I - Organisation fonctionelle de l`organisme

GRANDES FONCTIONS ANIMALES
Jordi Ehrenfeld – Jean-Marc Mienville
INTRODUCTION
TD : début 14 septembre – TP : durant le S6, module « techniques d’exploration fonctionnelle »
Dans la continuité des notions de physiologie cellulaire abordées l’an passé, nous aborderons cette année la
physiologie des grandes fonctions, à travers l’étude d’un certain nombre d’organes et les physiopathologies qui
leur sont associées. Ce dernier point pourra être abordé plus en détail au sein de l’option éponyme su S6.
Au sein de ce cours, nous traiterons de généralités concernant le milieu intérieur, puis étudierons la fonction
rénale la fonction respiratoire et les équilibres acido-basiques. La fonction cardiovasculaire ainsi que digestive
seront quant à elles traitées par M. Mienville.
ORGANISATION FONCTIONELLE DE L’ORGANISME ET DES MILIEUX INTERIEURS
La physiologie est la discipline étudiant le fonctionnement normal d’un être vivant et des organes qui le
composent, incluant la compréhension des phénomènes physico-chimiques en jeu. Historiquement, le terme
« physiologie », associé au fonctionnement des organismes vivants, remonterait à 300 av. J.C. et serait dû à
Aristote. Hippocrate associait quant à lui ce terme à l’idée de « pouvoir guérisseur de la nature » : très vite, un
parallèle est donc fait entre la physiologie et la médecine. Aujourd’hui, le terme « physiologie » est largement
employé lors de l’étude des fonctions d’un organisme. Une discipline liée de manière intime à la physiologie
n’est autre que l’anatomie, puisqu’existent un grand nombre de relations structure-fonction.
LES SYSTEMES PHYSIOLOGIQUES
La cellule, unité fonctionnelle de base du vivant, est séparée du milieu extérieur par une membrane plasmique.
Les organismes complexes comportent des millions de cellules associées. Lorsque celles-ci possèdent une
même fonction, on dit qu’elles constituent un tissu, dont plusieurs d’entre eux composent des unités
structurales et fonctionnelles, les organes. A un niveau d’organisation une fois de plus croissant, la conjugaison
de ces derniers entre eux mène à la formation de systèmes d’organes.
Qu’elles soient ou pas organisées en tissus, les cellules baignent dans un environnement aqueux : le liquide
extracellulaire ou milieu intérieur. La mise en place d’une telle structure est fortement liée à l’évolution : en
effet, les cellules primitives ayant été en contact direct avec leur milieu ambiant et ses variations (concernant
en particulier le rejet de déchets), ces dernières se sont organisées de manière à s’en affranchir, permettant
par la même leur migration vers le milieu terrestre où les variations physicochimiques extérieures sont
considérables. Le milieu intérieur mis en place se trouve être d’une composition déterminée et est donc stable,
permettant un fonctionnement optimal des mécanismes biochimiques.
Les fonctions du milieu intérieur ou interstitiel sont les suivantes :
•
•
Echanges entre organes et milieu interstitiel,
Echanges entre milieu interstitiel et milieu extérieur, au travers d’un certain nombre d’organes
hautement spécialisés comme par exemple les branchies,
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•
•
Confortation des échanges et interactions entre
différents organes,
Coordination de ces échanges et interactions par
l’intermédiaire de signaux (hormones, etc.),
Pour arriver à une telle organisation, des organes spécialisés
répartis en neuf systèmes sont mis en place :
1.
2.
Un système tégumentaire délimitant le milieu
extérieur du milieu ambiant et jouant un rôle de
protection,
Un système musculo-squelettique assurant la
structure et la mobilité du corps.
Il n’existe pas moins de quatre systèmes d’échanges de
substances entre environnement interne et externe :
3.
4.
5.
6.
Système respiratoire : échange de gaz,
Système digestif : nutriments,
Système rénal : ions, solutés, et déchets,
Système reproducteur : gamètes.
Enfin, trois autres systèmes s’étendant à l’ensemble de
l’organisme :
7.
8.
9.
Système circulatoire, distribuant les nutriments à l’ensemble des tissus, éliminant les déchets présents
dans le sang et favorisant la communication hormonale inter-organes,
Système neuroendocrinien, permettant l’organisation et le contrôle des différents organes,
Système immunitaire, plus diffus, permettant l’interception de toute substance ou corps étranger
pouvant s’introduire à l’intérieur du tégument ou d’un organe. Il est largement associé au système
circulatoire.
