ORGANISATION FONCTIONNELLE DU CORPS HUMAIN ET REGULATION DU «MILIEU INTERIEUR» INTRODUCTION : L OBJET DE LA PHYSIOLOGIE

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1 ORGANISATION FONCTIONNELLE DU CORPS HUMAIN ET REGULATION DU «MILIEU INTERIEUR» INTRODUCTION : L OBJET DE LA PHYSIOLOGIE La physiologie est une science qui étudie les fonctions qui permettent de maintenir la vie des êtres vivant : en effet, tous les êtres vivants (du plus petit virus à l être humain, mammifère très complexe) ont développé des adaptations physiologiques qui leur permettent de survire dans des milieux en perpétuel changement. C est pourquoi, la physiologie appartient à un domaine très vaste de la biologie car elle peut être divisée en :physiologie : Virale Bactérienne Végétale Humaine, Et en beaucoup d autres subdivisions (neurophysiologie, psychophysiologie, physiologie animale, etc.). La physiologie humaine a pour domaine l étude des automatismes biologiques qui permettent à l être humain de maintenir l intégrité de son organisme dans des conditions extrêmement diverses. L unité de base de l organisme : la cellule Les Organismes unicellulaires et pluricellulaires Dans le cas des organismes unicellulaires une seule cellule est capable d assurer toutes les fonctions (digestion, excrétion, déplacement, excitation, reproduction). En se reproduisant par division, l'organisme unicellulaire donne naissance à deux individus possédant l'information génétique caractéristique de l'espèce. Toute l'information génétique sera extériorisée chez les individus fils. Les échanges avec le milieu extérieur se font directement. En revanche, les organismes pluricellulaires sont constitués d'un ensemble de cellules qui proviennent des divisions successives d une cellule primitive unique qui leur transmet, en théorie, l ensemble de son stock génétique. Durant la vie embryonnaire, la cellule va se spécialiser dans une fonction bien précise, il s agit d une différenciation cellulaire, morphologique et fonctionnelle due à l'expression d'une partie des gènes transmis. Selon leur spécialité, les cellules d'un organisme pluricellulaire peuvent être regroupées dans des systèmes bien individualisés assurant des fonctions particulières. On en distingue plusieurs types : Fonctions végétatives : nutrition, respiration, excrétion, circulatoire. Fonctions de relation : elles mettent l'individu avec le milieu extérieur : le système nerveux (organes des sens, fonction sensitive), le système musculaire (fonction motrice). Fonction de reproduction qui assure la pérennité de l'espèce. La multiplicité des cellules et leur spécialisation appellent des processus de coordination pour préserver le fonctionnement de l'unité : l'intégration ou régulation. Cette coordination peut se faire selon différentes voies de communication : Relation directe basée sur le contact physique ou chimique dans leur voisinage immédiat (médiateur chimique, facteur de régulation) Relation hormonale Relation nerveuse Chez les organismes pluricellulaires, les échanges entre le milieu intracellulaire et le milieu 1

2 extérieur (marin ou terrestre) ne se font pas directement, un troisième milieu s'interpose entre les deux milieux précédents : il s agit du milieu intérieur. Le milieu intérieur ou milieu extracellulaire dans lequel baigne les cellules, a une composition constante, chez le sujet normal, il occupe une position intermédiaire entre milieux intra et extra cellulaires, c est une zone d échanges L'homéostasie : la fonction physiologique de base L'homéostasie (homeo=similaire et stasis= rester) désigne le maintien de caractéristique stables, constantes du milieu intérieur. Le physiologiste Claude Bernard l'appela la fixité du milieu intérieur. C'est le physiologiste américain Walter Cannon qui introduisit le terme homéostasie dans son livre la sagesse du corps (The wisdom of body, 1932). La stabilité du milieu intérieur permet l'optimisation des performances métaboliques des cellules du fait que les réactions métaboliques vont se produire dans un environnement biologique stabilisé. Fondamentalement, tous les viscères et tous les tissus de l organisme contribuent à la stabilité des caractéristiques du milieu intérieur. Les principaux systèmes fonctionnels Système de transport : circulation Les liquides extra cellulaires sont transportés à travers l organisme en deux étapes distinctes : 1. Etape sanguine : le sang contenu dans les vaisseaux sanguins parcourt l arbre circulatoire environ une fois par minute chez un sujet au repos et six fois par minute chez un sujet qui effectue un effort très intense. 2. Etape capillaire : en traversant le capillaire tissulaire, on observe des échanges entre le plasma et le liquide interstitiel qui occupe les espaces intercellulaires : les parois des capillaires sont très perméables à la plupart des molécules qui circulent dans le plasma et dans le sang, à l exception des protéines plasmatiques de grande taille. Ce mécanisme permet la diffusion de grandes quantités de liquides et de substances dissoutes dans l un ou l autre sens soit du sang vers les tissus soit au contraire des tissus vers le sang. Ce processus de diffusion est dû à l agitation des molécules dans le plasma et dans les liquides interstitiels. La distance qui sépare un capillaire à une cellule est presque toujours nettement inférieure à 50 micromètres, ce qui fait que la diffusion peut s effectuer en quelques secondes. Partout dans l organisme, les liquides extracellulaires plasmatiques et interstitiels sont mélangés et brassés en permanence, ce qui maintient pratiquement constante leur homogénéité dans tout le corps humain. Système de nutrition Appareil respiratoire Chaque fois que le sang traverse l organisme, il traverse passivement les poumons, lors de ce passage pulmonaire, le sang se charge en oxygène (qui a une forte concentration dans l alvéole pulmonaire) qui sera ensuite livré aux différentes cellules de l organisme. La membrane qui sépare le gaz alvéolaire des capillaires pulmonaires n a que 0,4 à 2 micromètres d épaisseur et l oxygène diffuse à travers les pores de cette membrane de la même manière que l eau et les ions diffusent à travers la paroi des capillaires dans tous les tissus. 2

