UV_102_BASES_PHYSIO_TRANSP_O2

BASES DE PHYSIOLOGIE
UV 102
TRANSPORT DE L’OXYGENE
ET DU CO2
P. PILARDEAU
1
I - TRANSPORT DE L’OXYGENE
1.1 GENERALITES
1.1.1 Composition de l’atmosphère
L’atmosphère est composée d’azote (79%), d’oxygène (21%) et de traces de gaz carbonique.
Chacun de ces gaz occupe une certaine fraction du volume total (exprimée en pourcentage) qui
correspond également à leur fraction de pression partielle.
La pression partielle de l’oxygène contenu dans l’air atmosphérique dépend de l’altitude. Au
niveau de la mer la PO2 est d’environ 150 mm Hg.
Variations de la PO2 en fonction de l’altitude et de la pression barométrique
Altitude
en mètres
Pression
barométrique
en mm Hg
Pression
partielle en
oxygène (PO2)
0
760
160
1000
670
130
2000
596
115
3000
467
85
La pression partielle de chaque gaz est sensible à l’humidité de l’air. La vapeur d’eau occupe
en effet un certain volume et de ce fait représente une pression équivalente. Plus l’air est humide, plus
les pressions partielles en azote et en oxygène sont basses.
Au niveau des voies aériennes supérieures, l’air est saturé en vapeur d’eau. A 37°C cette
pression d’humidité (PH2O) correspond à 47 mm Hg.
1.1.2 Apport d’oxygène aux tissus
La fourniture d’oxygène aux tissus comprend quatre étapes :
= La ventilation pulmonaire
= La diffusion alvéolo-capillaire
= Le transport plasmatique
= La diffusion dans les tissus
1.2 - VENTILATION
La ventilation alvéolaire fonctionne suivant le système de la convection forcée. La différence
de pression entre l’air extérieur et l’air alvéolaire est due à l’action des muscles respiratoires. Au
repos seul le diaphragme est en activité. Sa contraction permet d’inspirer l’air (gradient de pression)
qui sera expulsé lors de la phase d’expiration de façon passive.
2
La fraction de gaz pulmonaire renouvelé à chaque inspiration au repos est relativement faible
(environ 10% de la totalité de l’air contenu dans les poumons. Ce mécanisme permet d’assurer une
grande stabilité de concentration de l’O2 et du CO2 pulmonaire et sanguin.
Ce mélange contient 14% d’O2 et 5,6% de CO2 correspondant respectivement à une pression
d’02 alvéolaire (PA O2) d’environ 100 mm Hg et de 40 mm Hg pour le CO2 (PA CO2)
1.3 - DIFFUSION ALVEOLO-CAPILLAIRE
Les échanges entre l’air alvéolaire et les gaz plasmatiques sont dus à la différence de
pression entre ces deux milieux.
Le gradient est très important pour l’O2 (60 mm Hg) et beaucoup plus faible pour le CO2 (5 à 6 mm
Hg).
Les échanges sont réalisés à travers une double couche cellulaire, celle de l’alvéole et celle du
capillaire, formée de :
= L’épithélium alvéolaire
= Une lame de tissu interstitiel
= L’endothélium vasculaire et sa lame basale.
Le total représentant environ 1. d’épaisseur.
CO2
Epithélium alvéolaire
Membrane basale
O2
Le gaz diffuse alors dans le plasma jusqu’au globule rouge. Seule une très faible fraction
d’oxygène reste dissout dans le sang (son rôle est cependant fondamental).
Au repos ce mécanisme est suffisamment actif pour n’utiliser que le premier tiers du capillaire
en contact avec l’alvéole.
Il existe de nombreux facteurs susceptibles de modifier la vitesse des échanges à ce niveau :
= Surface d’échange (surface de l’alvéole tapissée de capillaire). Plus elle est grande,
plus le transport est facilité.
= L’épaisseur de la paroi. Ce paramètre est relativement fixe chez le sujet non
pathologique.
= La vitesse de circulation du sang en rapport avec le débit cardiaque
3
P A O2
= 100
Pa O2 = 40
PA CO2
= 40
Pa CO2 = 46
La vitesse de transfert d’un gaz dépend de ses caractéristiques moléculaires. Pour un gradient
donné le transfert d’un gaz à travers la membrane dépendra de la capacité de ce gaz à traverser cette
membrane. Cette grandeur est différente d’un gaz à l’autre, elle est appelée capacité de diffusion.
