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Physiologie Respiratoire
Cours: physiologie d’organe - Mécanique ventilatoire, volumes pulmonaires
- Ventilation alvéolaire, transfert alvéolo-capillaire
- Circulation pulmonaire, rapports ventilation-perfusion
- Bronchomotricité, contrôle de la ventilation
Application: exploration fonctionnelle respiratoire - EFR pratique et adaptations ventilatoires à l’exercice
Physiologie Respiratoire
Echanges gazeux
- ventilation / ventilation alvéolaire hypoxémie par hypoventilation alvéolaire
- transfert alvéolo-capillaire hypoxémie par trouble de diffusion
- transport des gaz: O2 et CO2
- rapports ventilation / perfusion hypoxémie par hétérogénéité des rapports VA/Q hypoxémie liée à un shunt
alvéole
VO2
VO2
Echanges gazeux
Consommation d’O2 Production de CO2
Ventilation alvéolaire
Ventilation Convection
Transfert alvéolo-capillaire Diffusion
Transport des gaz par le sang Convection
Diffusion
VCO2
VCO2
pression partielle =
agitation moléculaire concentration
= nombre de molécules
Pression partielle ≠ Concentration
sang
pression partielle
concentration pression partielle
concentration
alvéole
ventilation
perfusion convection
diffusion
PIO2
PAO2
PaO2 PvO2
Gaz inspiré
Gaz alvéolaire Sang artériel
Sang veineux - tissus
mmHg Pour les gaz: unité de pression mmHg (100 kPa ~750 mmHg)
Gaz inspiré
• La pression partielle d’un gaz dans un mélange gazeux occupant un volume V – est la pression qu’exercerait ce gaz s’il occupait
seul le volume V
• La pression partielle d’un gaz dans un mélange gazeux est égale au produit de :
• la pression totale • par la fraction (concentration) de ce gaz dans le mélange
Loi des gaz en phase gazeuse (Dalton)
Pp = Pt x F
Composition de l’air
Air sec ~ azote (N2) + oxygène (O2)
Pression totale = barométrique, atmosphérique
PB ~ PN2 + PO2 = 760 mmHg
Air inspiré, réchauffé, saturé en vapeur d’eau
Vapeur d’eau = gaz supplémentaire [P = f(t°)]
à 37°C: PH2O = 47 mmHg
Pression partielle inspirée en O2
PIO2 = (PB - 47) x FIO2 Air réchauffé et saturé en vapeur d’eau
• Concentrations ou fractions – FIO2 = 0,21 ou 21% – FICO2 ~ 0 – FIN2 = 0,79 ou 79%
• Pression partielle en O2: – PIO2 = (760 - 47) x 0,21 = 150 mmHg
• FIO2 – change si administration thérapeutique d'oxygène (0,21 ≤ FIO2 ≤ 1)
– ne change pas avec l'altitude
• Pression barométrique – diminue en altitude ( /2 à 5000 m) – augmente en caisson hyperbare
Gaz inspiré PIO2 = (PB - 47) x FIO2
PIO2 150
PAO2
PaO2 PvO2
Gaz inspiré
Gaz alvéolaire Sang artériel
Sang veineux - tissus
mmHg Gaz alvéolaire
Gaz expiré: composition
alvéole
VO2
VO2 VCO2
VCO2
Gaz expiré dépend de: • gaz inspiré • besoins des tissus • ventilation: VT=FR x VT
.
Gaz expiré ≠ alvéolaire: • gaz des voies aériennes • ventilation alvéolaire: VA=FR x VA .
gaz ayant pénétrédans l'alvéole
450 ml
gaz resté dans l'espace mort
150 mlvolumeà inspirer 450 ml
gaz resté dans l'espace mort 150 ml
gaz resté dansl'espace mort
150 ml volumeà expirer 450 ml
volume étant sortide l'alvéole 450 ml
gaz resté dansl'espace mort
150 ml
1 2
3 4
5 6
gaz resté dansl'espace mort
150 ml
gaz resté dans l'espace mort
150 ml
Ventilation / Ventilation alvéolaire: espace “mort”
VT = VA + VD (dead)
alvéole
VO2
La consommation d’oxygène: VO2
Ventilation
VO2 =
VT x FIO2 – VT x FEO2
. .
Gaz inspiré VT, FIO2
Gaz expiré VT, FEO2
.
. VO2
Ventilation alvéolaire
VO2 =
VA x FIO2 – VA x FAO2
. .
VA, FIO2 Gaz alvéolaire VA, FAO2
.
alvéole
VCO2
La production de gaz carbonique: VCO2
Ventilation
VCO2 =
VT x FECO2
. .
Gaz inspiré VT, FICO2~0
Gaz expiré VT, FECO2
.
VCO2
Ventilation alvéolaire
VCO2 =
VA x FACO2
. .