3 Appareil digestif Une grande partie du sang mis en mouvement par le cœur perfuse la paroi du tractus gastro intestinal : c est dans cette paroi que les nutriments passent dans les liquides extracellulaires. Les hydrates de carbone, les acides gras et les acides aminés sont ainsi absorbés et passent des aliments ingérés aux liquides extracellulaires. Cas particulier : certains organes jouent un rôle complémentaire dans l utilisation des nutriments : c est le cas du foie qui modifie la composition chimique de nombreuses substances et les rend mieux assimilables par les cellules, c est également le cas du tissu adipeux, des reins et des glandes endocrines qui interviennent dans la transformation des nutriments ou dans leur stockage jusqu à une utilisation ultérieure. Système d excrétion Appareil respiratoire Lorsque le sang se charge en oxygène dans les poumons, il abandonne simultanément du dioxyde de carbone dans les alvéoles. Les mouvements alternatifs de l air entrant dans les alvéoles et du gaz carbonique qui est expiré transportent le dioxyde de carbone, qui est le déchet métabolique le plus important, vers l air atmosphérique. Appareil rénal Lorsque le sang traverse les reins, de nombreuses substances, dont le dioxyde de carbone, sont retirées du plasma, il s agit de molécules inutilisables par les cellules telles que l urée, l acide urique l eau ou des substances ioniques en excès dans les liquides extracellulaires. ceux ci soustraient du plasma Les mécanismes de régulation des fonctions biologiques Le système nerveux Sur le plan fonctionnel, il comprend trois parties principales : Le système nerveux sensitif ou système afférent chargé de la détection, de la transmission et du traitement de l information grâce à des récepteurs Les centres de l intégration nerveuse chargés d intégrer les informations reçus dans des circuits de commande destinés à adapter la réponse de l organisme. Le système nerveux moteur ou système efférent : il a pour fonction de véhiculer les commandes nerveuses vers les organes effecteurs du système nerveux (muscle lisse, muscle strié ou glande) Une partie des centres de commande appartient au système nerveux autonome ou système nerveux végétatif, ces neurones fonctionnent de manière inconsciente et tiennent sous leur contrôle le fonctionnement des viscères (activité du cœur, respiration, digestion, sécrétions glandulaires). Les glandes endocrines Elles sont anatomiquement dispersées : on distinguent huit glandes endocrines principales qui secrètent des substances chimiques qui sont déversées dans le sang : les hormones qui vont 3