Ainsi le CO2 présente une capacité de diffusion environ 20 fois plus forte que celle de l’oxygène.
La pression partielle mesurée dans le sang artérielle (80 à 100 mm Hg) est sensiblement plus
faible que celle des alvéoles (100 mm Hg). Ce phénomène est en rapport avec un shunt artérioveineux physiologique (une fraction sanguine très faible ne passe pas par les capillaires
pulmonaires). C’est le cas pour un certain nombre de vaisseaux bronchiques et de veines
myocardiques qui se jettent directement dans les artères pulmonaires et le ventricule gauche.
Dans des conditions normales de pression atmosphérique, et en l’absence de phénomène
pathologique, l’hémoglobine est saturée entre 96 et 98% quand elle quitte les capillaires alvéolaire.
Les quelques pour cent manquant correspondent à l’effet des shuntes (hémoglobine court-circuitant le
passage pulmonaire). La monté en très haute altitude peut être désaturante, l’exercice physique n’est
pas désaturant.
1.4 - TRANSPORT PLASMATIQUE
L’O2 est transporté dans le sang sous deux formes :
= Dissoute
= fixée à l’hémoglobine
1.4.1 Oxygène dissout
La quantité d’un gaz dissout dans un liquide dépend de deux paramètres :
= La solubilité de ce gaz
= La pression partielle
L’oxygène étant un gaz très peu soluble, le contenu artériel en O2 dissout est donc très faible
(3%).
Si sur le plan quantitatif cette fraction joue un rôle négligeable dans le transport de l’oxygène,
elle joue à l’inverse sur le plan qualitatif un rôle majeur pour réguler les échanges
alvéole/hémoglobine et hémoglobine/tissus.
4
1.4.2 Hémoglobine
La majeure partie de l’oxygène est transportée par l’hémoglobine contenue dans les érythrocytes (ou
globules rouges).
1.4.2.1 La molécule d’hémoglobine
La molécule d’hémoglobine est formée de deux parties, l’hème qui fixera l’oxygène, et une
structure protéique appelée globine. Il s’agit d’une très grosse protéine qui, comme son nom l’indique
est « globulaire »,
1.4.2.1.1 L’hème
L’hème est formé de quatre noyaux pyrolles et d’un atome de fer ferreux lié aux quatre
atomes d’azote de la protoporphyrine. L’oxygène se fixe sur le fer.
CH3
CH =CH2
HC
CH
H3C
N
N
Fe
CH3
N
HOOC - CH2 - CH2
CH = CH2
N
HC
HOOC - CH2 - CH2
CH
CH
Un manque de fer (carence martiale) peut être à l’origine d’une anémie, et donc d’un trouble
du transport de l’oxygène (asthénie, essoufflement).
1.4.2.1.2 La globine
La globine est formée de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux , les chaînes
 et .
Chaque chaîne est combinée à une molécule d’hème. Une molécule d’hémoglobine peut donc
fixer 4 oxygènes.
5


Hème
O2


Molécule d’hémoglobine
La concentration en Hb s’exprime soit en g/dl de sang (Nle14 à 17), soit en CGMH
(Concentration Globulaire Moyenne en Hémoglobine), valeurs comprises entre 32 et 36 g/dl.
1.4.2.1.3 Erythrocyte
L’érythrocyte, ou globule rouge, est issu de la moelle osseuse. C’est pendant sa fabrication
que l’hémoglobine est synthétisée (érythroblaste). Une fois mis en circulation chaque globule rouge
dispose d’un stock d’hémoglobine qu’il ne pourra renouveler (la durée de vie moyenne d’un
érytrhocyte est de 120 jours).
L’érythropoïèse (ou fabrication des globules rouges et de leur contenu) est stimulée par une
hormone peptidique d’origine rénale, l’érythropoïètine. Cette dernière augmente sa concentration
plasmatique en cas d’hypoxie, c’est-à-dire quand la concentration d’oxygène dissout dans le plasma
diminue.
