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Biologie appliquée BLG002 Physiologie respiratoire TD 5 2015 Stéphanie Sigaut INSERM U 1141 stephanie.sigaut@inserm.fr Le cheminement de l’oxygène dans le système cardio-­‐respiratoire •  Etape venOlatoire –  L’air (composé de 21% d’O2) entre par le nez et la bouche lors de l’inspiraOon. Puis il circule à travers la trachée, les bronches, les bronchioles et arrive dans les alvéoles. •  Etape de diffusion –  Lors de ceYe étape, l’oxygène passe à travers la paroi alvéolo-­‐capillaire et se fixe sur l’hémoglobine. •  Etape circulatoire –  Fixé à l’hémoglobine, l’oxygène circule dans le sang. •  Etape Ossulaire –  L’oxygène est uOlisé par la cellule musculaire pour fournir de l’énergie sous forme d’ATP. Etapes de la respiraOon 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Cycle respiratoire : inspiraOon + expiraOon •  ContracOon du diaphragme + muscles intercostaux externes : augmentaOon de volume de la cage thoracique 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Les volumes pulmonaires se mesurent par la spirométrie 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Les volumes pulmonaires : –  Le volume courant : air inspiré ou expiré à chaque cycle respiratoire normal –  Le volume de réserve inspiratoire : volume supplémentaire maximal qui peut être inspiré –  Le volume de réserve expiratoire : volume supplémentaire qui peut être expiré au cours d’une expiraOon forcée –  Le volume résiduel : volume qui reste dans les poumon après expiraOon forcée 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Les capacités pulmonaire : –  La capacité inspiratoire : volume courant + réserve inspiratoire –  La capacité résiduelle foncOonnelle : réserve expiratoire + volume résiduel (volume restant dans les poumons à la fin d’une expiraOon normale) –  La capacité vitale : volume courant + réserve inspiratoire + réserve expiratoire –  La capacité totale : volume total contenu par les poumons après inspiraOon complète 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Exercice 1 : Renseignez sur le tracé de spiromètrie suivant les différents volumes et capacités pulmonaires : 2 1 3 4 2 6 1 5 4 7 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Exercice 1 : Renseignez sur le tracé de spiromètrie suivant les différents volumes et capacités pulmonaires : 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Mesure de la capacité résiduelle foncOonnelle, du volume résiduel et de la capacité pulmonaire totale : méthode de diluOon à l’hélium –  Spiromètre de volume connu rempli d’un mélange d’Hélium + air à concentraOon connue –  À la fin d’une expiraOon normale (donc quand le poumon conOent la CRF) mise en communicaOon du sujet avec le spiromètre –  DiluOon de l’hélium dans l’ensemble poumon + spiromètre –  [He]i x Vi = [He]f x Vf i=iniOal ; f=final –  CRF = (([He]i x Vi)/[He]f )-­‐Vi 1-­‐ VenOlaOon pulmonaire •  Exercice 2 : •  Une spiromètrie retrouve les résultats suivant : Vt=500mL ; VRE=1000mL ; VRI=3000mL •  On réalise chez le sujet une diluOon à l’hélium. Le volume du spiromètre est de 8L, la concentraOon iniOale d’hélium dans le spiromètre de 10%. Après quelques respiraOons dans le spiromètre, on mesure la concentraOon d’hélium à 8%. •  Calculez la capacité résiduelle foncOonnelle, le volume résiduel et la capacité pulmonaire totale CRF = (([He]i x Vi)/[He]f )-­‐Vi = ((10% x 8L ) / 8% ) – 8L = 2L VR = CRF-­‐VRE = 2L – 1L = 1L CPT = CRF + Vt + VRI = 2 + 0,5 + 3 = 5,5L 2-­‐ les échanges gazeux •  Alvéoles pulmonaires en contact avec les capillaires pulmonaires : échange de gaz par diffusion –  O2 –  CO2 –  Mais aussi : gaz anesthésiques, CO, alcool… •  Diffusion dans une direcOon sous l’effet d’une différence de concentraOon •  Pour un gaz on parle de pression parOelle 2-­‐ les échanges gazeux Les unités de pression – Système internaOonal: Pascal (Pa) – Météo: Bars, mm de mercure (mmHg) – Physiologie: • Pressions dans les vaisseaux: mmHg, cmHg • Pressions des gaz dans le sang: kPa (mmHg) • Pressions mécaniques dans l’appareil respiratoire: cmH20 Conversion: 1kPa = 7,5 mmHg ; 1mmHg = 0,133 kPa 2-­‐ les échanges gazeux 2-­‐ les échanges gazeux •  Pression parOelle en O2 dans les alvéoles dépend de : –  La pression parOelle en O2 dans l’air et de la venOlaOon qui contrôle la quanOté apportée dans l’alvéole –  La pression parOelle en O2 dans le sang qui dépend de la consommaOon d’O2 2-­‐ les échanges gazeux •  Pression parOelle en CO2 dans les alvéoles dépend de : –  La pression parOelle en CO2 dans le sang qui dépend de la producOon de CO2 par les cellules –  La venOlaOon alvéolaire 2-­‐ les échanges gazeux Exercice 3 : •  Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 760 mmHg. En sachant que l’air est composé de 21% de dioxygène, 79% d’azote, calculez les pressions parOelles de ces gaz. P02 = 760 x 0,21 = 159,6 mmHg PN = 760 x 0,79 = 600,4 mmHg •  Au sommet du Mt Everest, la pression atmosphérique est de 253 mmHg. Calculez les pressions parOelles à ceYe alOtude. P02 = 253 x 0,21 = 53,13 mmHg PN = 253 x 0,79 = 199,87 mmHg •  Quelle en sera la conséquence ? PO2 air plus basse donc la PO2 alvéolaire sera plus basse donc moins de diffusion, PO2 artérielle plus basse, saturaOon de l’hémoglobine plus basse = hypoxie •  A votre avis, quels mécanismes peuvent permeYre une meilleure tolérance ? (=acclimataOon) augmentaOon de la venOlaOon pulmonaire / augmentaOon du nb de globules rouges (sécréOon d’EPO) / augmentaOon de la capacité de diffusion pulmonaire / développement du réseau capillaire 3-­‐ le transport des gaz •  Transport de l’O2 et du CO2 : –  Des poumons vers les Ossus –  Des Ossus vers les poumons •  Ces gaz sont transportés dans un milieu liquide : –  Sous forme dissoute –  Sous forme combinée •  Protéine transporteuse = hémoglobine 3-­‐ le transport des gaz •  Hémoglobine (Hb) : pigment respiratoire présent uniquement dans les globules rouges •  Protéine transporteuse : –  FixaOon réversible et instable d’un ligand (O2 et CO2) sur un site de fixaOon –  Affinité protéine-­‐ligand plus grande au départ qu’à l’arrivée •  1 molécule d’Hb fixe jusqu’à 4 molécules d’O2 •  SaturaOon de l’Hb en O2 = SaO2 = (quanOté d’O2 lié à l’Hb / quanOté maximale) x 100 3-­‐ le transport des gaz •  Mesure de la SaO2 par oxymètrie de pouls : 3-­‐ le transport des gaz •  Transport de l’O2 : –  Sous forme combinée à l’Hb = 97% –  Sous forme dissoute = 3% •  Quand la PO2 est élevée (capillaires pulmonaires) l’O2 se fixe sur l’Hb •  Quand la PO2 est basse (capillaires Ossulaires) l’O2 est libéré 3-­‐ le transport des gaz •  Courbe de dissociaOon de l’Hb : 3-­‐ le transport des gaz Exemple de la mesure de la SaO2 en foncOon de l’alOtude, cf exercice 3 : 3-­‐ le transport des gaz •  Transport du CO2 : –  Sous forme dissoute = 5-­‐10% –  Sous forme combinée à l’Hb = 30% –  Sous forme combinée après réacOon chimique = 60-­‐65% CO2 + H2O çèH2CO3-­‐ çèH+ + HCO3-­‐ Donc producOon d’ions H+ lors du transport du CO2 sous forme de bicarbonate > rôle du CO2 dans l’équilibre acido-­‐basique = contrôle du pH 3-­‐ le transport des gaz •  Effet du CO2 et du pH sur la courbe de dissociaOon de l’Hb : effet Bohr 3-­‐ le transport des gaz Exercice 4 : La déterminaOon du pourcentage de saturaOon de l'hémoglobine en dioxygène, en foncOon de la pression parOelle en dioxygène, permet de tracer la courbe de Barcroy. On reproduit la même expérience sous différentes condiOons de pH, de température et de pression parOelle en CO2 ce qui permet de tracer les courbes 1, 2 et 3 représentées sur la figure 1.  Analyser la courbe 2. 2.  Déterminer pour une pression parOelle en dioxy-­‐gène Ossulaire (= 4 kPa) et alvéolaire (= 14 kPa), l'effet d'une variaOon de la PC02, du pH et de la température sur la saturaOon de l'hémoglobine. 3.  Pourquoi l'exercice musculaire assure-­‐t-­‐il une meilleure oxygénaOon des Ossus ? !
