UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Nos objectifs Unité d’Enseignement 2.2.S1 Niveaux d’organisation du corps humain : chimique, cellulaire, tissulaire, organique et systémique Cycles de la vie et grandes fonctions Vie et notions de thermodynamique Homéostasie : concepts et grandes fonctions Notion de régulation homéostatique Biologie intégrative et communication cellulaire Chronobiologie et rythmes de vie Exemple de fonction homéostatique : la thermorégulation Coordonnateurs : J-P. Barthes (IFSI RODEZ) I. Tack (Université Paul SABATIER) Pr Ivan TACK Laboratoire de Physiologie - Faculté de Médecine de Rangueil QU’EST-CE QUE LA PHYSIOLOGIE ? Science qui étudie le Chapitre 1 Vie fonctionnement normal d’un organisme vivant ou Logique de ses parties Etude (dictionnaire Larousse) Science qui, à partir des lois de la nature, étudie le « comment » du fonctionnement de la vie Pas le pourquoi : La finalité appartient à la téléologie… Ne se réduit pas à une vison « Mécaniste » (écueil réductionniste) Vie et matière : Organisation du corps humain PHYSIOLOGIE Fonctionnement normal PATHOLOGIE Dysfonctionnement 1 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 DE LA MATIÈRE À LA VIE Composés organiques Carbone, hydrogène, oxygène, azote (96 %) Électrolytes Calcium, Phosphore, Potassium, Chlore, Sodium… Molécules clés du vivant (4%) - O2 et H2O - Protéines - Glucides - Lipides - Acides nucléiques Ces assemblages moléculaires, si complexes soient-ils, ne constituent pas la vie : il leur manque le fonctionnement organisé et la capacité de transmettre cette organisation LES PIÈCES DU « LEGO™ »… LES PIÈCES DU « LEGO™ »… Ac nucléiques : molécules de l’information - Ac. DésoxyRiboNucléique (ADN), porte l’information (génome) de façon stable (durable) et aisément copiable, stocké au sein du noyau cellulaire - Ac. RiboNucléique (ARN), support intermédiaire de l’information diffusant du noyau vers le cytosol pour permettre la fabrication des protéines (golgi) Protéines : molécules de structure et d’action - Fabriquées à partir de 20 acides aminés - Rôles crucial : structure, communication intercompartimentale, fonctionnement = transformation de la matière (enzymes) RELATION STRUCTURE / FONCTION Glucides : molécules énergétique et de protection - Principale source d’énergie chez l’humain (amidons ++) - Circule dans le sang sous forme de glucose (C6H12O6) - Faible stockage (glycogène : foie et muscle) - Complexes à la surface des membranes cellulaires Cellules Assemblages - Tissus : cellules de propriétés similaires - Organes : combinaisons de tissus différents - Systèmes : ensemble de tissus de même structure - Appareils : ensemble d’organes destinés à une même fonction Organisme Fonctionnement coordonné +++ Systèmes de communication : Nerveux, endocrinien et immunitaire Lipides simples - Assemblage d’acides gras et d’alcool (glycérol) - Stockage optimal de l’énergie (adipocytes) sous forme de triglycérides (produits par le foie) Phospholipides : clefs de la compartimentalisation » - Molécules amphiphiles (hydrophile/hydrophobes) - Forment des barrières structurantes et isolantes - Contribuent au maintien de concentrations moléculaires différentes de part et d’autre des membranes 1014 cellules, 5 types : - Epithéliales - Musculaires - Nerveuses - Conjonctives - Sanguines (Hématies) 2 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Chapitre 2 UN MODÈLE DU VIVANT VIE : « Ensemble des phénomènes communs aux êtres organisés et qui constituent leur mode d’activité propre, de la naissance à la mort » (dictionnaire Larousse) Naissance Un modèle du vivant : Notions de thermodynamique Matière ÉNERGIE Programme Transmission Reproduction Organisée Mort Définition