Physiologie Respiratoire Cours physiologie dorgane Mcanique ventilatoire volumes
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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: O 2 et CO 2 - rapports ventilation / perfusion hypoxémie par hétérogénéité des rapports VA/Q hypoxémie liée à un shunt
Echanges gazeux Ventilation Convection Ventilation alvéolaire VCO 2 VO 2 alvéole Diffusion Transfert alvéolo-capillaire Transport des gaz par le sang Convection Diffusion VCO 2 VO 2 Consommation d’O 2 Production de CO 2
Pression partielle Concentration pression partielle = agitation moléculaire concentration = nombre de molécules
ventilation convection perfusion concentration pression partielle alvéole concentration pression partielle diffusion sang
Gaz inspiré mm. Hg Pour les gaz: unité de pression mm. Hg (100 k. Pa ~750 mm. Hg) Gaz inspiré Gaz alvéolaire Sang artériel P IO 2 Sang veineux - tissus P AO 2 P a O 2 P v. O 2
Loi des gaz en phase gazeuse (Dalton) • 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 Pp = P t x F
Composition de l’air Air sec ~ azote (N 2) + oxygène (O 2) Pression totale = barométrique, atmosphérique PB ~ PN 2 + PO 2 = 760 mm. Hg Air inspiré, réchauffé, saturé en vapeur d’eau Vapeur d’eau = gaz supplémentaire [P = f(t°)] à 37°C: PH 2 O = 47 mm. Hg
Pression partielle inspirée en O 2 Air réchauffé et saturé en vapeur d’eau PIO 2 = (PB - 47) x F IO 2 • Concentrations ou fractions – F IO 2 = 0, 21 ou 21% – FICO 2 ~ 0 – FIN 2 = 0, 79 ou 79% • Pression partielle en O 2: – PIO 2= (760 - 47) x 0, 21 = 150 mm. Hg
Gaz inspiré PIO 2 = (PB - 47) x FIO 2 • F IO 2 – change si administration thérapeutique d'oxygène (0, 21 ≤ FIO 2 ≤ 1) – ne change pas avec l'altitude • Pression barométrique – diminue en altitude ( /2 à 5000 m) – augmente en caisson hyperbare
Gaz alvéolaire mm. Hg Gaz inspiré Gaz alvéolaire Sang artériel P IO 2 150 Sang veineux - tissus P AO 2 P a O 2 P v. O 2
Gaz expiré: composition VCO 2 VO 2 alvéole 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 VCO 2 VO 2
Ventilation / Ventilation alvéolaire: espace “mort” VT = VA + VD (dead)
. La consommation d’oxygène: VO 2 Gaz inspiré VT, FIO 2 Gaz expiré VT, FEO 2 VA, FIO 2 Gaz alvéolaire VA, FAO 2 alvéole VO 2 Ventilation . VO 2 =. . VT x FIO 2 – VT x FEO 2 Ventilation alvéolaire . VO 2 =. . VA x FIO 2 – VA x FAO 2 VO 2
. La production de gaz carbonique: VCO 2 Gaz inspiré VT, FICO 2~0 Gaz expiré VT, FECO 2 VA Gaz alvéolaire VA, FACO 2 alvéole VCO 2 Ventilation . VCO 2. = VT x FECO 2 Ventilation alvéolaire . VCO 2. = VA x FACO 2 VCO 2 PA(a)CO 2 = (760 – 47) x FACO 2 = 40 mm. Hg
Gaz alvéolaire mm. Hg Gaz inhalé CO 2 Gaz alvéolaire Sang artériel P IO 2 150 Sang veineux - tissus P AO 2 P a O 2 P v. O 2
Pression alvéolaire en O 2 (PAO 2) Formule simplifiée de la PAO 2: PAO 2 PIO 2 - (PACO 2 / 0, 8) 40 713 100 P IO 2 PACO 2 = 713 x FIO 2 = Pa. CO 2 100 mm. Hg 150 - (40 / 0, 8)
Pression alvéolaire en O 2 (PAO 2) PAO 2 PIO 2 - (PACO 2 / 0, 8) Quotient respiratoire : QR . . QR : rapport VCO 2 / VO 2 Dépend du type d’aliment métabolisé QR normal : 0, 82 Glucides, QR = 1 Lipides, QR = 0, 7