VA Gaz alvéolaire VA, FACO2
PA(a)CO2 = (760 – 47) x FACO2 = 40 mmHg
PIO2 150
PAO2
PaO2 PvO2
Gaz inhalé
Gaz alvéolaire Sang artériel
Sang veineux - tissus
mmHg Gaz alvéolaire
CO2
PAO2 ≈ PIO2 - (PACO2 / 0,8)
PIO2 = 713 x FIO2 PACO2 = PaCO2
100 mmHg ≈ 150 - (40 / 0,8)
Pression alvéolaire en O2 (PAO2)
713 40
100
Formule simplifiée de la PAO2:
Pression alvéolaire en O2 (PAO2)
Quotient respiratoire : QR
QR : rapport VCO2 / VO2 Dépend du type d’aliment métabolisé QR normal : 0,82 Glucides, QR = 1 Lipides, QR = 0,7
. .
PAO2 ≈ PIO2 - (PACO2 / 0,8)
Quotient respiratoire : R
Production d’énergie (ATP):
• utilisation de substrats énergétiques (glucides, lipides, protides) + O2
• production de CO2 + d’énergie (ATP) • conditions aérobies: glycolyse, cycle de Krebs et chaîne respiratoire
Glucose: C6H12O6 + 6 O2 + 6 CO2 + 6 H2O + énergie : CO2/O2 = 1 Lipide: C16H32O2 + 23 O2 + 16 CO2 + 16 H2O + énergie : CO2/O2 = 0,7
Pressions gaz alvéolaires = f(ventilation alvéolaire)
Variation de ventilation alvéolaire (métabolisme constant)
. VCO2
= VA x k.PaCO2
= VA x FACO2
. è
î ì
.
hypercapnie PaCO2 = 713 x FACO2
PaCO2 ì
VO2 =
VA x FIO2 – VA x FAO2 =
VA (FIO2 – FAO2)
. .
Hypoventilation alvéolaire
è .
î è
. î
hypoxémie
PaO2 î
PIO2 150
PAO2 100
PaO2 PvO2
Gaz inhalé
Gaz alvéolaire Sang artériel
Sang veineux - tissus
mmHg Transfert alvéolo-capillaire
diffusion alvéolo-capillaire
Transfert alvéolo-capillaire
Volume courant VT = 500 mL Fréquence respiratoire = 15/mn Ventilation courante = 7,5 L/mn
Espace mort = 150 mL
Volume alvéolaire ~ 3 L Ventilation alvéolaire
= 5 L/mn
Volume capillaire = 70-100 mL Débit sanguin pulmonaire = 5 L/mn
Transfert alvéolo-capillaire
Diffusion dans les alvéoles tout au long de l'arbre aérien la
vitesse du gaz diminue dans l'alvéole la diffusion est le
mécanisme de transport des gaz jusqu'à la surface épithéliale alvéolaire
Transport des gaz: diffusion
Transfert alvéolo-capillaire
Transfert alvéole - sang 2 étapes: 1) diffusion puis 2) réaction sang capillaire
2 résistances:
Rtot = Rm + Rs
plasma
hématie
épithélium
mb. basale
endothélium
1 µm
hémoglobine
O2
O2
alvéole
1/DL = 1/Dm + 1/Ds membrane sang
DL = V / (PA – Pcap) Capacité de transfert
(conductance pour le gaz)
.
surface : A (50-100 m2)
épaisseur : e (0,5 µm)
gaz: solubilité (α), PM
Capacité de transfert de la membrane Diffusion: loi de Fick
. débit de diffusion V = α/√PM x A/e x (P1 – P2)
Dm : capacité de transfert (conductance membranaire)
plasma
alvéole
P1 P2
Capacité de transfert du sang
θ : cinétique Vc : volume capillaire (pour une [Hb] normale)
Ds = θ.Vc
VO2 = DLO2 x (PAO2 – PcapO2) . Vc
1Dm1
OD1
02O22L ⋅+=θ
Pour l’O2
Conductance « sang »
Modélisation du transfert de l’oxygène
hématie
hémoglobine
DmCO2 = 20 DmO2
Diffusion du CO2
solubilité : α (αCO2>>αO2)
artère pulmonaire capillaire veine pulmonaire
40
100
PvO2
mmHg
PaO2
45
40
PvCO2
PaCO2
gradients de diffusion
alvéolo-capillaire
Gradients de pression: O2 et CO2
Gradients de pression: O2 et CO2
100
40
40
46
A A Artère
pulmonaire
Veine pulmonaire
Temps transit capillaire (s)
Équilibre pressions 1/3 trajet
Temps de transit (s)
Transfert de l’oxygène
REPOS
Facteurs limitant transfert O2: repos = perfusion;
0
50
100
ALVEOLAIRE
0,25 0,50 0,75
Normale
hypoxémie d’exercice
Un peu anormale
PaO2 < PAO2 hypoxémie de repos (aggravée à l’exercice)
Très anormale
mmHg
EXERCICE
exercice = diffusion
Explorations Fonctionnelles du transfert
Epreuve d’exercice: recherche d’hypoxémie
Etude du transfert du CO: DLCO
CO: transfert limité par la diffusion
Gaz ayant une très grande affinité pour l’hémoglobine
Epreuve fonctionnelle respiratoire explorant le lit vasculaire (Vc)
Analyse gaz • inspiré • expiré
Hypoxémie du trouble de diffusion