thermodynamique : Stade hautement organisé de la matière LOIS PHYSICO-CHIMIQUES FONDAMENTALES …Règles de fonctionnement de d’assemblage Lois de la Thermodynamique L’ENVIRONNEMENT, GÉNÉRATEUR D’INSTABILITÉ MATIÈRE - Aliments, boissons, O2 - Sueurs, urines, selles, CO2 ÉNERGIE - Chimique potentielle - Thermique - Mécanique - Premier principe : conservation de l’énergie « L’énergie / la matière ne peut être créée ni perdue, elle se transforme » ENVIRONNEMENT ORGANISME déséquilibre - Second principe : équilibre thermodynamique La vie correspond à une série d’états stationnaires (steady-states) maintenus par des transferts d’énergie INFORMATION Formes d’énergie captées par les organes des sens : visuelle, auditive, olfactive, gustative, tactile 3 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Adaptation aux variations environnementales 0 PRINCIPE DE BASE DE L’HOMÉOSTASIE Zone optimale Variation environnementale + 0 Zone optimale Variation environnementale + CONCEPT DE MILIEU INTÉRIEUR ENVIRONNEMENT État d’équilibre (instable !) Entrées Instauration d’un équilibre (steady-state) + Impact physiologique Homéostasie : concepts et grandes fonctions Ajustement proportionnel + Impact physiologique Chapitre 3 Sorties Liquide organique dans lequel vit l'individu tout entier et qui contient toutes les substances qui doivent le nourrir (1857). Ce fluide permet aux organismes d'être indépendants à l'égard des conditions extérieures. Milieu nutritif, mais aussi épurateur, il est soumis à des régulations (neurohumorales) qui en ajustent les paramètres en liaison avec le monde Détection Intégration Réponse Claude Bernard 1813-1878 Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire 4 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 CONCEPT D’HOMÉOSTASIE Maintient à l’état stable des volumes, de la composition et des propriétés physicochimiques du milieu intérieur et, par extension, des compartiments liquidiens de l’organisme LES FONCTIONS D’HOMÉOSTASIE Appareil respiratoire Échanges O2 / CO2 Système nerveux Relation / Information et coordination Appareil circulatoire Transport et distribution d’ O2 / CO2 et de matière Système endocrine Relation / Information et coordination Appareil digestif Entrées d’eau, électrolytes et de nutriments Appareil urinaire Excrétion des « déchets » et « excédents » Système immunitaire Relation / Information et coordination Appareil reproducteur « maintien de l’espèce » Walter CANNON 1871-1945 Chapitre 4 Système tégumentaire Isolation d’avec le milieu extérieur Appareil locomoteur Statique, mobilité, thermorégulation, Ca, phosphates, HCO3 (os) NOTION DE BOUCLE DE CONTROLE ENVIRONNEMENT État d’équilibre (instable !) Notion de régulation homéostatique Entrées Sorties Détection Intégration Réponse Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire 5 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 PRINCIPE DE LA BOUCLE DE RÉTROCONTRÔLE Pas de changements RÉTRO-CONTRÔLE NÉGATIF D’UNE SECRETION ENDOCRINE atteint Stimulation Glande endocrine (-) Variable contrôlée Système de détection point de consigne (+) Point de consigne : atteint/dépassé Hormone non atteint Signal d’erreur Correction Réponse Réponse organe cible Effecteur Entraîne une réponse correctrice jusqu’à ce que le paramètre identifié atteigne le point de consigne. A partir de ce moment-là, la réponse correctrice est inhibée/ supprimée parce que la correction est suffisante (+) RÉTROCONTRÔLE POSITIF ET RISQUE DE CERCLE VICIEUX (+) Réponse Glande endocrine BOUM ! Hormone Organe cible (+) La réponse au stimulus initial renforce ce stimulus et amplifie la réponse jusqu’à saturation du système ou, le plus souvent, induction d’une situation de rupture… Exemple : Rétro-contrôle positif de la sécrétion d’ocytocine pendant l’accouchement 6 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 RÔLES DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE Chapitre 5 • L’organisme humain comporte environ 1014 cellules Bases de la • Survie de l’assemblage échanges d’informations : Relation avec le non-soi communication Maintien de l’intégrité de l’organisme : prolifération, différenciation et organisation cellulaire cellulaire Stabilité du milieu intérieur (« homéostasie »), dans toutes les conditions physiologiques SYSTÈMES DE COMMUNICATION CELLULAIRE • Trois systèmes de communication : Stress/Agression « macroscopique » Immunitaire (soi/non soi) SNC Nerveux (environnement /organisme) SNP SNA Agression « microscopique » Endocrine (intégrité, homéostasie, reproduction) Endocrine, au sens étymologique : « sécrétion interne » Sim Concepts d’hormone et de glande endocrine Communication endocrine : basée sur la sécrétion par des cellules « glandulaires » d’une substances chimique qui est déversée dans le sang et agit à distance sur des cellules cibles équipées d’un récepteur spécifique à cette substance. Cette substance est dénommée « hormone ». NB : désignait initialement une substance activatrice ; Starling 1905 (sécrétine) Send SNC : syst. nerveux central SNA : syst. nerveux autonome SNP : syst. nerveux périph. Send : syst. endocrine Sim : syst. immunitaire Différentes formes de sécrétion endocrine : • Glandes endocrines • Cellules endocrines isolées disséminées dans un tissu • Neurones produisant des neuro-hormones • Cellules non endocrine sécrétrices d ’hormones… 7 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Modes alternes de communication endocrine Communication autocrine et paracrine : • Via le fluide interstitiel • Substances « autacoïdes » (cytokines + facteurs vaso-actifs) • Pas d’action endocrine (concentrations circulantes 10-14 – 10-15 M) Limites de la communication endocrine Communication autocrine et paracrine : • Facteurs locaux dont la concentration circulante peut atteindre des valeurs efficaces en situation pathologique • Certaines hormone exercent aussi une action locorégionale type facteur de croissance… Communication endocrine et métabolites : • Certains nutriments (glucose) ou produits de métabolisme (proton, CO2) agissent comme des molécules signal après diffusion par voie humorale…mais ils n’ont pas de récepteur spécifique et agissent à forte concentration Les hormones agissent via des récepteurs Communication apocrine et phéromones Hormone = 1ier messager Hormone (H) Phéromones : molécules informatives agissant hors de l’organisme Chez les mammifères : sécrétions apocrines (glandes sudorales…) détectée par syst. olfactif syst. limbique (émotion + comportement sexuel) Reconnaissance de l’hormone Formation du complexe HR Transduction du signal HR Amplification (récepteur trans-membranaire) Récepteur (R) Second messager Action Action génomique (récepteur nucléaire) 8 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Principe du fonctionnement des récepteurs Propriétés des principaux types d’hormones Hormones lipophiles Caractéristiques Rétrocontrôle sa synthèse Second messager / Système d’amplification Hormone hydrophile (premier message) Mise en réserve de l’hormone Protéine effectrice Hormones hydrophiles Stéroïdes Iodothyronines Peptides et protéines Catécholamines Oui Oui Oui Oui Nulle à très faible Importante (stock pour 1 mois) Faible à moyenne (quelques heures à 1 jour) Plusieurs jours (medulloSurrénale) Effets transitoires Mécanisme de Sécrétion Récepteur R HRE ARNm Hormones liposoluble (premier messager) Protéines Membrane nucléaire Membrane cellulaire Exocytose des vésicules Sécrétoires