Transport des gaz dans le sang
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Physiologie du Système Respiratoire Chapitre 7 : Transport des gaz dans le sang Sandrine LAUNOIS-ROLLINAT MED@TICE PCEM1 - Année 2006/2007 Faculté de Médecine de Grenoble - Tous droits réservés. Plan du cours 1. Introduction à la Physiologie Respiratoire 2. Anatomie fonctionnelle de l’appareil respiratoire 3. Mécanique ventilatoire Ventilation pulmonaire 4. Ventilation alvéolaire 5. Circulation pulmonaire 6. Echanges gazeux alvéolo-capillaires 7. Transport des gaz dans le sang 8. Contrôle de la respiration 9. Adaptation de la respiration; Fonctions non ventilatoires Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions Transport des gaz dans le sang • L’O2 et le CO2 sont transportés par la circulation sanguine – des poumons vers les tissus – des tissus vers les poumons • Le sang fixe l’O2 et le CO2 – de manière réversible – sous l’influence d’un gradient de pression partielle Transport des gaz dans le sang • Gaz transportés en milieu liquide (plasma, cytoplasme du GR) • Dans un liquide, un gaz peut être présent sous 2 formes: – dissoute – combinée à un transporteur ou après réaction chimique • Seule la fraction dissoute du gaz participe à la pression partielle Transport des gaz dans le sang Seule la fraction dissoute du gaz participe à la pression partielle T PA = PB A B T PA > PB A P’A = P’B B A T T T Molécule de gaz f. dissoute T Molécule du transporteur B Molécule de gaz f. combinée T Transport des gaz dans le sang • Le volume de gaz dissous dans un liquide est déterminé par – la pression partielle du gaz – son coefficient de solubilité – la température du liquide • Loi de dissolution ou loi de Henry Pgaz Vgaz = Sgaz ⋅ Patm Transport des gaz dans le sang • Transport de l’oxygène – – • essentiellement forme combinée (97% lié à l’hémoglobine) faible quantité dissoute (3%) Transport du gaz carbonique – – sous forme dissoute (5-10%) sous forme combinée: • après réaction chimique: bicarbonates (60-65%) • lié à l’hémoglobine (30%) Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions L’hémoglobine • L'hémoglobine (Hb) est un pigment respiratoire présent exclusivement dans les hématies • Protéine transporteuse – fixation réversible et instable d’un ligand (ex. O2) sur une site de fixation – affinité protéine-ligand plus grande au départ qu’à l’arrivée Ligands de l’Hb O2 CO2 H+ CO 2,3 DPG L’hémoglobine • 4 chaînes polypeptidiques • 4 groupements hèmes – Noyau porphyrine – Atome de Fe O2 L’hémoglobine • Interactions physico-chimiques entre les 4 groupes hème par l'intermédiaire des liaisons électrostatiques qui unissent les chaînes • La fixation de la première molécule d’O2 sur le premier groupe hème facilite la fixation des molécules suivantes • La 4ème molécule d’O2 se fixe 200 fois plus vite que la première L’hémoglobine • Chaque sous-unité est codée par 9 gènes différents – formes différentes du tétramère (ex HbA1 = α2β2) – mutation d’un acide aminé sur une chaîne (120 Hb anormales répertoriées chez l’adulte) • Le fer doit être sous forme divalente pour fixer O2 • L’Hb peut fixer différents gaz – affinité + pour le CO2 – affinité +++ pour l’O2 – affinité +++++++++++++++++ pour le CO L’hémoglobine • Différentes hémoglobines normales – en fonction de l’âge: HbF(α2γ2), HbA1(α2β2) – en fonction de la fixation de gaz • HbO2 = oxyhémoglobine (rouge vif) • Hb = désoxyhémoglobine, réduite (violette) • HbCO2 = hémoglobine carbaminée L’hémoglobine • Différentes hémoglobines anormales – anomalies de la structure de l’Hb – en fonction de la fixation de gaz • HbCO = carboxyhémoglobine (rouge vif) – en fonction de l’état du fer • Hb normale: Fe++ (ferreux) • Hb oxydée: Fe+++ (ferrique): méthémoglobine (brune) Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions Transport de l’oxygène • L’oxygène est transporté – dans le plasma • sous forme dissoute • aspect qualitatif ++ – dans les hématies • sous forme dissoute • sous forme combinée à l’Hb • aspect quantitatif ++ • Contenu du sang en O2 ([O2dissous] + [O2combiné]) proportionnel à PO2 Transport de l’oxygène • O2 dissous – forme de passage obligatoire – SO2 = 0,023 ml d’O2 / ml de sang à 37°C PO 2 VO 2 = SO 2 ⋅ Patm – relation linéaire avec la PO2 Transport de l’oxygène • O2 dissous – pour PaO2 = 13 kPa (100 mmHg) → Volume d’O2 dissous = 0,003 ml/ml de sang artériel = 0,3 ml/100 ml sang artériel → Insuffisant pour oxygéner les tissus correctement Transport de l’oxygène • O2 sous forme combinée – forme principale de transport – 4O2 + Hb4 ' Hb(O2)4 O2 + Hb ' HbO2 – 1g d’Hb fixe 1,39 ml d’O2 (« pouvoir oxyphorique » de l’Hb) – [Hb] normale = 15 g/100 ml de sang Transport de l’oxygène • Capacité maximale du sang en O2 = [Hb] * 1,39 + [O2 dissous] = 20,85 + 0,3 = 21,15 ml O2/100 ml de sang artériel (pour PaO2 =13 kPa) • Le contenu total du sang en O2 dépend principalement de la forme combinée de l’O2 Transport de l’oxygène • La capacité maximale n’est pas atteinte systématiquement – – • 1 molécule d’Hb peut fixer de 0 à 4 molécules d’O2 en fonction de multiples facteurs (PO2, autres) Saturation de l’Hb en O2 = SaO2 SaO2 = (quantité d’O2 lié à l’Hb/quantité maximale) x 100 Transport de l’oxygène Saturation de l’hémoglobine (%) Courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine 0 3 5 8 11 Pression partielle en oxygène (kPa) 13 D’après référence 5 Transport de l’oxygène • [O2 combiné] dépend de – [Hb] • anémie: CO2 • polyglobulie: CO2 – SaO2 0 4 8 12 16 PO2 (kPa) D’après référence 6 Transport de l’oxygène • A = PO2 > 13kPa (100mmHg) – l’augmentation de PO2 n’affecte pas SaO2 – une diminution de PO2 diminue peu la quantité d’O2 transportée • A B = 8 > PO2 > 13kPa C = PO2 < 8 kPa (60 mmHg) SaO2 (%) • B C – une diminution de PO2 diminue beaucoup la quantité d’O2 transportée 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène Saturation de l’hémoglobine (%) P50 = PO2 pour laquelle SaO2 = 50% 50% P50 (3,6 kPa = 27 mmHg) 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène Saturation de l’hémoglobine (%) Modification de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène Affinité augmentée: libération d’O2 par Hb diminuée 50% Affinité diminuée: libération d’O2 par Hb augmentée 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène • Facteurs susceptibles de modifier l’affinité de l’Hb adulte normale pour l’O2 – pH, quelque soit l’origine de la variation – CO2, par l’intermédiaire du pH et par sa présence propre – température tissulaire – concentration de 2,3 Diphosphoglycérates (DPG) (métabolite de la glycolyse dans les GR) Transport de l’oxygène • 2,3 DiPhosphoGlycérates – métabolite de la glycolyse anaérobie intraérythrocytaire – concentration augmentée par • pH • baisse de la PO2 • diminution de la quantité d’hémoglobine Transport de l’oxygène Modification de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène par le pH Saturation de l’hémoglobine (%) par le CO2 PCO2 = 3kPa PCO2 = 5kPa PCO2 = 11kPa 0 3 5 8 11 13 16 19 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène Modification de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène par la concentration en 2,3DPH par la température Saturation de l’hémoglobine (%) addition de 2,3DPG [2,3DPG] normale sans 2,3DPG 0 3 5 8 11 13 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène Affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène en fonction du type d’Hb Saturation de l’hémoglobine (%) HbF HbA 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène • Affinité de Hb diminuée par augmentation de – température – [H+] – CO2 (effet Bohr) – 2,3 DPG • Affinité de Hb diminuée = libération d’O2 augmentée • Affinité de Hb diminuée = P50 augmentée • Interactions entre ces facteurs pour optimiser les échanges respiratoires Transport de l’oxygène Saturation de l’hémoglobine (%) Sang artériel Sang veineux: PCO2 [H+] Affinité 0 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène HbO2 absorption: 940 nm Saturation de l’hémoglobine (%) Mesure de la SaO2 par oxymétrie de pouls absorption: 660 nm 0 Hb 3 5 8 11 13 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Transport de l’oxygène • Réserves d’O2 faibles – Poumon à la CRF: 0,4 l – Sang: 1l – Myoglobine: 0,2l Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions Transport du gaz carbonique • Le gaz carbonique est transporté – dans le plasma (70%) • sous forme dissoute • sous forme combinée après réaction chimique – dans les hématies (30%) • sous forme dissoute • sous forme combinée à un transporteur = Hb • sous forme combinée après réaction chimique Transport du gaz carbonique • CO2 dissous – plasma, cytoplasme intra-érythrocytaire – quantitativement, faible fraction du CO2 total – qualitativement importante, forme de passage obligée – SCO2 = 0,58 ml de CO2 / ml de sang à 37°C Transport du gaz carbonique • CO2 dissous → pour une PaCO2 = 5,3 kPa (40 mmHg), [CO2d] = 3 ml/100 ml de sang artériel → pour une PvCO2 = 6,1 kPa (46 mmHg), [CO2d] = 3,5 ml/100 ml de sang veineux Transport du gaz carbonique • CO2 combiné plasmatique – HCO3- provenant des hématies (+++, effet Hamburger) – H2O + CO2 ' CO3H2 ' HCO3- + H+ (réaction lente car pas d’anhydrase carbonique) – CO3H2 +PO4Na2H ' PO4NaH2 + CO3NaH (minime) – Pr.NH2 + CO2 ' Pr.NHCOOH (minime) Transport du gaz carbonique • CO2 combiné intra-érythrocytaire – H2O + CO2 ' CO3H2 ' HCO3- + H+ (réaction rapide grâce à l’anhydrase carbonique) • les ions HCO3- sortent du GR, échange avec ions Cl- (effet Hamburger) • les ions H+ sont tamponnés par Hb • les ions H+ diminuent l’affinité de Hb pour O2 – Hb.NH2 +CO2 ' Hb.NHCOOH (Hb carbaminée, 30% CO2 total) Transport du gaz carbonique Hématie Plasma Tissus dissous Paroi capillaire dissous Anhydrase carbonique Effet Hamburger Effet Bohr Effet Haldane Hémoglobine carbaminée D’après référence 5 Transport du gaz carbonique • Les différentes formes de transport du CO2 jouent un rôle capital dans l’équilibre acidobasique • Réserves de CO2 dans l’organisme – 3 l dans le sang – 25 l dans les tissus – 120 l dans les os Cours 8: Plan • • • • • Généralités Structure et propriétés de l’hémoglobine Transport de l’oxygène Transport du CO2 Interactions Interactions Saturation de l’hémoglobine (%) Effet Bohr: La PCO2 influence l’affinité de Hb pour l’O2 PCO2 = 3kPa PCO2 = 5kPa PCO2 = 11kPa 0 3 5 8 11 13 16 19 Pression partielle en oxygène (kPa) D’après référence 5 Interactions Effet Haldane: la PO2 influence l’affinité de l’Hb pour le CO2 Sang veineux 2 PO = Pa k 5 P 4.7 O2 =1 P 3k a Sang artériel 5.3 6 PCO2 (kPa) 6.7 D’après référence 4 Conclusions • Rôle de la pression partielle en O2 et CO2 • Rôle de l’hémoglobine • Interactions permettant d’optimiser la capture et la libération de l’O2 et du CO2 • Importance du transport du CO2 dans l’équilibre acido-basique Physiologie respiratoire: Références iconographiques LIVRES n° référence titre de l'ouvrage auteur éditeur année 1 manuel d'anatomie et de physiologie SH N'Guyen Lamarre 1999 2 atlas d'anatomie humaine FH Netter Maloine 1997 3 l'essentiel en physiologie respiratoire Ch Préfaut Sauramps Médical 1986 4 précis de physiolgie médicale AC Guyton Piccin 1991 5 pulmonary physiology MG Lewitsky McGrawHill 2003 6 pulmonary physiology and pathophysiology JB West Lippincott Williams & Wilkins 2001 7 physiologie de la respiration JH Comroe Masson 1978 SITES WEB n° référence url date dernière visite web1 http://depts.washington.edu/envh/lung.html 23 02 2006 web2 http://www.meddean.luc.edu/lumen/MedEd/Histo/frames/h_fram15.html 23 02 2006 web3 http://anatomy.iupui.edu/courses/histo_D502/D502f02/Respiratory%20system/Lab.15.respir.f02.ht ml 23 02 2006 web4 http://casweb.cas.ou.edu/pbell/Histology/Outline/lung.html 23 02 2006 web5 http://medstat.med.utah.edu/WebPath/LUNGHTML/LUNG002.html 27 02 2006 web6 http://w3.ouhsc.edu/histology/ 27 02 2006 L'ensemble de ce document relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur et la 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