4 parvenir à la plupart des cellules et qui peuvent participer à la coordination des activités métaboliques. A titre d exemple, l hormone thyroïdienne augmente la vitesse de nombreuses réactions métaboliques dans de nombreuses cellules : elle va participer à ajuster le niveau métabolique en fonction de la demande. Il existe d autrezs exemples : L insuline avec le métabolisme du glucose Les hormones sexuelles avec le contrôle de la reproduction L hormone de croissance, et bien d autres encore. D une manière générale, le système nerveux intervient essentiellement dans la commande de l activité musculaire (système nerveux de la vie de relation) et dans le réglage des sécrétions glandulaires (système nerveux végétatif) alors que le système endocrinien règle essentiellement les réactions métaboliques. La reproduction Normalement elle n est pas intégrée dans l homéostasie. Cependant, certains auteurs lui reconnaissent indirectement une part dans le maintien de conditions sociales stables dans une communauté donnée. Les systèmes de régulation Dans l'étude d un processus physiologique, l expérimentateur a besoin de déterminer l'activité ou le paramètre que l'organisme doit contrôler, ce qui nécessite de déterminer les stimulus ou input et les réponses ou output du système de contrôle et de régulation. La stabilité du milieu intérieur est perpétuellement perturbée par un stress qui peut être défini, dans ce cadre, comme tout stimulus qui crée un déséquilibre du milieu intérieur. Ce stress peut provenir de l'environnement externe (chaleur, froid, bruit, manque d'oxygène, manque d'eau) ou de l'environnent interne de l'organisme (douleur, inflammation, tristesse, dépression). Grâce au différents processus physiologiques de régulation, l'organisme essaye de réagir pour ramener les conditions interne du milieu intérieur à leur état de base (ou normal). Le modèle cybernétique de la régulation biologique Pour préserver l'homéostasie, l'organisme doit pouvoir : Détecter les moindres variations des paramètres biologiques (intervention de capteurs de variation) Disposer de mécanismes de contrôle spécifiques puissants et rapides De corriger ces variations (rétroaction) par l intermédiaire d effecteurs La cybernétique peut être définie comme l'ensemble des sciences du pilotage, c'est à dire les mécanismes commandant l'évolution d'un système vers un but défini. Ces mécanismes se rapportent donc à une notion de finalité, au sens cybernétique du terme : on dit qu'un système est finalisé quand il évolue vers un nouvel état antérieurement défini, quelles que soient les péripéties imprévisibles qui accompagnent cette évolution Dans la modélisation cybernétique, on décrit : 1. le système réglé - dans le cas des grandes fonctions il s agit du plasma sanguin où les différents paramètres biologiques peuvent être étudiés 4

5 2. les grandeurs d'entrée : il s agit d une modification de l environnement biologique comme par exemple l exercice musculaire, la digestion, l absorption de liquide, etc. 3. les systèmes réglants : ils comportent des récepteurs qui sont des capteurs capables de signaler les moindres variations de la composition physico chimique du plasma vers le système de contrôle La rétroaction négative La rétroaction négative est le mécanisme le plus utilisé pour garder la stabilité de l'environnement interne, par contre la rétroaction positive ou feed back positif est très rare, c est un phénomène d amplification des réactions biologiques, elle conduit à un état instable qui conduit rapidement à la mort cellulaire (ischémie par diminution de l oxygène et accumulation de déchets métaboliques), l organisme fait appel à cette régulation en cas d urgence et pour un temps relativement court (quelques dizaines de secondes, rarement plus d une heure). La plupart des systèmes fonctionnent selon un mécanisme de rétro action négative : dans ce cas, le stimulus entraîne une réponse qui va dans un sens tout à fait opposé à celui du stimulus : de manière générale, si certaines variables deviennent excessives ou insuffisantes, un système de rétroaction négative agit pour ramener la variable aux alentours d une valeur moyenne ce qui permet de garder l homéostasie. La rétro action positive Cette rétro action est beaucoup plus rare que la précédente : le stimulus initial entraîne une réaction qui entraîne une réaction qui l amplifie : il se crée un cercle vicieux qui conduit à l instabilité et pourrait être rapidement mortelle!!! Cependant de telles rétroactions peuvent être utiles : c est le cas des enzymes qui permettent au sang de se coaguler, si le processus se poursuit, des caillots inutiles peuvent se former et provoquer des accidents vasculaires ischémiques. La rétroaction est également observée lors de l accouchement où la tension du col utérin augmente proportionnellement avec les contractions de l uterus : l accélération du phénomène facilite la naissance du BB. Les Principaux systèmes biologiques autorégulés Le corps humain est constitué de milliards de cellules organisées en de nombreuses structures fonctionnelles, les organes, caque organe contribue au maintien de l homéostasie du milieu extracellulaire appelé milieu intérieur. Tant que celui ci reste normal, l intégrité des cellules est conservée et leur niveau de fonctionnement reste très satisfaisant. Le corps humain comporte des milliers de systèmes de régulation : les plus compliqués sont les systèmes génétiques de régulation, de nombreux systèmes interviennent dans la régulation de certains organes, d autres agissent sur les relations inter organiques. Quelques constituants importants des liquides extracellulaires peuvent être utilisés pour explorer les systèmes régulés : il existe des valeurs normales et des valeurs extrêmes de variation qui délimite le passage à la maldie (état pathologique) Intervalles Valeurs normales De normalité Limites de survie Unités 5