3-­‐ le transport des gaz Exercice 4 : 1 – Courbe de dissociaOon de l’hémoglobine en situaOon physiologique. Quand la PO2 est élevée, l’Hb est plus affine pour l’O2, elle fixe donc plus d’O2 et la saturaOon est élevée. Quand la PO2 est basse, l’Hb est moins affine pour l’O2, elle libère donc de l’O2 et la saturaOon est basse. 3-­‐ le transport des gaz Exercice 4 : 2 – A une PO2 de 4kPa, une baisse du pH, une augmentaOon de la température et de la PCO2 entraine un déplacement de la courbe de dissociaOon de l’Hb vers la droite (courbe 3). Donc l’affinité de l’Hb pour l’O2 est plus basse à 4kPa dans ces condiOons que dans les condiOons de la courbe 2, il y aura donc libéraOon d’O2 et saturaOon plus basse. Inversement, une augmentaOon du pH, une baisse de la température et de la PCO2 entraine un déplacement de la courbe de dissociaOon de l’Hb vers la gauche (courbe 1). Donc l’affinité de l’Hb pour l’O2 est plus élevée à 4kPa dans ces condiOons que dans les condiOons de la courbe 2, il y aura donc fixaOon d’O2 supplémentaire et saturaOon plus élevée. SaturaOon dans les condiOons de la courbe 1 SaturaOon dans les condiOons de la courbe 2 SaturaOon dans les condiOons de la courbe 3 !
3-­‐ le transport des gaz Exercice 4 : 2 – A une PO2 de 14kPa, les variaOon du pH, de la température et de la PCO2 entraine beaucoup moins de variaOon de saturaOon car on est au plateau !
3-­‐ le transport des gaz •  Exercice 5 : Le document représente l’évoluOon de la saturaOon en oxygène de l'hémoglobine (% d'hémoglobine) en foncOon de la pression parOelle d'oxygène (PO2) : !
3-­‐ le transport des gaz • 
Exercice 5 : !
1. Y aura-­‐t-­‐il fixaOon ou au contraire, libéraOon d'oxygène lorsque la pression parOelle d'oxygène passe de 14 kPa à 5,3 kPa ? JusOfiez votre réponse. LibéraOon. L’Hb est moins affine pour l’O2 lorsque la PO2 est plus basse, sur la courbe de dissociaOon de l’Hb on constate ainsi une saturaOon de l’Hb en O2 plus basse à 5,3 kPa que à 14 kPa 2. Toute élévaOon de la concentraOon en dioxyde de carbone entraîne un décalage de l'ensemble de la courbe vers la droite. De ce fait, pour une pression parOelle d'oxygène donnée, l’O2 est-­‐il plus ou moins associé à l’hémoglobine ? (jusOfiez votre réponse en complétant le document). L’O2 sera moins associer à l’Hb, exemple sur le schéma (tracé rouge) pour une PO2 à 8 kPa la saturaOon passe de 90% à 80% 3. Des mesures effectuées sur le sang montrent que les pressions parOelles en oxygène et en dioxyde de carbone sont les suivantes -­‐au niveau des poumons : PO2 = 14 kPa, PC02 = 5,3 kPa -­‐au niveau des Ossus : P02 = 4 kPa, PC02 = 6,6 kPa En uOlisant les réponses apportées aux deux quesOons précédentes précisez les réacOons qui vont se produire dans les hémaOes lorsque le sang quiYant les poumons va passer dans les Ossus. Au niveau des poumon, PO2 élevée et PCO2 basse, on est donc dans la parOe haute de la courbe noire donc Hb très affine pour l’O2 > fixaOon de l’O2 sur l’Hb (tracé vert sur le schéma). Au niveau des Ossus, PO2 basse et PCO2 élevée, on est donc sur la parOe basse de la courbe rouge où l’Hb est moins affine pour l’O2 > libéraOon d’O2 (tracé bleau sur le schéma)