La concentration des GR dans le sang est mesurée par l’hématocrite exprimé en % (Nle entre
40% et 50%)
La sécrétion d’érythropoïétine est un processus d’acclimatation qui n’est perceptible
qu’après plusieurs semaines passées en altitude. La vitesse d’installation du processus dépend
uniquement de l’altitude et non de l’exercice pratiqué.
Altitude
Erythropoïèse
médullaire
Diminution de la PO2
Synthèse rénale
d’érythropoïetine
Diminution de la PAO2
Diminution de la fraction
d’O2 dissout
6
1.4.2.2 Fixation de l’oxygène sur l’hémoglobine
La fixation de l’O2 sur l’hémoglobine présente trois particularités :
= Il est saturable, une molécule d’hémoglobine ne peut fixer que quatre
molécules d’oxygène.
Lorsque la PO2 augmente, la quantité d’O2 fixée sur l’hémoglobine (Hb) augmente
initialement jusqu'à atteindre un maximum pour environ 100 mm Hg de pression. Au delà l’Hb ne
fixera pas d’avantage d’O2, elle est saturée (4 molécules fixées).
= La courbe de saturation de l’hémoglobine en fonction de la pression
partielle en oxygène présente une forme sigmoïde
Saturation
Hb en O2
50%
100 Hg
Pression partielle en O2 en mm HG
Pour de très faibles PO2, l’Hb ne fixe que très peu d’O2. Pour des PO2 comprises entre 60 et
100 mm Hg, l’hémoglobine est saturée. En dessous de 60 mm Hg, la pente de la courbe est beaucoup
plus forte, le moindre changement de pression modifiera de façon considérable la quantité d’O2 fixée
sur l’hémoglobine.
Ce phénomène est intéressant pour deux raisons :
Le plateau supérieur permet de ne pas souffrir d’une hypoxémie modérée (moyenne
altitude).
Saturation
Hb en O2
50%
60
100 Hg
Pression partielle en O2 en mm HG
Dans la zone de pression correspondant aux échanges tissulaires la pente est très
abrupte, toute augmentation du métabolisme local entraînant une consommation d’O2, donc une
diminution de la PO2 même minime, entraîne une libération importante d’O2
L’hémoglobine est saturée entre 96 et 98%
7
Saturation
Hb en O2
50%
40
60
100 Hg
Pression partielle en O2 en mm HG
Ce mécanisme a pour origine une modification de l’affinité de l’Hb pour l’oxygène. L’affinité
varie en fonction du nombre d’O2 fixés sur l’Hb, plus ce nombre est important, plus l’affinité de
l’hémoglobine pour l’oxygène est grande. Ainsi, une molécule comprenant déjà 3 O2 sera beaucoup
plus affine qu‘une molécule n’ayant fixé qu’un oxygène. Cette caractéristique est intéressante au
niveau des tissus, dès que la première molécule est libérée, l’affinité diminue et l’Hb délivre ainsi
beaucoup plus facilement les autres molécules encore fixées.
Même dans le sang veineux, l’hémoglobine n’est jamais totalement désaturée en oxygène.
Dans les conditions physiologiques il reste toujours au moins un oxygène fixé sur la molécule
d’hémoglobine.
Lors de l’intoxication à l’oxyde de carbone (CO), cette molécule se fixe sur l’hème à la place
de l’oxygène. La très grande affinité de l’hème pour l’oxyde de carbone empêchant, dans les
conditions physiologiques, le remplacement du CO par une nouvelle molécule d’oxygène, on se
trouve dans l’obligation de placer le patient dans un caisson hyperbare. L’augmentation de la
pression partielle en oxygène libère alors l’oxyde de carbone qui est évacué spontanément par voie
pulmonaire.
= L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène dépend de plusieurs paramètres
métaboliques (pH, température, 2-3-DPG, PCO2).
* La baisse du pH (acidose métabolique), l’augmentation de la température (exercice
musculaire), l’augmentation de la PCO2 (exercice musculaire) et l’augmentation du 2-3 DPG
(diminution de l’O2 dissout si le sujet se trouve en hypoxie d’altitude) déplacent la courbe de
saturation vers la droite (diminution de l’affinité de l’Hb pour l’oxygène).
= Cette diminution d’affinité permet de délivrer plus facilement l’O2 transporté
aux tissus en activité.
= Au niveau pulmonaire il se produit le phénomène inverse, l’affinité de
l’Hb pour l’O2 augmente.
