APPAREIL RESPIRATOIRE Transport de l'oxygène de l'ambiance à la cellule et causes d'hypoxie

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1 01/10/14 GIORGI Lorène L3 CR : MACIOW Benjamin Appareil respiratoire Pr. Yves JAMMES 10 pages Transport de l oxygène de l ambiance à la cellule et causes d hypoxie Plan : A. Oxygène et hypoxie I. La «cascade» de l'oxygène II. Causes d'hypoxie : insuffisance d'oxygénation de l'organisme B. Transport pulmonaire de l'oxygène C. Transport circulatoire de l'oxygène I. L'hémoglobine II. Autres transporteurs de l'oxygène D. Transport capillaro-cellulaire de l'oxygène I. Modèle de Krogh et modèle de Hill II. Etape finale : la mitochondrie A. Oxygène et hypoxie I. La «cascade» de l'oxygène La «cascade» de l oxygène : ce schéma fondamental place le transport des molécules d'oxygène depuis l'air ambiant (à gauche du schéma : la PpO2 dans l'atmosphère est d'environ 150 mmhg), et le transport de 1/10

2 l'oxygène avec ses différentes étapes (pulmonaire, circulatoire, milieu interstitiel) jusqu'à l'intérieur de la cellule (schéma B). Il y a 3 étapes dans cette cascade (chute de pression) : l'étape pulmonaire, l'étape circulatoire, le milieu interstitiel. La pression partielle en oxygène (PaO2 / PpO2), qui part d'environ 150mmHg dans l'atmosphère, va chuter autour de 10mmHg au contact de la cellule. Dans la cellule, la PaO2 chute autour de 2 ou 3mmHg : c'est la pression partielle d'utilisation de l'oxygène par la mitochondrie. Si la PaO2 est inférieure à 10mmHg au contact de la paroi cellulaire, la mitochondrie ne peut pas fonctionner (mort cellulaire). Dans cette «cascade» de l'oxygène, il y a 2 étapes que l organisme peut réguler : l'étape ventilatoire (en ventilant plus=en distribuant d'avantage d'oxygène) et l'étape circulatoire (en augmentant le débit cardiaque=en augmentant le débit d'oxygène au niveau des tissus). II. Causes d'hypoxie : insuffisance d'oxygénation de l'organisme L'hypoxie (manque d'oxygène) a plusieurs causes : L'hypoxie environnementale (relativement rare) due à un manque d'oxygène dans l'atmosphère : en haute altitude (>1300m) et milieu acquatique. L'insuffisance respiratoire (très fréquente) : due à une insuffisance d'extraction de l'oxygène. La PaO2 baisse dans le sang artériel = hypoxémie. L'insuffisance circulatoire (la pompe cardiaque ou le débit périphérique sont insuffisants, les artères sont bouchées (athérosclérose) La masse (volume) d'oxygène transportée par le sang baisse = ischémie. Les hypoxies périphériques dites tissulaires, dues à plusieurs causes : les œdèmes : la distance entre la paroi du capillaire et la cellule augmente. Le milieu interstitiel augmente. (création d'un 3e secteur) l'exercice maximal (cause fréquente) : au niveau des muscles, la demande d'oxygène par les mitochondries va être plus importante que les possibilités d'apport en oxygène hypoxie tissulaire. causes plus rares : cytotoxiques (plomb, cyanure), génétiques (myopathie mitochondriale). 2/10

3 Causes d hypoxie = insuffisance d oxygénation de l organisme ( enzymes = Altitude ou milieu aquatique) Distance capillaire-cellules = OEDEME Exercice: demande > apports O2 Hypoxie tissulaire Cytotoxicité Myopathie mitochondriale En résumé, on a donc 2 causes d'hypoxie : l'hypoxémie (baisse de la PaO2) l'ischémie (baisse de la masse d oxygène= CaO2). Il existe 2 états d hypoxie : l'hypoxie aiguë : causée par un stress métabolique ou neurologique (apnée volontaire en cas de plongée, crise d asthme excessive,...). l'hypoxie chronique (pathologie respiratoire qui engendre une réponse adaptative de l organisme). Et 2 protocoles (timing) d hypoxie : l'hypoxie continue (insuffisance respiratoire, circulatoire, œdème, myopathie mitochondriale) = le plus fréquent l'hypoxie intermittente (exercice, apnée du sommeil (SAS)). 3/10