• Lié à une pathologie respiratoire î S, ì e, î Vc pathologies fibrosantes, vasculaires pulmonaires
• Stade initial de la maladie: hypoxémie uniquement à l’effort • Stade tardif de la maladie:
hypoxémie de repos, aggravée à l’effort
• Pas de trouble de diffusion CO2 normo (chronique) ou hypocapnie (aigu)
Physiologie Respiratoire
Cours: physiologie d’organe - Mécanique ventilatoire, volumes pulmonaires
- Ventilation alvéolaire, transfert alvéolo-capillaire
- rappels sur le transport des gaz (vu en PACES)
- Circulation pulmonaire, rapports ventilation-perfusion
- Bronchomotricité, contrôle de la ventilation
Application: exploration fonctionnelle respiratoire - EFR pratique et adaptations ventilatoires à l’exercice
Hémoglobine
• Constituée d'une partie protéique, la globine, et de l'hème contenant le fer :
- Globine: protéine formée de 4 chaînes polypeptidiques : 2 chaînes a et 2 chaînes ß - hème: composé porphyrine-fer qui lie l'O2 • Hb: molécule allostérique • 1 molécule d'Hb peut lier 4 molécules d'oxygène • Pouvoir oxyphorique de l'Hb : 1 g d'hémoglobine peut se combiner au maximum avec 1,39 ml d'O2 • [Hb] = 14 g/100 ml de sang chez la femme et 16 g/100 ml de sang chez l'homme
Hémoglobine : structure
Rappel
• La pression partielle d'un gaz est déterminée par la quantité de gaz présente sous forme dissoute • La concentration ou contenu d'un gaz dans un liquide est la quantité totale de gaz présente (forme liée + forme dissoute)
Coefficient de solubilité (eau, 37°) O2 α= 0,003 ml O2 dissous /100ml sang/mmHg Dans sang artériel normal : PO2 = 100 mmHg 0,3 ml O2 dissous /100 ml sang
Pouvoir oxyphorique (P.O.) de l’Hb : 1 g d’Hb peut fixer au maximum 1,39 ml d’O2 si Hb = 15 g/100 ml de sang, quantité max. d'O2 liée = capacité en O2 = 1,39 x 15 = 21 ml O2/100 ml
Contenu en O2 = O2 fixé à Hb + O2 dissous = 21,3 ml/100 ml de sang Dans 1L de sang : # 200 ml d’O2 gazeux, soit 3 ml d’O2 dissous et 197 ml
d’HbO2
HbO2 αPO2
HbO2 ↔ O2 + Hb
O2 fixé à l’hémoglobine
O2 dissous
Transport sanguin de l’oxygène
Transport de l’O2
PAO2 ~100 mmHg PO2 ~100 mmHg
Relation entre PO2 et O2 lié à Hb
Courbe de dissociation oxyhémoglobine: X = PO2 et Y = contenu O2
O2 combiné à Hb = P.O. x [Hb] x SaO2/100 = 1,39 x 15 x 0,975 = 20 ml d'O2/100 ml sang
Cont
enu
en O
2 (m
l/10
0ml
si Hb
= 15
g/d
l
Courbe de dissociation de l’O2 (pour pH = 7,4, PCO2 = 40 mmHg, T = 37°C)
PO2 (mmHg)
Satu
ration
Hb
(%)
SaO2 = X 100 Capacité O2
O2 combiné à Hb
Relation entre PO2, SaO2 et concentration en O2
O2 combiné à Hb = P.O. x [Hb] x SaO2/100 = 1,39 x 10 x 0,975 = 14 ml d'O2/100 ml sang
Affinité de l'Hb pour l'oxygène
↑ CO2, ions H+: Effet Bohr ↑ 2-3 DPG (diposphoglycérate) ↑ température
Diminution de l’affinité : favorable aux tissus Augmentation de l’affinité : favorable à l’hématose
P50 : pression partielle d'O2 pour saturer à 50% l'Hb : Normale : 27 mmHg
↑ quand affinité Hb pour O2 diminue :
Effet Bohr : augmentation de la pression partielle en CO2 et la baisse du pH induit une perte d'affinité pour l'O2 ce qui entraîne donc la libération de l'oxygène au niveau du muscle
Transport du CO2
Il se fait sous 3 formes: • Dissoute • Combiné à des protéines : composés carbaminés
CO2 + RNH2 R.NH.COOH CO2+Hb.NH2 Hb.NH.COOH
Effet Haldane: Fixation O2 sur Hb facilite libération CO2 • Bicarbonates CO2 + H2O H2CO3 HCO3
- + H+ anhydrase carbonique
Transport du CO2
Déplacement des chlorures : Effet Hamburger
H+ + HbO2 H+.Hb + O2
Effet Haldane (dans le poumon) = facilitation du transfert du CO2 par l'oxygénation
Effet Haldane:
Fixation O2 facilite
libération CO2
Courbe de dissociation du CO2
perte d'affinité de l'hémoglobine pour le CO2 quand la pression partielle en O2 augmente dans le sang
veine
artère
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