8
Saturation de
l’Hb en O2 100
(pH,
2-3 DPG, PCO2, Température)
50
PO2 mm Hb
La diminution d’affinité de l’hémoglobine du fait de l’augmentation de la PCO2 et des
protons est connue sous le nom d’effet Bohr.
* Le 2-3 DPG est une molécule issue de la voie de dérivation de la glycolyse
érythrocytaire, toute diminution de l’O2 dissout (hypoxie) provoque une augmentation de cette
molécule. Le 2-3 DPG est reconnu par l’hémoglobine sur un site spécifique. La fixation de cette
molécule provoque une déformation spatiale de la molécule d’hémoglobine qui diminue son affinité
pour l’O2.
Altitude
Fructose 6P
Diminution
de la PaO2
polypnée
Alcalose
de l’oxygène dissout
respiratoire +++
PFK1
F 1 6 di P
Fixation du 2 3 DPG
sur l’hémoglobine
--
1 3 DPG
ATP
2 3 DPG
ADP
Diminution de l’affinité
pour l’oxygène
3 PG
--PK
Pyruvate
Il s’agit dans ce cas d’une adaptation immédiate à l’hypoxie et en aucun cas d’une
acclimatation. Le processus est immédiats (de l’ordre de la minute), et permet ainsi d’améliorer
l’oxygénation des tissus dès les premiers kilomètres de montée en altitude.
La baisse du pH, l’augmentation de la température et de la concentration en gaz
carbonique, permettent d’abaisser l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène au niveau
des muscles en activité. L’oxygène se trouve ainsi libéré à l’endroit précis où sa présence
est nécessaire. A contrario, la diminution de la pression partielle en oxygène et
l’augmentation du 2-3 DPG qui en résulte, concerne l’ensemble des cellules de
l’organisme. Il s’agit d’une régulation touchant l’ensemble des cellules de l’organisme
(musculaires, neuronales, endocrines…).
9
1.5 - PASSAGE DANS LES TISSUS
Le passage de l’oxygène des érythrocytes vers les tissus est réalisé par diffusion.
Il est fonction :
= Du gradient de diffusion (Pression capillaire en O2 - Pression tissulaire en O2
= De la capacité de diffusion, elle même proportionnelle à la distance de diffusion
et à la surface d’échange.
1.5.1 Gradient de diffusion
Au repos le gradient de diffusion est faible. La forte affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène
(pas d’acidose, faible concentration de CO2 du fait d’un métabolisme fonctionnant au ralenti). Dans
ces conditions le sang reste environ une minute dans chaque capillaire, laissant ainsi largement le
temps au gradient de s’établir. Les échanges sont réalisés dans la première partie du capillaire
établissant de ce fait rapidement un gradient nul dans le reste de ce vaisseau.
1.5.2 Capacité de diffusion
Comme pour le poumon la capacité de diffusion au repos est largement en excès. L’apport en
O2 est limité par le débit sanguin local.
Pendant l’exercice, quand la vitesse de circulation s’accroît, le gradient persiste sur une plus
grande partie du capillaire et la surface d’échange augmente. L’équilibre peut être réalisé sur la
totalité de la surface du capillaire.
Au niveau des tissus, contrairement à ce qui se passe au niveau du poumon, la vitesse du sang
peut augmenter dans de telles proportions que l’égalisation des pressions n’a plus le temps de se
réaliser complètement. Dans ce cas la pression veineuse en oxygène diminue moins et reste supérieure
à la pression tissulaire en O2. Le pourcentage d’extraction d’O2 prélevé dans le sang diminue.
Le prélèvement d’O2 par les tissus est alors limité, non plus par le débit sanguin, mais par les
capacités diffusionnelles capillo-tissulaires.
La captation de l’oxygène par un muscle dépend de plusieurs facteurs :
= La vitesse de circulation des érythrocytes, directement proportionnelle au débit
cardiaque.
= La concentration sanguine en hémoglobine et l’hématocrite. Si ce dernier est trop
élevé (> 50%), la viscosité sanguine est trop élevée pour permettre la bonne irrigation des capillaires
les plus petits.
