’inverse si polyglobulie avec taux d’Hb à 18 g/dl ; une saturation de 80% seulement représente une quantité d’O2 transportée par l’Hb de 19.6 ml /100 ml de sang.

27 3) La pression partielle de l’O2 :
a) La quantité d’O2 transportée dans le sang La quantité d’O2 transportée dans le sang dépend de la pression partielle de l’O2 dans le sang. Cette relation n’est pas linéaire mais suivant une courbe en forme de S 

28 b) La saturation de l’Hb : courbe de dissociation oxygène hémoglobine.
Le facteur de loin le plus important qui détermine le pourcentage de saturation d’Hb est la PO2  La relation entre Saturation en Hb et PO2 est représentée par la courbe de dissociation O2-Hb  Cette courbe est également en forme de S +++ Une molécule d’Hb fixe 4 O2 , ces réactions se font séquentiellement , chaque combinaison facilite la suivante et augmente l’affinité de l’Hb pour l’O2

29 Courbe de dissociation de l’Hb
Contenu en O Saturation de Hb (%) (ml/L) 2 PO 2

30 La forme de la courbe de dissociation a une importance majeure pour comprendre les échanges d’O2 :
La courbe a une forte pente pour PO2 entre 10 et 60 mmHg : la fixation d’O2 augmente quand PO2 augmente Elle est relativement plate (plateau) entre 60 et 100 mmHg : pour une PO2 de 60 mmHg ; la saturation est de 90 % et pour une augmentation supplémentaire de la PO2, elle n’augmente que modérément.

31 Ceci est d’une importance capitale pour comprendre les échanges d’O2 au niveau des poumon et des tissus  Au niveau du sang artériel : l’affinité de l’Hb pour l’O2 est élevée (plateau de la courbe) ; et l’O2 se lie à l’Hb qui va permettre son transport. Au niveau des tissus : la PO2 diminue et l’affinité de l’Hb pour l’O2 diminue de facon importante (pente de la courbe) ; ceci permet au GR de céder l’O2 aux tissus périphériques.

32 NB : L’importance du plateau
Lors d’un séjour en altitude ou dans certaines affections pulmonaires on note une baisse modérée de la PAO2 et donc de la PaO2. Si la PaO2 est de 60 mmHg au lieu de 100 mmHg ; la quantité d’O2 transportée par l’Hb ne diminue que de 10 % avec une SaO2 de 90 % : le plateau est un facteur de sécurité puisque la SaO2 reste presque normale alors même que la fonction pulmonaire peut être significativement perturbée. Autrement dit ; une hypoxémie nette ; si elle est > 60 mmHg n’a pas de retentissement sur l’oxygénation cellulaire. Le plateau montre aussi que lorsque la SaO2 est déjà maximale ; même en augmentant la PaO2 par une hyperventilation ou en respirant de l’O2 à 100 % on n’ajoute que très peu d’O2 au sang sous forme d’O2 dissous car l’Hb ne peut pas fixer d’avantage d’O2.

33 c) La P50 C’est un indicateur de l’affinité de l’Hb pour l’O2.
C’est la pression de demi-saturation de l’Hb : PO2 nécessaire pour saturer l’Hb à 50%. Cette pression est normalement de 27 mmHg. Si la P50 augmente ; la courbe se déplace vers la droite : l’affinité de l’Hb pour l’O2 diminue. Si la P50 diminue ; la courbe se déplace vers la gauche : l’affinité de l’Hb pour l’O2 a augumente. Plusieurs facteurs modifient l’affinité de l’Hb pour l’O2 (pour une valeur de PO2 donnée et modifient donc la P50.