4 B. Transport pulmonaire de l'oxygène Le transport de l'oxygène entre l'atmosphère et le sang comprend 2 étapes : une étape ventilatoire et une étape de diffusion. Les molécules d'oxygène arrivent dans les sacs alvéolaires et vont passer dans la circulation : on va s'intéresser au transport sanguin de l'oxygène. Cette circulation pulmonaire (cœur droit) forme un très riche réseau vasculaire (comme un filet de mailles autour des sacs alvéolaires). Le rapport entre la ventilation alvéolaire et la perfusion pulmonaire va conditionner l'efficacité de l'extraction de l'oxygène. Les hématies ont un temps circulatoire assez long au niveau de la circulation pulmonaire et sont au contact des parois capillaires. Ce contact est extrêmement étroit : la distance alvéole-globules rouges est très courte (0,4 à 2,5 microns). En revanche, la surface d'échange est très grande : plus de 150m² chez l'adulte. Tout est donc mis en œuvre pour faciliter le passage de l'oxygène des alvéoles vers le sang. C. Transport circulatoire de l'oxygène I. L'hémoglobine a. Fonction de transporteur de l'oxygène dans le sang Dans le sang, il y a 2 formes de transport circulatoire de l oxygène : une forme dissoute dans le plasma, qui est responsable de la PpO2.(2%) une forme liée à l hémoglobine, ou molécule d'oxyhémoglobine HbO2 (+de 98% de la masse). Les 2 formes ont un rôle différent : La forme dissoute représente simplement 1,5 à 2% du transport de l'oxygène. La forme liée à l'hémoglobine en représente donc plus de 98%. Quand l'oxygène est transporté dans les vaisseaux (véhiculé par l'hémoglobine (Hb)), il passe dans les cellules sous forme dissoute. (La PaO2 est le moteur, elle pousse les molécules d'o2 dans les cellules). Autrement dit, la forme de transport (le véhicule) est l'hb02, et la forme de passage est la forme dissoute. L Hb est formée de 4 molécules de globine (chaque molécule de globine contient 1 hème) et de 4 hèmes (qui fixent l oxygène : chaque hème fixe 1 molécule d'oxygène sur 1 atome de fer). Grâce à sa structure, l'hb va se comporter soit comme un système de captation, soit comme un système de libération. 4/10

5 Affinité de Hb pour O2 dépend de pression sanguine d O 2 Valeurs élevées de PO2 (artère): haute affinité (Hb garde O2) Valeurs basses de PO2 (capillaires): faible affinité (Hb libère O2) CO2, mmol SO 2 HbO2 100% 95% Artères Veines 50% Capillaires O2 dissout: PO2 * β bo2 0 P Saturation % Hb saturée en O2 150 PO Concentration contenu réel en HbO2 Courbe de gauche : Courbe de saturation en oxygène de l Hb : Cette courbe a une valeur de sigmoïde. Dans une grande partie de cette courbe (lorsque 90<PpO 2<150 mmhg), la courbe est quasiment plate (la saturation ne varie quasiment pas) : on retrouve cette situation au niveau des poumons. Par contre, lorsque le sang arrive vers la périphérie, les tissus vont extraire de l'oxygène dissout. Au fur et à mesure que cet oxygène dissout passe dans les tissus, il doit se «recharger», grâce à l'hb. On observe une chute brutale de la saturation (car l Hb libère les molécules d oxygène). La P50 correspond à 50% de saturation : elle place la courbe dans l espace (peut se déplacer vers la droite ou vers la gauche). Il y a nécessité d'un transporteur de l'oxygène dans le sang : l'hémoglobine. Hb = désoxyhémoglobine ou Hb réduite (sans oxygène). HbO2 = oxyhémoglobine Dans le sang artériel : 98% d HbO2 et 2% d'hb. Dans le sang veineux : 75% d HbO2 et 25% d Hb. Une petite diminution de saturation SaO2 (de 99 à 95%) correspond à une chute importante de la PaO 2 (de 90 à 50 mmhg : hypoxie importante). Inversement, SaO2=100% peut indiquer une suroxygénation (PaO2>150 mmhg : hyperoxie). 5/10

6 CONTENU EN O2 Dépend du contenu en Hb et donc du nombre de globules rouges 3 Polyglobulie [Hb] normal Anémie Contenu total de l oxygène dans le sang : Cette courbe sur le contenu en O2 peut révéler des anomalies de l Hb (anémie, polyglobulie). Elle dépend du nombre de GR et de leur contenu en Hb. Facteurs modifiant affinité de Hb pour O2 Cette courbe sigmoïde va se déplacer quand le sang circule dans notre organisme. (Effet Bohr) Quand le sang s'approche des cellules, il s'acidifie (baisse du ph acidose : baisse de l'affinité de l'hb pour l'oxygène). La PpCO2 augmente (car les cellules libèrent du CO 2). La température s'élève. La courbe se déplace vers la droite (tendance à libérer les molécules d'oxygène). La SaO2 tend à baisser pour une PaO2 donnée (L'Hb a plus de facilité à libérer les molécules d'oxygène= baisse d'affinité). Donc lors d'une déviation de la courbe à droite : Acidose Hypercapnie Température élevée Libération des molécules d oxygène 6/10