Oui Oui Non / rare (ex : GH) Non Demi-vie plasmatique Heures Jours Minutes à heures Secondes Trans-membranaire Trans-membranaire Récepteurs Noyau et/ou cytosol Noyau Mécanisme D’action Stimulation/inhibition de la transcription par le complexe récepteurhormone Stimulation/inhibition de la transcription par le complexe récepteurhormone Heures à jours Jours Durée d’action Stress Protéolyse de Exocytose des vésicules Thyroglobuline + diffusion Sécrétoires Protéines de transport Effets prolongés Régulation des sécrétions hormonales : exemple du cortisol Diffusion à travers la membrane plasmique Amplification cytosolique Amplification cytosolique par seconds messagers par seconds messagers ou modification du ou activité tyrosine-kinase potentiel de membrane Minutes à heures Chapitre 6 Physique Emotionnel Chimique Autres Rythme nycthéméral CRH Boucle de rétrocontrôle ultracourte Point consigne Chronobiologie et Hypothalamus Boucle de Rétrocontrôle courte (ACTH) Hypophyse (antérieure) Boucle de Rétrocontrôle longue Effets biologiques rythmes de la vie ACTH Cellule corticotrope Cortisol 9 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 UN TEMPS POUR CHAQUE CHOSE… RYTHMES BIOLOGIQUES Exemples de réponses temps dépendantes : Alcool Concentration max à 7h00 Rythmes Fréquences Rôles physiologiques Effet délétère max > 19h00 Ultradiens Hautes fréquences : - période < 1 min ECG, EEG, cardiaque, respiratoire Basses fréquences : - période > 1 min Rythmes endocriniens La plupart des fonctions physiologiques Circadiens 20h < période < 28h Rythmes comportementaux : alternance veille / sommeil +++ Rythmes endocriniens Infradiens (Circannuels) Période environ 1 an Rythmes comportementaux Rythmes endocriniens Histamine Réponse max (poumon, peau) à minuit Poussière Hyperréactivité bronchique à minuit Lidocaïne Effet anesthésique max (dent, peau) vers 16h Rythme : changement répété de distribution chronologique identique La perception interne du temps correspond véritablement à un sixième sens… L’existence de rythmes biologiques permet à l’organisme de s’adapter AVANT que ne survienne un déséquilibre rythmique : permet une anticipation du déséquilibre homéostatique PACEMAKER CIRCADIEN : NOYAUX SUPRACHIASMATIQUES HORLOGE CIRCADIENNE DU NOYAU SUPRACHIASMATIQUE Cytoplasme Noyau Clock Bmal1 Cry Diffusion info lumière Lumière (Per1) Cry P-1 P-1 -3 Cry P-2 NSC Diffusion du rythme au SNC + CB Cry1-2 Cry P-3 CB Cry Protéine issue des gènes Clock Protéines issues des gènes Cry1 et 2 Protéine issue du gène Bmal1 Protéines issues des gènes Per, Per2 et Per3 Phosphorylation des protéines 10 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Principal facteur de synchronisation : la lumière CHRONOPHYSIOLOGIE DES SECRETIONS ENDOCRINES Exemple : Rythme circadien de l’ACTH et du Cortisol chez un homme adulte sain Mélatonine (glande pinéale) NSC LUMIÈRE Faisceau rétino-hypothalamique Autres facteurs de synchronisation : rythme sociétaux (horaires de travail, ouverture des magasins, repas, vie nocturne, rythme 24/7/365)… VARIATIONS NYCTHÉMÉRALES DE LA MÉLATONINE PLASMATIQUE EN FONCTION DES CLASSES D’ÂGE PHYSIOPATHOLOGIE DES RYTHMES BIOLOGIQUES Travail de nuit Problème social (15 % travailleurs) Altération du rythme nycthéméral Impact à moyen / long terme : dépression, tbles cardio-vasculaires, baisse de libido et fécondité, problèmes digestifs (UGD)… Jet lag Décalage rythme circadien lors des vols transméridiens Plus marqué dans le sens Ouest Est (ex : température centrale) Impact : troubles du sommeil et diminution performance intellectuelles et physique (ex : sportifs avec franchissement > 6 zones perf max après 10 j seulement !) Cécité totale Perte du principal facteur de synchronisation