6 Oxygène mmhg CO mmhg Na meql/l K+ 4,2 3,8-5,0 1,5-9,0 meql/l Ca++ 1,2 1,0-1,4 0,5-2,0 mmol/l Cl meq/l HCO mmol/l Glucose mg/dl Temp Corp 37 36,6-37,4 18,3-43,3 C ph 7,4 7,3-7,5 6,9-8,0 ph Régulation des concentrations d oxygène et de dioxyde de carbone Le maintien d une concentration à peu près constante d O2 dans les liquides extracellulaires est important puisque l O2 est l un des principaux composants des réactions métaboliques. La régulation dépend essentiellement de l hémoglobine des globules rouges qui est le transporteur de l oxygène : dans l alvéole elle fixe l O2 mais arrivée dans les tissus, son affinité pour l oxygène diminue, elle va larguer l O2 pour fixer le CO2. Régulation de la pression artérielle Elle est assurée par plusieurs systèmes différents, l un d entre eux, le mécanisme barorécepteur est un excellent exemple de régulation. L augmentation de la pression artérielle stimule les barorécepteurs des parois vasculaires qui vont freiner l activité du système nerveux sympathique de la moelle épinière, la pompe cardiaque diminue son activité : la pression artérielle diminue. En cas de diminution de la pression artérielle, les barorécepteurs se relâchent : les centres vasomoteurs augmentent leur activité, la pression augmente et se rapproche de la normale. ILLUSTRATIONS Figure : Boucle de rétroaction : rétroaction biologique Modèle cybernétique de la régulation du métabolisme : automatisme biologique 6

7 Système réglé = milieu intérieur Système réglant grandeur réglée grandeurs d'entrée Emetteurcapteur Transmetteur Récepteureffecteur température centrale température Augmentation : thermogenèse diminution : thermolyse neurones hypothalamiques système nerveux muscles et glandes sudoripares glycémie concentration du glucose Augmentation : apport alimentaire, production hépatique diminution : catabolisme, mise en réserve cellules îlots pancréatiques plasma cellules hépatiques, musculaires et adipeuses Cybernétique Emetteur-capteur Science du pilotage et du gouvernement. Elle traite des processus de communication et de régulation dans les êtres vivants comme dans les machines. Premier élément d'une voie de communication. Il transforme les variations d'un paramètre physique ou physiologique en un message codé qu'il émet dans le transmetteur de la voie de communication. Grandeur de consigne Pour un homéostat, grandeur fixée autour de laquelle varie en permanence la grandeur réglée. Grandeur d'entrée Facteur agissant sur le système réglé d'un régulateur, et intervenant dans les variations de la grandeur de sortie. Grandeur réglée Dans le système réglé d'un homéostat, paramètre défini et maintenu à une valeur aussi constante que possible par l'action du système réglant. Il constitue la grandeur de sortie d'un régulateur. Homéostasie Etat stable d'un système maintenu semblable à lui même, et caractérisé par la stabilité des paramètres le définissant. L'homéostasie caractérise donc la stabilisation de paramètres 7

8 d'un système autour de valeurs fixes, hors d'un équilibre thermodynamique. Homéostat Système régulé et asservi construit dans le but de maintenir la grandeur réglée le caractérisant aussi constante que possible, à une valeur oscillant autour de la grandeur de consigne qui lui a été préalablement fixée. On peut le modéliser par deux systèmes : un système réglé, dont la grandeur de sortie est maintenue constante par l'action d'un système réglant sur sa (ses) grandeur(s) d'entrée. Récepteur - effecteur Elément terminal d'une voie de communication qui reçoit du transmetteur le message codé émis par l'émetteur, puis le décode. Le récepteur est aussi un effecteur : il agit sur les grandeurs d'entrée du système réglé, dans le but de maintenir la grandeur réglée à une valeur fixée. Régulateur Système muni d'un dispositif de contrôle construit dans le but d'intervenir pour modifier des facteurs (ou grandeurs d'entrée) à l'origine de variations de la grandeur réglée. Rétroaction Action en retour déclenchée par les variations de la grandeur réglée d'un régulateur, qui modifie les facteurs à l'origine de ces variations. Les rétroactions négatives correspondent à un fonctionnement en constance; les positives à un fonctionnement en tendance. Se dit couramment "feed-back". Servomécanisme Système asservi, sous le contrôle d'une information permettant de piloter au cours du temps des variations de la grandeur de consigne d'un homéostat. Système asservi Système maintenu sous le contrôle d'un asservissement qui pilote son fonctionnement. Il peut s'agir d'un régulateur en constance, d'un régulateur en tendance, ou d'un servomécanisme. Transmetteur Elément intermédiaire d'une voie de communication qui transmet au récepteur le message codé émis par l'émetteur. 8

9 Voie de communication Ensemble constitué d'un émetteur-capteur, d'un transmetteur et d'un récepteur-effecteur. Il assure la communication entre deux ensembles en permettant le transfert d'un message codé. SCHEMA DE LA CIRCULATION REGULATION DE LA PRESSION ARTERIELLE/ SYSTEME DES BARORECEPTEURS 9

10 REGULATION DE LA PRESSION ARTERIELLE : SYSTEME ENDOCRINIEN 10