Il est nécessaire de distinguer la notion de fonction de celle de processus. La fonction d’un système
physiologique correspond au « pourquoi », incidemment à une approche théologique du sujet : « -Pourquoi le
globule rouge transporte-t-il de l’oxygène ? –Parce que les cellules ont besoin de ces molécules ». Cette
réponse finalistique explique la raison pour laquelle les choses se passent de telle façon, sans considération du
processus. Ce dernier correspond justement au « comment », au mécanisme, sans pour autant annoncer sa
fonction : « l’oxygène est transporté via une fixation en grande quantité par l’hémoglobine ». Nous pouvons
dire que la physiologie est une discipline associant l’étude de la fonction et du processus, en somme une
intégration de ces deux paramètres.
COMPARTIMENTS LIQUIDIENS DE L’ORGANISME
Il existe pour les compartiments liquidiens plusieurs classifications possibles, effectuées selon des critères
physicochimiques, topographiques, ou les deux associés. Alors que le milieu intracellulaire est un
compartiment bien défini sur le plan anatomique, le milieu extracellulaire inclut le plasma et le liquide
interstitiel. Le premier est présent dans le sang, et le second baigne la totalité des cellules : ces dernières ne
sont donc pas en contact direct avec le plasma. Le liquide interstitiel, ou lymphe interstitielle, est une espèce
de gel à circulation lente organisée en réseaux lymphatiques qui draineront les déchets vers les veines. Le
plasma sanguin possède quant à lui une circulation rapide de par son rôle au sein du système circulatoire.
Celui-ci subit un remaniement constant de la part des organes.
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Abordons quelques techniques de mesure des
compartiments liquidiens de l’organisme, dont certaines
seront utilisées aux TP
P du semestre 6. Considérons le
milieu intérieur comme un système à l’équilibre : on y
trouve donc autant d’entrées que de sorties de composés.
Pour effectuer nos mesures, nous pourrons de cette façon
utiliser l’injection d’une substance connue dans un
compartiment,
partiment, puis, après homogénéisation, effectuer le
prélèvement d’une fraction aliquote en vue d’en
déterminer la concentration en substance injectée.
Le graphe représente la concentration de la substance en un point quelconque du compartiment en fonction
du temps : l’homogénéisation y est bien visible. Le volume du compartiment correspond donc au rapport de la
quantité injectée sur la concentration mesurée à l’équilibre de la substance.
Afin de mesurer le volume d’un compartiment, un traceur peut donc être utilisé. Quelles devraient être les
spécificités d’un tel composé ?
•
•
•
•
•
Il doit être spécifique de l’espace ou du compartiment considéré,
Il ne doit pas être dégradable ou métabolisable,
métabolisable
Il doit être de diffusion
ffusion relativement rapide afin d’aboutir
outir à une répartition homogène,
homogène
Il doit être non toxique,
Il doit être sans
ans effet osmotique, afin de ne pas provoquer d’erreurs de mesures.
Cependant, un tel traceur relève
elève de l’utopie, car celui-ci
celui dans l’organisme mènerait au tracé d’une courbe
d’élimination. Son aspect est dû au rôle du cœur dans l’homogénéisation, et du foie ou du rein pour
l’élimination de la substance. Traité en semi-log,
semi
ce type de courbe nous permet d’obtenir deux segments de
courbe, et incidemment remonter à deux exponentielles : une d’homogénéisation,, et une autre d’élimination,
toutes deux décroissantes.
La concentration d’intérêt correspond graphiquement à l’intersection de la
la droite d’élimination avec l’axe des
ordonnées : nous sommes homogènes,
ènes, le premier processus est terminé, et l’élimination est nulle. La pente
d’élimination notée k correspond au taux de renouvellement du compartiment. Il est exprimé en
. On
peut associer le taux de renouvellement et la notion de demi-vie biologique :
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Ce qui nous amène à définir la notion de clearance. Celle-ci correspond au volume épuré de substance par
unité de temps.
. . , %. Pour un volume de 10L et une clearance d’un litre par minute, notre taux de renouvellement sera de
-1
k=10%.min .
Cette notion peut trouver son utilité en médecine lors, par exemple, d’examens de la fonction hépatique. Nous
pratiquons alors la mesure de clearance du BSP bromosulfone-phtaléine. Le foie possédant une fonction de
détoxification du milieu intérieur et étant irrigué, il pratiquera le prélèvement de substances du sang en vue de
leur transfert dans la bile. Le BSP a pour autre particularité de pouvoir se fixer sur la sérumalbumine,
permettant donc également la mesure d’un index de l’espace sanguin, cette protéine se retrouvant dans le
sang. Le volume de distribution du BSP est de 5L, son taux de renouvellement déduit du graphe est de
k=10%/min, correspondant à une clearance Cl=500mL/min. Le débit hépatique étant de 6L/min, la fraction
épurée est donc de 8%.
