Circulation pulmonaireDiffusion

Transport des gaz

Dr Frédérique AubourgService de Physiologie explorations FonctionnellesHôpital Cochin

Circulation pulmonaire

VD : Artère pulmonaire : 2 branches : divisions suivant l'architecture bronchique,jusqu'aux bronchioles respiratoires et aux alvéoles où réseau capillaire dense, retour par les veines pulmonaires jusqu'à OG.

Débit VD = débit VG : 5 L/min au repos, volume des capillaires pulmonaires : 100 ml

Circulation systémique

Parois artériolaires épaisses, avec du muscle lisse

Circulation pulmonaireParois artériolaires fines, avec peu de muscle lisse

Pressions (mmHg) dans les circulations

Circulation pulmonaire : haut débit, faible pression et résistance faible à l’écoulement

Circulation pulmonaire D = PR

Pression, débit, résistance

• Pression : force exercée par le sang (pression hydrostatique)

• La circulation du sang s'effectue toujours d'une zone de

haute pression vers une zone de basse pression.

• Le débit du sang (D : vol/unité de temps) entre 2 points à l'intérieur d'un tube est déterminé par :

- la différence de pression entre ces 2 points : P = P1- P2 (mmHg)

- la résistance au débit : R

P1 P2

Q ou D D = PR

VD VG

0

25

130P AorteP VG

P APP VD

Les pressions dans le VD et l’Art. Pulmonaire sont 6 à 8 fois plus faibles que dans le VG et l’AorteRVP = RVS / 6 à 8

Aorte APPsyst 120 24 mmHgPdiast 70 8 mmHg

Bien que la pression soit moins élevée au cours de la contraction, le VD éjecte le même volume que le VG.

Les pressions de la circulation pulmonaire

Temps (s)

Débit sanguin pulmonaire et pression artérielle pulmonaire

Lorsque le Dc augmente (exercice), la P augmente plus faiblement (système à basse P) Les résistances dans les vxpulmonaires chutent quand ledébit cardiaque s'accroît

Distension Recrutement

Les différences de pression hydrostatique dans les vaisseaux sanguins entraînent une distribution inégale du débit sanguin.

Distribution du débit sanguin dans le poumon vertical

Echanges gazeux régionaux dans le poumon

• La ventilation augmentelentement du sommetà la base du poumon

• Le débit sanguin croîtplus rapidement

Les rapports ventilation-perfusion sont plus élevésau sommet du poumon, et

plus bas à la base

Effet des modifications des rapports ventilation-perfusionsur la PO2 et la PCO2 dans une unité alvéolaire

SHUNTESPACEMORT

alvéole

VO2

VO2

Echanges gazeuxEchanges gazeux

Consommation d’O2 Production de CO2

Ventilation alvéolaire

VentilationConvection

Transfertalvéolo-capillaire

Diffusion

Transport des gaz par le sang

Convection

Diffusion

VCO2

VCO2

PIO2

PAO2

PaO2 PvO

2

Gaz inspiré

Gaz alvéolaire

Sang artériel

Sang veineux - tissus

mmHgPour les gaz: unité de pression mmHg (100 kPa ~750 mmHg)

Gaz inspiré

Gaz inspiré

PIO2

150 PAO2

PaO2 PvO

2

Gaz inspiré

Gaz alvéolaire

Sang artériel

Sang veineux - tissus

mmHgGaz alvéolaireGaz alvéolaire

Gaz expiré: compositionGaz expiré: composition

alvéole

VO2

VO2VCO2

VCO2

Gaz expiré dépend de:• gaz inspiré• besoins des tissus• ventilation: V’E=FR x VT• V’E=15X0.5=7.5 L/mn

.

Gaz expiré ≠ alvéolaire:• gaz des voies aériennes• ventilation alvéolaire: VA=FR x VAV’A=15X0.350=5.25L/min

VT = VD + VAVD: espace mort, qui ne participe pas aux échanges gazeux

.

Volume courant VT = 500 mL VT=VD + VA

Fréquence respiratoire = 15/mnVentilation courante = 7,5 L/mn

V’E= V’D = V’A

Espace mort = 150 mLVD

Volume alvéolaire VA~ 3 LVentilation alvéolaire V’A

= 5 L/mn

Volume capillaire = 70-100 mL, Fc=70/minDébit sanguin pulmonaire = 5 L/mn

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)

PIO2

150PAO

2PaO

2 PvO2

Gaz inhalé

Gaz alvéolaire

Sang artériel

Sang veineux - tissus

mmHgGaz alvéolaireGaz alvéolaire

CO2

PIO2

150PAO

2100 PaO

2 PvO2

Gaz inhalé

Gaz alvéolaire

Sang artériel

Sang veineux - tissus

mmHg

Transfert alvéolo-capillaire

Transfert alvéolo-capillaire

diffusionalvéolo-capillaire

Transfert alvéolo-capillaire

Transfert alvéolo-capillaire

Volume courant VT = 500 mLFréquence respiratoire = 15/mnVentilation courante = 7,5 L/mn