Quotient respiratoire : R Production d’énergie (ATP): • utilisation de substrats énergétiques (glucides, lipides, protides) + O 2 • production de CO 2 + d’énergie (ATP) • conditions aérobies: glycolyse, cycle de Krebs et chaîne respiratoire Glucose: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 CO 2 + 6 H 2 O + énergie : CO 2/O 2 = 1 Lipide: C 16 H 32 O 2 + 23 O 2 + 16 CO 2 + 16 H 2 O + énergie : CO 2/O 2 = 0, 7
Pressions gaz alvéolaires = f(ventilation alvéolaire) Variation de ventilation alvéolaire (métabolisme constant) . Hypoventilation alvéolaire VO 2 =. . VA x FIO 2 – VA x FAO 2 =. VA (FIO 2 – FAO 2) Pa. O 2 hypoxémie . VCO 2 =. VA x k. Pa. CO 2. = VA x FACO 2 Pa. CO 2 hypercapnie Pa. CO 2 = 713 x FACO 2
mm. Hg Transfert alvéolo-capillaire Gaz inhalé Gaz alvéolaire Sang artériel diffusion alvéolo-capillaire P IO 2 150 Sang veineux - tissus P AO 2 100 P a O 2 P v. O 2
Transfert alvéolo-capillaire Volume courant VT = 500 m. L Fréquence respiratoire = 15/mn Ventilation courante = 7, 5 L/mn Transfert alvéolo-capillaire Espace mort = 150 m. L Volume alvéolaire ~ 3 L Ventilation alvéolaire = 5 L/mn Volume capillaire = 70 -100 m. L Débit sanguin pulmonaire = 5 L/mn
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
CONVECTION VERSUS DIFFUSION • génération
LOI DE FICK e Loi de Fick • D = coefficient de diffusion A • e = épaisseur de membrane
Transfert alvéolo-capillaire Transfert alvéole - sang 2 étapes: 1) diffusion puis 2) réaction sang capillaire 2 résistances: Rtot = Rm + Rs 1/DL = 1/Dm + 1/Ds membrane sang Capacité de transfert . DL = V / (PA – Pcap) (conductance pour le gaz) 1 µm épithélium alvéole plasma mb. basale endothélium hématie O 2 hémoglobine O 2
Capacité de transfert de la membrane Diffusion: loi de Fick surface : A (50 -100 m 2) alvéole P 1 P 2 plasma débit de diffusion . épaisseur : e (0, 5 µm) gaz: solubilité (a), PM V = a/√PM x Dm A/e x (P 1 – P 2) : capacité de transfert (conductance membranaire)
Capacité de transfert du sang : cinétique Vc : volume capillaire hématie (pour une [Hb] normale) hémoglobine Ds = . Vc Conductance « sang » Modélisation du transfert de l’oxygène Pour l’O 2 . VO 2 = DLO 2 x (PAO 2 – Pcap. O 2)
Diffusion du CO 2 solubilité : a (a. CO 2>>a. O 2) Dm. CO 2 = 20 Dm. O 2
Gradients de pression: O 2 et CO 2 artère pulmonaire 100 40 45 mm. Hg 40 capillaire veine pulmonaire Pa. O 2 Pv. O 2 gradients de diffusion alvéolo-capillaire Pv. CO 2 Pa. CO 2
Gradients de pression: O 2 et CO 2 Artère pulmonaire A A Veine pulmonaire 100 40 40 46 Équilibre pressions 1/3 trajet Temps transit capillaire (s)
Transfert de l’oxygène mm. Hg ALVEOLAIRE 100 Normale Un peu anormale 50 Très anormale hypoxémie d’exercice Pa. O 2 < PAO 2 hypoxémie de repos (aggravée à l’exercice) EXERCICE 0 0, 25 REPOS 0, 50 0, 75 Temps de transit (s) Facteurs limitant transfert O 2: repos = perfusion; exercice = diffusion