Afin de mesurer l’espace de diffusion total d’un organisme, il est possible d’utiliser des isotopes radioactifs de
l’eau : le deutérium et le tritium. L’injection de ces derniers sous forme de trace, technique non invasive,
permet de définir cet espace, l’eau tritiée diffusant en intra et extracellulaire. La mesure de l’espace
extracellulaire, composé du milieu interstitiel et du plasma, est effectuée à l’aide de macromolécules comme
l’inuline, le mannitol ou le dextran (70kDa) dont la taille empêche toute pénétration des membranes
plasmiques. La mesure du volume plasmatique uniquement peut être réalisée via l’utilisation de bleu
d’albumine, de bromosulfone, d’albumine, de chrome marqué.
Faisons maintenant un peu de mathématiques pour physiologistes ! Grâce aux données acquises, nous
pouvons calculer :
•
– •
– Chez l’homme, 56% du poids
corporel d’un adulte est constitué
d’eau, c'est-à-dire de 42 à 43L. Il
existe une différence de l’ordre de
10% entre les deux genres :
homme 61%, femme 51%, dû à la
différence de composition en
corps adipeux. Le nouveau-né
comprend 75% d’eau, un an 65%,
16 ans 56%. Le schéma ci-contre
représente
les
compositions
volumiques
des
différents
compartiments
aqueux
chez
l’homme.
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Observant la composition électrolytique
électrolytique des secteurs liquidiens de l’organisme sous forme d’histogramme,
nous remarquons que les compartiments plasmatique et interstitiel sont de composition très proche. Les
différences de composition relevées semblent être dues aux protéines, chargées négativement,
négati
présentes en
plus grande quantité en secteur plasmatique à travers l’albumine en particulier. On retrouve ainsi au sein du
compartiment interstitiel une plus forte concentration en anions.
En secteur plasmatique, le cation
majoritaire
est
le
sodiu
sodium
(140mEq/L),
/L), et les anions majeurs
le chlorure et le bicarbonate. Le
potassium se retrouve quant à lui
en faible quantité, avec 4mEq/L.
4mE
En secteur intracellulaire, nous
retrouvons
beaucoup
de
potassium, peu de magnésium et
très peu de sodium (10mEq/L).
(10mEq/L) Les
anions y sont représentés par les ions phosphate et les protéines, mais très peu par le chlorure.
c
La
concentration en bicarbonate intracellulaire est plus faible que l’extracellulaire, de ce fait le pH cellulaire (7,2)
sera plus faible de 0,2upH que le pH
H plasmatique (7,4).
De par la règle d’électroneutralité, nous retrouvons au sein de chaque compartiment autant de cations que
d’anions. Enfin, les
es pressions osmotiques à l’équilibre entre milieux interstitiel et plasmatique sont
équivalentes.
EVOLUTION DESS EQUILIBRES HYDRIQUES
HYDRIQU
Etudions maintenant l’évolution des
équilibres hydriques en partant des espèces
marines jusqu’aux
usqu’aux mammifères terrestres.
Les pressions hydriques des cyclostomes et
élasmobranches sont en équilibre
quilibre avec le
milieu ambiant. Chez
hez ces derniers
de
cependant, les concentrations en sodium et
chlorure rabaissées sont compensées par la
synthèse d’osmolytes organiques tels le TMAO triméthylamine oxyde et l’urée, induisant cependant un certain
coût énergétique. Nous observons chez les téléostéens une
u rupture : leur pression osmotique est trois fois plus
faible que celle de l’eau de mer. Ce déséquilibre osmotique complet nécessitera la présence d’organes
spécialisés dans la compensation et l’adaptation hydrique. Ces espèces s’hydrateront néanmoins sans
sa aucun
souci en eau douce, tout comme les amphibiens, les oiseaux ainsi que les mammifères.
La raison de cette baisse d’osmolarité doit être due au fonctionnement des systèmes biochimiques, dont
l’efficience doit être augmentée en présence de forces ioniques
ioniques plus faibles, expliquant l’intérêt de la mise en
place de systèmes d’adaptation aux fortes pressions osmotiques.
NOTION D’HOMEOSTASIE
Le milieu intérieur est maintenu dans des limites relativement strictes à une composition bien. En cas
d’éloignement de ces valeurs, il existe des mécanismes de compensation permettant un retour rapide aux
valeurs de référence. La notion d’homéostasie est un concept ayant été développé par Claude Bernard,
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médecin et physiologiste du XIXème ayant remarqué qu’un certain nombre
nombre de paramètres relatifs au corps
humain tels que pression sanguine ou rythme cardiaque restaient constants. Le terme d’homéostasie
d’h
a été
introduit par Walter Bradford Cannon,
non, physiologiste américain du XXème ayant étendu cette notion jusqu’à sa
définition actuelle. Certains physiologistes considèrent néanmoins que la notion d’« homéodynamisme » serait
plus appropriée, puisque définissant des mécanismes de réajustement constants. Tous les organes participent
à une constance des paramètres tels pH, pression
pression osmotique, pression partielle d’oxygène, concentration en
acides aminés, etc.