7 A l'inverse, lorsque le sang revient par la circulation veineuse, au contact des alvéoles, il va se produire une alcalinisation (le ph augmente car le CO2 part dans les alvéoles, augmentation de l'affinité de l'hb pour l'oxygène). La courbe se déplace vers la gauche (l'hb a des facilités à retenir l'oxygène). Donc lors d'une déviation de la courbe à gauche : Alcalose Hypocapnie Température diminue Captage des molécules d oxygène Tous ces phénomènes de bascule de la courbe vers la droite ou vers la gauche = effet Bohr = variations de l affinité de l Hb pour l oxygène en fonction du ph et de la PaCO 2. L'effet Bohr se répète chaque fois que le sang fait le tour de l organisme. L'Hb n'a pas qu'une fonction de transport de l'oxygène, elle a également une fonction tampon. b. Fonction tampon de l'hb : Le but est de régler le ph, de limiter les variations de ph. Quand l'hbo2 libère des molécules d'oxygène, elle se transforme en Hb. Cette Hb capte des protons H + et augmente donc le ph dans le sang (alcalinisation du sang veineux). Lorsque l Hb, au niveau de la circulation pulmonaire, fixe les molécules d'oxygène, elle doit libérer des protons H+ et a donc tendance à faire baisser le ph au niveau de la circulation pulmonaire( acidification du sg artériel) ph ph 7/10

8 II. Autres transporteurs de l'oxygène (myoglobine, neuroglobine, cytoglobine ) Ces molécules présentent une composition simplifiée de la molécule d'hb : chaque molécule de myoglobine, neuroglobine, ou cytoglobine, n a qu 1 seule molécule de globine et qu 1 seul hème. Elles sont donc moins efficaces (cf courbe), ne se comportent pas comme l'hb (qui est un système ambivalent qui peut stocker ou libérer de l'o2 à la demande). Cependant activité suffisante car les variation de PaO2 dans les tissus est infime (10-2 mmhg) Elles ont plusieurs fonctions : Stocker l oxygène dans les cellules (cellules musculaires striées squelettiques, neurones, cellules hépatiques, rénales). Elles ne sont pas influencées par la PaO2 dans les tissus (car les variations de PaO2 y sont très petites). Il y a donc une réserve d'oxygène fixée à ces molécules dans nos différentes cellules. Aspiration, attraction des molécules d oxygène (pour les stocker). Cela facilite la diffusion de l'oxygène vers les mitochondries. Système d épuration des radicaux libres de l'oxygène (ROS : Reactive Oxygene Species). Structure et Fonction de la Myoglobine % HbO2 % MbO2 100 Mb et aussi Cytoglobine Neuroglobine Hb mhg PO2 8/10

9 D. Transport capillaro-cellulaire de l'oxygène Dans les cellules, la PpO2 se situe entre 1,5 et 10 mmhg. Modèle de Krogh Modèle de Hill Artère Capillaires Veine Nombre capillaires / cellule = constant Distance diffusive = constante Surface d échange = constante Nb. Cap. / cellule augmente Distance diffusive diminue Surface d échange augmente I. Modèle de Krogh et modèle de Hill Il y a classiquement deux modèles tissulaires : Modèle ancien : modèle de Krogh. Modélisation d'un tissu traversé par des vaisseaux. A l'entrée du tissu, on observe le même nombre de capillaires qu'à la sortie du tissu (autrement dit, la distance (surface d'échange) est la même). Ce modèle a été démenti (faux) Modèle nouveau (le seul qui soit valable) : modèle de Hill. Dans tous les tissus, la distance entre le sang et la cellule va diminuer lorsqu'on pénètre dans le tissu. Cela est dû à une dichotomie des capillaires (le nombre de capillaires va augmenter progressivement : il peut être 5 à 6 fois plus grand dans la profondeur des tissus par rapport à la surface des tissus). La surface d échange est donc de plus en plus importante. La distance entre les molécules d'oxygène dans le sang et l'intérieur des cellules est donc de plus en plus petite. Il y a un phénomène particulier dans ce modèle : cette capillarisation tissulaire n est pas fixe. Le VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) est synthétisé à la demande (lorsqu'il y a un manque d'oxygène dans l'organisme) en quelques heures = néoangiogénèse. C'est une réponse adaptative de l'organisme. 9/10

10 Le modèle de Hill est validé, mais n est pas stable, peut évoluer, s adapter. Conséquences d'adaptation : au fur et à mesure que le sang pénètre du pôle artériel pour ressortir au pôle veineux, la diffusion du sang vers les tissus est facilitée. Le transport (perfusion du sang) est également facilité, car la distance diminue et les capillaires sont de plus en plus nombreux, donc le débit sanguin périphérique est de plus en plus important. Tout est mis en œuvre pour faciliter le passage des molécules d'oxygène du sang vers les tissus. II. Etape finale : la mitochondrie C'est le seul organite capable d'utiliser l'oxygène. La mitochondrie est présente dans TOUTES nos cellules (surtout dans les cellules musculaires striées : jusqu'à plusieurs milliers par cellule), elle est formée de plusieurs enzymes (ubiquinone, complexe Q, cytochrome a3) : seul le dernier cytochrome (cyt a3) fixe l oxygène (il faut donc que les autres enzymes soient fonctionnels). Chaque fois que la mitochondrie utilise 100 molécules d'oxygène, elle produit obligatoirement 1 à 2 molécules de radicaux libres. Si la cellule produit trop de radicaux libres, cela va engendrer un stress oxydatif (agression de l'organisme par les radicaux libres). 10/10