34 27 P 50 50 Saturation de Hb (%) Contenu en O2 (ml/L) Hb F Hb A PO2

35 4) Les autres facteurs influençant le transport de l’O2 :
a)La température : Plus le sang est froid ; plus l’affinité de l’Hb pour l’O2 augmente et inversement  Dans l’hypothermie provoquée (certains actes chirurgicaux) ; il ya une augmentation de l’affinité de l’Hb pour l’O2 qui sera moins libéré au niveau des tissus. Cela contribue à la diminution de l’activité métabolique des tissus b) Le CO2 Lorsque le sang s’enrichit en CO2 ; il transporte moins d’O2 (pour une même PO2) car l’affinité de l’Hb pour l’O2 diminue. c) Le pH Quand le pH diminue (devient acide) ; le sang transporte moins d’O2 pour une même PO2 L’effet du pH s’appelle : effet Bohr.

36 NB : le mécanisme par lequel ces facteurs agissent sur l’affinité de l’Hb pour l’O2 est : Pour le CO2 et H+ : ils se combinent avec la portion globine de l’Hb et en modifient la conformation. Une élévation de la température modifie la configuration moléculaire de l’hémoglobine.

37 d) Le 2-3 DPG Il s’agit d’un métabolite qui provient de la glycolyse à l’intérieur du GR. Son augmentation provoque une déviation de la courbe vers la droite et donc une diminution de l’affinité de l’Hb pour l’O2. Le 2-3 DPG se fixe de façon réversible sur l’Hb ; diminuant par modification allostérique son affinité pour l’O2. Une augmentation du 2-3 DPG est induite dans certaines situations où l’apport d’O2 aux tissus n’est pas optimal (exemple séjour en altitude…)  Joue un rôle important en majorant le délivrance de l’O2 dans les capillaires tissulaires.

38 En résumé : Lorsque la courbe de dissociation est déviée vers la droite : la P50 augmente  l’affinité de l’Hb diminue  la saturation est moins bonne la libération de l’O2 est meilleure. l’inverse se produit si la courbe de dissociation est déviée vers la gauche.

39 4) Conséquences au niveau des tissus périphériques :
L’O2 diffuse du capillaire vers la cellule selon un gradient de pression partielle. Ces échanges entrainent une diminution de la PO2 plasmatique et erythrocytaire : l’affinité de l’Hb pour l’O2 va diminuer et l’Hb va céder l’O2 aux tissus. De plus le sang s’enrichit en CO2 ; sa température augmente et son pH diminue ce qui favorise d’avantage la libération d’O2 par l’Hb et sa diffusion vers le tissu interstitiel puis les cellules.

40 Le coefficient d’extraction d’O2 :
Le contenu en O2 du sang artériel est de 20 ml pour 100 ml de sang ; et le contenu en O2 du sang veineux est de 15 ml pour 100 ml de sang. Soit un coefficient d’extraction de 25%. Dans la majorité des tissus (sauf au niveau des coronaires) ; l’Hb est encore saturée à 75% quand le sang quitte les capillaires tissulaires.

41 Ceci est à la base d’un mécanisme majeur permettant aux cellules de disposer de plus d’O2 quand leur activité augmente : Un muscle en activité consomme plus d’O2  la PO2 tissulaire diminue et le gradient de PO2 sang-tissu augmente  donc le taux de diffusion d’O2 du sang vers les cellules augmente : le coefficient d’extraction peut atteindre 75%. De plus,une augmentation du débit sanguin musculaire contribue également à cette augmentation de l’apport d’O2.

42 B. Les facteurs influençant le transport de CO2 :
1) La concentration des protéines plasmatiques et l’Hb : En cas d’hypoprotidémie (cirrhoses ; Kwachiorkor), il y a une limitation du CO2 transporté. 2) La PaCO2 : Quand PCO2 augmente, le contenu en CO2 augmente. La relation entre PCO2 et contenu en CO2 n’est pas sigmoïde, il s’agit d’une courbe linéaire. Le CO2 diffuse dans l’Hb, il sera hydraté en présence d’AC en H2CO3 qui se dissocie ensuite en HCO3- et H+. H+ se fixe sur l’Hb réduite ou désoxyHb car elle est moins acide que l’OxyHb.