Le schéma ci-contre
contre représente la
participation de différents organes au
sein de l’équilibre hydrique. Malgré les
points
abordés
précédemment
concernant l’homéostasie, il existe
xiste un
brassage
considérable
et
un
renouvellement constant du contenu
hydrique des différents compartiments.
Ainsi, pour parvenir à un équilibre
hydrique,
plusieurs
organes
interviennent lors de mouvements
liquidiens considérables.
Si cette homéodynamique
ue n’est pas maintenue à cause de
perturbations internes (croissance cellulaire anormale, maladie
auto-immune)
immune) ou externes (toxicité, virus, bactéries, etc.), le
changement d’homéostasie induira une tentative de compensation
de la part de l’organisme, dont l’échec peut mener à certaines
pathologies.
SYSTEMES DE CONTROLE
Il existe un grand nombre de systèmes de contrôle, se répartissant
selon différents niveaux : cellule, organe, organisme. Le plus
complexe d’entre eux est certainement celui agissant à l’échelle
cellulaire, le contrôle génétique, régissant les fonctions intra mais
aussi extracellulaires. Comprenant qu’un organe se doit également
d’être contrôlé, Il existe également une régulation à l’échelle de
l’organe ainsi que l’organisme. Prenons quelques
quelqu exemples simples
significatifs des systèmes de rétrocontrôle.
Prenons l’exemple d’un exercice physique, responsable de la
production de dioxyde de carbone dans les tissus. Cette production
induit une perturbation de l’équilibre CO2 plasmatique, qui est
rompu. Ce composé circulera jusqu’en direction des centres
respiratoires où les poumons répondront par voie efférente en
augmentant la fréquence respiratoire en vue de revenir à une pCO2
correcte. On parle alors de feedback
ack négatif, la réponse engagée
s’opposant
posant au processus de départ.
Autre exemple : une augmentation de la pression artérielle exerce
une pression sur les mécanorécepteurs de l’aorte et des carotides.
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d réponse : induction
Ces signaux d’étirement transiteront par les nerfs de Cyon et Herig, induisant deux types de
d’une vasodilatation périphérique via le système orthosympathique, et baisse du rythme cardiaque via le
système parasympathique et l’acétylcholine, respectivement.
Résumons au sein d’un
tableau les valeurs
normales et limites ou
létales de différents
paramètres.
Il est alors possible de
calculer un « gain »,
c'est-à-dire la capacité
de correction du système de contrôle. Ainsi, un organisme sans les barorécepteurs étudiés précédemment
passerait de 100 à 175mmHg de pression, alors qu’avec
qu’avec un système barorécepteur, il passerait de 100 à
125mmHg. Le gain est alors égal à (175-125)/25=2.
(
Concernant le paramètre température, son gain est de 33,
signifiant que celle-ci
ci est extrêmement bien contrôlée. Pour ce qui est de la température, le gain est de 33,
c'est-à-dire que la température est extrêmement bien contrôlée, puisqu’une augmentation de 6 à 7°C aurait
pour effet de détruire les cellules par augmentation de leur métabolisme et dénaturation de protéines. Ces
chiffres nous donnent des indications sur la capacité de régulation pour chaque paramètre. Le pH est lui sujet à
0,5 unité de variation. Le potassium, responsable du potentiel
potentiel de membrane, a son importance : une chute à
1/3 de sa valeur normale induit une paralysie de par l’arrêt du
du transfert de l’influx nerveux. Concernant le
calcium, une chute de celui-ci
ci de moitié entraîne une tétanie. C’est en cela que tous ces paramètres se doivent
d’être extrêmement bien contrôlés.
Concernant les feedbacks positifs,
ositifs, prenons l’exemple de la pratique
pra
d’une saignée. Une saignée modérée,
entraînant la perte d’un litre de sang sur cinq, induit la mise en place de phénomènes de compensation : la
pompe cardiaque n’est pas désamorcée, et au bout de quelques minutes le sang retrouve un débit normal. Une
saignée importante, de l’ordre de deux litres de sang,
sang entraînera quant à elle la réduction de moitié du débit de
la pompe, son désamorçage, ainsi qu’une faible irrigation des coronaires, ne pouvant ainsi plus alimenter en
oxygène le cœur. Prenons aussi l’exemple
’exemple d’un canal sodium voltage-sensible,
voltage sensible, jouant un rôle lors de la genèse
des potentiels d’action, qui fonctionnera au mieux lors d’une dépolarisation, elle-même
elle même induite par une
dépolarisation. Un dernier exemple de feedback positif concerne l’accouchement
l’accouche
: lors de la descente de
l’enfant le long du col de l’utérus, une hormone, l’ocytocine, est libérée, responsable de contractions de
l’utérus favorisant la descente de l’enfant jusqu’à sa mise au monde.
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