Explorations Fonctionnelles du transfert Epreuve d’exercice: recherche d’hypoxémie Etude du transfert du CO: DLCO Gaz ayant une très grande affinité pour l’hémoglobine CO: transfert limité par la diffusion Analyse gaz • inspiré • expiré Epreuve fonctionnelle respiratoire explorant le lit vasculaire (Vc)
Hypoxémie du trouble de diffusion • Lié à une pathologie respiratoire S, e, 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 CO 2 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'O 2 • 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'O 2 • [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)
Transport sanguin de l’oxygène O 2 fixé à l’hémoglobine O 2 dissous Hb. O 2 a. PO 2 Hb. O 2 + Hb Pouvoir oxyphorique (P. O. ) de l’Hb : 1 g d’Hb peut fixer au maximum 1, 39 ml d’O 2 Coefficient de solubilité (eau, 37°) O 2 a= 0, 003 ml O 2 dissous /100 ml sang/mm. Hg si Hb = 15 g/100 ml de sang, quantité max. d'O 2 liée = capacité en O 2 = 1, 39 x 15 = 21 ml O 2/100 ml Dans sang artériel normal : PO 2 = 100 mm. Hg 0, 3 ml O 2 dissous /100 ml sang Contenu en O 2 = O 2 fixé à Hb + O 2 dissous = 21, 3 ml/100 ml de sang Dans 1 L de sang : # 200 ml d’O 2 gazeux, soit 3 ml d’O 2 dissous et 197 ml d’Hb. O 2
Transport de l’O 2 PAO 2 ~100 mm. Hg PO 2 ~100 mm. Hg Relation entre PO 2 et O 2 lié à Hb Courbe de dissociation oxyhémoglobine: X = PO 2 et Y = contenu O 2
Courbe de dissociation de l’O 2 Saturation Hb (%) Contenu en O 2 (ml/100 ml si Hb = 15 g/dl (pour p. H = 7, 4, PCO 2 = 40 mm. Hg, T = 37°C) Sa. O 2 = O 2 combiné à Hb Capacité O 2 PO 2 (mm. Hg) O 2 combiné à Hb = P. O. x [Hb] x Sa. O 2/100 = 1, 39 x 15 x 0, 975 = 20 ml d'O 2/100 ml sang X 100
Relation entre PO 2, Sa. O 2 et concentration en O 2 combiné à Hb = P. O. x [Hb] x Sa. O 2/100 = 1, 39 x 10 x 0, 975 = 14 ml d'O 2/100 ml sang
Affinité de l'Hb pour l'oxygène P 50 : pression partielle d'O 2 pour saturer à 50% l'Hb : Normale : 27 mm. Hg quand affinité Hb pour O 2 diminue : CO 2, ions H+: Effet Bohr 2 -3 DPG (diposphoglycérate) température Effet Bohr : augmentation de la pression partielle en CO 2 et la baisse du p. H induit une perte d'affinité pour l'O 2 ce qui entraîne donc la libération de l'oxygène au niveau du muscle Diminution de l’affinité : favorable aux tissus Augmentation de l’affinité : favorable à l’hématose
Transport du CO 2 Il se fait sous 3 formes: • Dissoute • Combiné à des protéines : composés carbaminés CO 2 + RNH 2 R. NH. COOH CO 2+Hb. NH 2 Hb. NH. COOH Effet Haldane: Fixation O 2 sur Hb facilite libération CO 2 • Bicarbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 anhydrase carbonique HCO 3 - + H+
Transport du CO 2 H+ + Hb. O 2 H+. Hb + O 2 Effet Haldane (dans le poumon) = facilitation du transfert du CO 2 par l'oxygénation Déplacement des chlorures : Effet Hamburger
Courbe de dissociation du CO 2 veine artère Effet Haldane: Fixation O 2 facilite libération CO 2 perte d'affinité de l'hémoglobine pour le CO 2 quand la pression partielle en O 2 augmente dans le sang
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