43 C) Autres facteurs : PO2 : « effet Haldane »: Quand PO2 augmente ; la quantité de CO2 transporté diminue  Le pH : Lorsque le pH est plus acide ; le CO2 est moins transporté. La température : Si la température diminue : la quantité de CO2 transportée diminue. Le rôle de la température à l’état normal n’est pas très important : l’écart est minime Le 2-3 DPG : Il y a une compétition au niveau de la fixation sur l’Hb entre le CO2 et le 2-3 DPG.

44 D) Conséquence de l’ensemble de ces facteurs :
Au niveau des poumons : le CO2 dissous est éliminé du fait d’une différence de pression partielle entre le sang veineux avec PVCO2 à 46 mmHg et l’alvéole pulmonaire avec PVCO2 quasi nulle. A la fin du capillaire pulmonaire: le sang devient artériel  il s’enrichit en O2  son pH augmente la température diminue  l’Hb cède les ions H+ qui seront hydratés en H2CO3 et éliminés sous forme de CO2.

45 Ainsi l’effet Bohr (influence du pH sur le transport d’O2)
l’effet Haldane (influence de la pO2 sur le transport de CO2)  favorisent les échanges gazeux en permettant une meilleure livraison d’O2 (aux tissus) et de CO2 (aux poumons)

46 Ainsi, il existe une synergie entre les 2 transports de CO2 et d’O2 au niveau de l’Hb:
Au cours du passage dans les tissus ; la prise en charge deCO2 est favorisée par l’abandon d’O2 Le CO2 se combine à l’eau dans l’érythrocyte pour donner H2CO3 Lorsque l’Hb perd son O2 ; celle ci accepte de récupérer l’ion H+ généré par la dissociation de H2CO3 et devient HbH Dans les poumons ; le relargage de CO2 favorise la fixation de l’O2 sur l’Hb : La transformation de l’HbH en HbO2 libère un ion H+ L’ion H+ se combine avec HCO3- pour donner CO2 + H2O ; le CO2 sera rejeté au niveau des poumons.

47 Plan Introduction Les modalités de transport Les facteurs de transport
L’oxygène Le transport de CO2 Les facteurs de transport   Pour l’O2 Pour le CO2 Les réserves de Gaz

48 VI. Les réserves de Gaz : A) L’O2 : L’O2 est très peu soluble ; les reserves sont faibles  0.4 L dans les poumons 1 L dans les liquides de l’organisme 0.2 L dans la myoglobine du muscle Ainsi, en l’absence d’apport d’02 par la ventilation la vie ne peut être maintenue que qq min ; l’organe le plus fragile étant le cerveau B) Le CO2 : Pour le CO2 ; les réserves sont plus importantes car il diffuse facilement : 3 L dans le sang 2.5 L dans les tissus 12 L dans l’O2

49 PO2 95 mmHg (85-100) 40 mmHg PCO2 40 mmHg (35-45) 46 mmHg
Sang artériel Sang veineux PO2 95 mmHg (85-100) 40 mmHg PCO2 40 mmHg (35-45) 46 mmHg pH 7,4 (7,38-7,42) 7,37 Valeurs sanguines normales en pneumologie

50 Hte altitude, hypovent. alv.,
Si la diffusion des gaz entre les alvéoles et le sang est altérée, Il en résulte une hypoxie : Classification des hypoxies Type Définition Causes classiques Hypoxie hypoxique PO2 artérielle basse Hte altitude, hypovent. alv.,  diffus. pulm., Hypoxie anémique  d’O2 lié à l‘Hb Perte sanguine, anémie Hypoxie ischémique Flux sanguin réduit Défaillance cardiaque, choc (hypoxie périphérique, thrombose (hypoxie dans 1 seul organe Hypoxie histotoxique Défaillance de l’utilisation d’O2 par les Cellules (empoisonnement par cyanure)