du rythme nycthéméral Impact : passage en « free running rhythm » Sénescence Altération de l’horloge principale et de la sécrétion de mélatonine Impact : troubles du sommeil et perte du caractère pulsatile des hormones de l’axe hypothalamo-hypophysaire 11 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Ectothermes contre endothermes Chapitre 7 Exemple de fonction homéostatique : la thermorégulation Température corporelle (°C) Régulation comportementale Ectothermes Zone de Neutralité thermique Régulation comportementale Thermogenèse chimique, mécanique, thermolyse (évaporation) Bonne adaptation au milieux froids, fonctionnement enzymatique optimal malgré les variations thermiques externes Energétiquement très coûteux Répartition de la chaleur corporelle Température centrale : 36,0 – 37,5 °C (37,0 ± 0,5°C) Température centrale Dépenses énergétiques THERMOGENÈSE Endothermes : chaleur interne = sousproduit de métabolisme (élevé). ° centrale reste stable malgré variations extérieures (maintiennent ° au dessus de celle de l’environnement). Conductance faible car bien isolés Hyperthermie ° corporelle Niveau de métabolisme Hypothermie Moindre besoin d’énergie et d’eau. Énergie utilisée pour autre fonction que maintient de l’équilibre thermique Mauvaise adaptation aux milieux froids Endothermes Température ambiante (°C) Maintien la température corporelle Ectothermes : ° centrale varie parallèlement à celle de l’environnement. Faible niveau de métabolisme et forte conductance thermique (mal isolés) THERMOLYSE Métabolisme basal Température ambiante (°C) Zone neutralité thermique : Air : 22 °C si peu habillé, 27 - 31 °C nu dans l’air Eau : 33°C dans l’eau Noyau • < 35°C : Hypothermie • 33°C : Perte de connaissance • 37,8°C : Fièvre • 41°C : Convulsions • 43°C : Mort Noyau Enveloppe Température cutanée : 20 – 40 °C (moy : 33 ± 1°C) Milieu froid Milieu chaud 12 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Principale forme de sortie d’énergie (90 %) Contribue à la stabilité de la température centrale Échangée avec le milieu extérieur sous 4 formes : Radiation (60%): échange entre 2 surfaces de températures différentes via des ondes (électromagnétique) de chaleur. Convection (15%): échange entre milieux mobiles (tissu cutané / fluide ambiant) de températures différentes NB : fluide ambiant = air ++ ou éventuellement eau NB : entre parenthèses, % de la perte thermique cutanée chez un sujet nu. Ces pertes peuvent être diminuées de 30% par le port de vêtements Production et dépenses d’énergie Production d’énergie thermique = dépense en terme de bilan thermodynamique Varient de 1 à 20 Deux catégories : Dépenses de « fonctionnement » ou « contingentes » : - exercice musculaire (thermogenèse accessoire) - thermogenèse alimentaire (assimilation des aliments) - adaptation aux variations de la température ambiante (thermogenèse mécanique ou chimique) Dépenses énergétiques de « fond » : minimales, incompressibles constantes pour un individu donné = métabolisme basal Sortie d’énergie thermique (2) Conduction (3%) : échange entre 2 milieux immobiles de température différente, par transfert moléculaire direct de l’E. thermique. Coefficient très variable selon lex matériaux Évaporation (22%): passage d’état liquide (sueur à la surface de la peau) à état de vapeur. Chaleur latente d’évaporation = 2,425 kJ/g d’eau. Inefficace si atmosphère saturé en humidité : la sueur ruisselle sans dispersion thermique Remarque : la modulation de tous ces échanges peut-être obtenue via la régulation de l’hémodynamique cutanée qui ajuste notre température de surface Détection et intégration de l’information thermique Hypothalamus Activé par ° centrale Thermorécepteurs Détectent surtout , d’autant plus finement que grande surface concernée Au chaud (décharge max 40°C, fibres C) Au froid (décharge max 25°C, fibres A) Nombre TR froid 5-10x > TR chauds Activé par ° centrale Température du noyau (viscérale) Sorties d’énergie thermique (1) Température de surface 13 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Adaptation au froid et thermogenèse Adaptation au froid Intégration hypothalamus postérieur Température centrale Tonus musculaire Hypothalamus postérieur Frissons* FROID Thermogenèse chimique Thermogenèse musculaire Si insuffisant Horripilation / chair de poule Vasoconstriction cutanée métab. basal (adrénaline / H. thyroïdiennes) ± Thermogenèse chimique (graisse brune) activité physique Métabolisme basal Thermogenèse graisse brune Tonus musculaire Frissons Modif comportement vestimentaire * Contractions rythmiques rapides (10-20x/sec) sans mouvements coordonnés production chaleur x 2 à 5 Adaptation au chaud Variations physiologiques de la température… Intégration hypothalamus antérieur • Variation nycthémérale : ° + 0,5°C entre 6h et 18 heures Tonus musculaire CHAUD Vasodilatation cutanée Sudation • Saison : ° en hiver > ° en été • Genre : femme ° > de 0,2°C en moyenne / homme, mais varie en fonction du cycle (° 0,5°C en seconde partie de cycle et début de grossesse) • Repas, stress, colère peuvent ° de 0,5°C activité physique • Exercice physique augmente la température Modif comportement vestimentaire 14 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Température corporelle centrale (°C) Variations nycthémérales de la température centrale Variations de la température lors d’un exercice physique 37,0 36,5 Été Hivers 36,0 0 4 8 12 16 20 24 Heure du nycthémère Mesure « invasive » de la température Thermométrie « sanglante » Méthode de référence (thermistance dans l’artère pulmonaire), très précis, permet un monitorage continu. Souvent cathéter (OD ou artère radiale). Réservée à l’anesthésie-réanimation (nécessite une asepsie parfaite) Thermométrie oesophagienne Insertion sonde a thermistance par voie orale ou nasale jusqu’au milieu de l’œsophage en regard de l’artère pulmonaire. Ecart à l’AP < 0,2°C. Inconfortable pour des volontaires mais très précis. Thermométrie intestinale Ingestion d’une gélule télémétrique à thermistance, proche de mesure oesophagienne, durée 4 à 8h… faussé par ingestion repas/boisson Température gastro-intestinale pendant 45 min de course (10 – 12 km/h) chez 9 homme de 20 à 24 ans Mesure non invasive de la température Thermométrie axillaire Facile mais mauvaise évaluation de la température interne (thermomètre au mercure), influencée ++ par position et conditions environnementales Thermométrie buccale Zone sublinguale aisément accessible mais influencée par ingestion récente d’aliments ou de boissons et par respiration buccale (mesure : bouche fermée et la langue abaissée pendant trois à quatre minutes…). Risque de contage (étuis jetables) Thermométrie tympanique (infra-rouge) Utilisation facile, moins de risques que température rectale, très proche de temp. centrale mais moins fiable pour la détection de la fièvre Plages de température corporelle normale Thermométrie rectale Antérieurement utilisé en clinique MAIS… change lentement par rapport aux variations de température interne, risque de perforation rectale et contage (stérilisation indispensable) 15 UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012 Physiopathologie : Fièvre Infection Inflammation Macrophages IL-1… (pyrogènes) AINS Aspirine Synthèses Prostaglandines (SNC) Décalage Pt consigne hypothalamique () Réponse type adaptation au froid : Thermogenèse dissipation thermique Température jusqu’au nouveau point de consigne = fièvre 16