= La surface d’échange. Plus le nombre des capillaires est important, plus les
capacités de diffusion sont importantes. Le nombre de capillaires peut être modifié par
l’entraînement ;
10
= La vasodilatation locale est un facteur important pour permettre l’accès de zones
faiblement irriguées à l’état de repos, aux érythrocytes. Si pour des raisons centrales cette
vasodilatation est trop importante le cœur se trouve dans l’impossibilité de maintenir la vitesse de
circulation et la diffusion se trouve donc diminuée.
1.6 - OXYGENE DANS LA CELLULE
Au niveau des cellules l’oxygène diffuse à travers la membrane et est très rapidement capté
par les enzymes de la chaîne respiratoire dans la mitochondrie.
Les cellules grandes consommatrices d’oxygène (fibres musculaires rouges, dites lentes)
disposent dans leur cytoplasme d’une protéine transporteuse d’oxygène, la myoglobine.
Il s’agit d’un pigment (rouge) très proche de l’hémoglobine mais constitué d’un seul monomère.
L’affinité de ce transporteur pour l’oxygène est non régulable et supérieure à celle de l’hémoglobine
dans les conditions tissulaires périphériques.
L’intérêt majeur de cette protéine est de protéger le contenu cellulaire du caractère très nocif
de l’oxygène pour les tissus. Lors d’exercices particulièrement violents de la myoglobine peut être
libérées des cellules musculaires traumatisées et donner une myoglobinurie.
II -TRANSPORT DU GAZ CARBONIQUE
Le gaz carbonique n’est présent qu’à l’état de traces dans l’air. Le gaz carbonique que nous
produisons au niveau du métabolisme correspond à l’oxydation complète de molécules de carbones
issues des substrats énergétiques (sucres, lipides, protéines...).
2.1 ORIGINE
Le gaz carbonique issu du métabolisme énergétique musculaire provient de trois réactions de
décarboxylation oxydative appartenant au cycle de Krebs (la pyruvate déshydrogénase, la citrate
déshydrogénase et l’alpha cétoglutarate déshydrogénase).
Le gaz carbonique diffuse facilement dans la cellule et à travers la membrane cellulaire.
2.2 TRANSPORT SANGUIN
Le CO2 est transporté, comme l’oxygène, sous deux formes dissous et combiné à
l’hémoglobine.
2.2.1 CO2 dissous
Le gaz carbonique est beaucoup plus soluble que l’oxygène. Pour une PCO2 de 40 mm Hg, le
sang artériel contient 2,5 ml de CO2 pour 100 ml de sang. Cette concentration augmente
proportionnellement à la PCO2.
Le CO2 dissous existe sous deux formes :
Gazeuse
Combinée à l’eau (H2CO3) sous forme d’acide carbonique
11
Le CO2 dissous se comporte comme un acide faible (il y a 700 fois plus de gaz que d’acide).
Quand il diffuse à travers la membrane de la fibre musculaire en activité il contribue donc à acidifier
le milieu favorisant ainsi la baisse de l’affinité de l’Hb pour l’oxygène.
2.2.2 CO2 combiné à l’Hb.
Il s’agit d’une carbamination d’une protéine (notamment de l’hémoglobine) sur un
groupement aminé.
La fixation de CO2 sur la molécule d’hémoglobine est réalisée en dehors de l’hème sur un
résidu aminé d’une chaîne latérale. La fixation d’un CO2 est couplée à la fixation d’un proton, ce
phénomène est connu sous le nom d’effet Haldane.
O2
H+
H+
CO2
CO2
Lorsque l’hémoglobine est oxygénée, elle a peu d’affinité pour le CO2 et les H+ (sang
artériel). En perdant son O2 lors de son passage dans les capillaires elle modifie sa structure et se
trouve alors dans un état favorable pour fixer les protons et le gaz carbonique (sang veineux).
Ce mécanisme permet de « pomper des CO2 issus du métabolisme sans augmentation de la
PCO2. Au repos ce mécanisme est responsable du transport des ¾ des CO2 produit par le métabolisme
tissulaire.
2.3 ELIMINATION PULMONAIRE
Au niveau pulmonaire :
Le CO2 dissous franchit sans difficulté la barrière alvéolo-capillaire par simple
gradient de concentration (malgré la faiblesse de ce dernier 5 à 6 mm Hg).
Le CO2 fixé sur l’hémoglobine se trouve spontanément libéré par la fixation de
l’oxygène sur l’hémoglobine.
12