Espace mort = 150 mL

Volume alvéolaire ~ 3 LVentilation alvéolaire

= 5 L/mn

Volume capillaire = 70-100 mLDébit sanguin pulmonaire = 5 L/mn

Transfertalvéolo-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

SangSang

AirAir

COCO22

COCO22

OO22

OO22PIOPIO22 == (P (PBB-PH-PH220) 0) xx FIO FIO22

150 (mmHg) = (760 – 47) x 0,21150 (mmHg) = (760 – 47) x 0,21

PvOPvO22 = 40 mmHg = 40 mmHg PvCOPvCO22 = 46 mmHg = 46 mmHg

Interface alvéolo-capillaireInterface alvéolo-capillaire

PPAAOO22 = 105 = 105 mmHgmmHg

La barrière alvéolo-capillaire

O2

1. Surfactant2. Épithélium alvéolaire3. Espace interstitiel4. Endothélium capillaire5. Plasma (du capillaire

pulmonaire)6. Milieu intérieur du globule

rouge7. Hémoglobine

Diffusion

Tous les gaz passent à travers la paroi alvéolaire par diffusion passive.Le débit de transfert d'un gaz à travers une couche de tissu (Loi de Fick) est :

1. proportionnel à la surface du tissu 2. proportionnel à la différence de pression

partielle du gaz de part et d’autre de la barrière alvéolo-capillaire

3. proportionnel à la solubilité du gaz4. inversement proportionnel à l'épaisseur

du tissu5. inversement proportionnel à son poids

moléculaire

Diffusion

.Vgaz = DL,gaz x P

.Vgaz = S x P x K

E√ PM

K ≈ Sol

DL,gaz = S x DE

DL,gaz =

Vgaz

.

PR = P.

Vgaz

DL,gaz est l’expression de l’inverse d’une résistance

Résistance globale à la diffusion

La diffusion de l'O2 de l'alvéole à l'hémoglobine peut être considéré en 2 étapes :

1. Diffusion de l'O2 à travers la barrière alvéolo-capillaire caractérisée par le facteur membranaire (DM)

La résistance globale à la diffusion est égale à la somme des deux résistances correspondantes.

2. Combinaison de l'O2 avec l‘Hb, caractérisée par la vitesse de liaison de l’O2 à l’Hb (θ) multiplié par le volume capillaire pulmonaire (Vc)

Captation de l'oxygène le long du capillaire pulmonaire

Dans des conditions de repos et chez un sujet sain.

Temps de transit du globule rouge dans le capillaire (s)

Explorations Fonctionnelles du transfert

Epreuve d’exercice: recherche d’hypoxémie

Etude du transfert du CO: DLCO

CO: transfertlimité par la diffusion

Gaz ayant une très grande affinité pour l’hémoglobine

Epreuve fonctionnelle respiratoire explorant le lit vasculaire (Vc)

Analyse gaz• inspiré• expiré

Captation de l'oxygène le long du capillaire pulmonaire (en situation pathologique)

Temps de transit du globule rouge dans le capillaire (s)

Hémoglobine

• Constituée d'une partie protéique, la globine, et de l'hème contenant le fer :

- Globine: protéine formée de 4 chaînes polypeptidiques : 2

chaînes 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°) de l’O2

= 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 = 20.85 ml O2/100 ml

Contenu en O2 = O2 fixé à Hb + O2 dissous = 21,15 ml/100 ml de sang

Dans 1L de sang : 211 ml d’O2 gazeux, soit 3 ml d’O2 dissous et 210 ml d’HbO2

HbO2 PO2

HbO2 O2 + Hb

O2 fixé à l’hémoglobi

ne

O2 dissous

Transport sanguin de l’oxygène

SaO2 = X 100Capacité O2

O2 combiné à Hb

PO2 (mmHg)

Satu

rati

on

Hb

(%

)Courbe de dissociation de l’O2

(pour pH = 7,4, PCO2 = 40 mmHg, T = 37°C)

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

Con

ten

u e

n O

2 (

ml/

100m

l s

i H

b =

15 g

/dl

Courbe de dissociation de l’O2(pour pH = 7,4, PCO2 = 40 mmHg, T = 37°C)

SaO2 = X 100Capacité O2

O2 combiné à Hb

PO2 (mmHg)

Satu

rati

on

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 tissusAugmentation 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 :

Transport du CO2

Il se fait sous 3 formes:

• Dissoute 5%

• Combiné à des protéines : composés carbaminés 5%CO2 + RNH2 R.NH.COOH CO2+Hb.NH2 Hb.NH.COOH

Effet Haldane: Fixation O2 sur Hb facilite libération CO2

• Bicarbonates 90% CO2+H2O H2CO3 HCO3

- + H+

anhydrase carbonique

Transport du CO2

Déplacement des chlorures :Effet Hamburger

H+ + HbO2 H+.Hb + O2

Effet Haldane= facilitation du transfert du CO2 par l'oxygénation

Effet Haldane:Fixation O2 facilite

libération CO2

Courbe de dissociation du CO2