Les flux de gaz respiratoires dans l’organisme humain · Introduction Métabolisme du glucose I-...

Les flux de gaz respiratoires dans l’organisme humain

2013-2014M1 phytem – ENS Cachan

Plan

Introduction Les flux de gaz respiratoires dans l’organisme humain

I- Nature des flux

1.1 Utilisation et production de gaz respiratoires

1.2 Les différents processus impliqués

II- Echanges au niveau des poumons

III- Echanges au niveau tissulaire

2.1 Diffusion au niveau de la barrière alvéolo-capillaire

2.2 Fixation par l’hémoglobine

2.3 Effecteurs allostériques

3.1 Flux convectif

3.2 Extraction tissulaire

1.3 Les formes de transport des gaz respiratoires


Introduction La mitochondrieI- Nature des flux

Noyau

Appareil

de Golgi

Mitochondrie

Matrice

extracellulaire

Cytosol

Membrane

plasmique

La mitochondrie

Réticulum

endoplasmique

Membrane externe

Membrane interne

Matrice

Espace inter-membranaire

Crête


Introduction Métabolisme du glucoseI- Nature des flux

1 glucose

2 pyruvate

2 Ac. CoA

Cycle de

Crebs

Glycolyse2 NAD+ + 2H+

2 NADH

2 NAD+ + 2H+

2 NADH

6 NAD+ + 2H+

6 NADH

2 FAD+ + 4H+

2 FADH2

2 ADP + Pi

2 ATP

2 CoASH

2 CO2

2 GDP + Pi

2 GTP

4 CO2

2 CoASH

Décarboxylation

oxydative

CYTOSOL

MITOCHONDRIE


Introduction Métabolisme aérobie du glucoseI- Nature des flux

Membrane

interne

I

II

III IV

ATP synthase

NADH + H+

Matrice

NAD+

4H+ 2H+

2H+

Cytc

Q

½O2 + 2H+

H2O

2 ADP + Pi

2 ATP

H+

Production d’ATP

Espace inter-

membranaire


Introduction La respiration

Milieu extérieur Milieu intérieurBarrière

épithéliale

Respiration

cellulaire

Cellule

I- Nature des flux


Introduction Sous forme dissoute

Loi de Henry : [G]dis = α . PG

[G]dis : concentration en gaz dissous (M)

PG : pression partielle en gaz (mmHg)

α : Coefficient de solubilité (M/mmHg)

pO2 : 100 mmHg

αO2 : 1,3.10-6 M/mmHg

[O2]dis = 130 µM

pCO2 : 40 mmHg

αCO2 : 3,0.10-5 M/mmHg

[CO2]dis = 1,2 mM

<< capacité oxyphorique du sang

L’O2 est transporté sous forme dissoute et sous une autre forme.

Le CO2 est transporté sous forme dissoute mais réagit aussi avec le solvant.

Le dioxygène

Le dioxyde de carbone

I- Nature des flux

α : à 37°C, et p = 1 bar

Introduction Avec un transporteur

Le dioxygène

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20

40

60

80

100

40

80

120

160

200

1,6

3,2

4,8

6,4

8

SO2 (%)

CO2

(mL/L sang) (mmol/L sang)

PO2 (mmHg)


I- Nature des flux

1.3 Les formes de transport des gaz respiratoires

Introduction Sous quelles formes sont transportées les gaz respiratoires ?

Dioxyde de carbone Dioxygène

Sous forme dissoute CO2 1,2 mM 10% O2 370 µM 5%

Sous forme ionique HCO3- 24 mM 70% - - -

Sous forme fixée R-NH-COOH 1,2 mM 20% Oxy-Hb 7,4 mM 95%

I- Nature des flux


Introduction Les voies aériennes inférieures : zone d’échanges gazeux

La barrière alvéolo-capillaire

Pneumocytes

de type I

Pneumocytes

de type II

La barrière alvéolo-capillaire mince : lieu des échanges gazeux

Diffusion dépendante des paramètres de la loi de Fick

Cellule

endothéliale

Lumière du

capillaire

Alvéole

AlvéoleAlvéole

Alvéole

Cellule

alvéolaire

de type I

Cellule

endothéliale

Alvéole

Capillaire

Lame

basale

La barrière alvéolo-

capillaire mince

40% cellules

90% surface

Faible épaisseur (0,2 µm)

Forte résistance mécanique

Sécrétion surfactant

Grande surface

(100m2)

60% cellules

10% surface

fine

épaisse

0,2 µm

Kierzenbaum, 2006

I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons


Introduction La surface d’échange alvéolo-capillaire

Barrière alvéolo-

capillaire

Diffusion : V°net A��C = FA��C - FC��A = D ([G]A-[G]C) . (S/x)

Propriétés du gaz

Alvéole Capillaire sanguin

FA�C

FC�A

PG en A PG en CSurfactant

- Masse moléculaire

k : constante, M : Masse moléculaire,

PG : Pression partielle en G, α : constante de solubilité de G

- Solubilité dans l’eau Loi de Henry [G]dis = α PG

Propriétés de la barrière

- Surface

- Epaisseur

S

S : Surface de la barrière, x : épaisseur de la barrière

x

xS

Loi de Fick :

V°net A��C = k . S . α

(PG (A) – PG (C))Loi de Henry

Loi de Graham D = k/ �


Introduction Importance de la convection : l’oxygénation du sang

Distance le long du capillaire

20

40

60

80

100

Pression

partielle

(mmHg)

pAO2

pVO2

SO2

74

98

60 mmHg

Capillaire sanguin

Alvéole pulmonaireEchanges

gazeux

Individu au repos

pO2 = 100 mmHg

pCO2 = 40 mmHg

A B

A B

pO2 = 40 mmHg

pCO2 = 48 mmHg

pO2 = 100 mmHg

pCO2 = 40 mmHg

pO2

pCO2



Introduction L’hémoglobine

Globine : 8 hélices α

AB

CD

E

F

G

Hémoglobine : tétramère de globines + hèmes

α1

α2β1

β2


Branden

& Tooze


Introduction L’hémoglobine

FeII

Hémoglobine : tétramère de globines + hèmes

Hème : Structure plane à métal de transition


Stryer


Introduction Le fer, un métal de transition

Dans la désoxy-hémoglobine, le fer est penta-coordinné

Fe : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

Fe2+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4

Fe3+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3

Kr : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6

Fe2+

6 cases quantiques vides

FeII

His

Plan de

l’hème Fe2+

1 case quantique vide

Doublets non liants de N de l’hème

et histidine « proximale »



Introduction Fixation du dioxygène sur l’hème

Fe2+

1 case quantique vide

Désoxy-hémoglobine

Oxy-hémoglobine

FeIIH.F8

H.F8

H.E7

H.E7FeII O°

O°

H.F8

H.F8

Mouvement de FeII Mouvement de His F8

Fe2+

Doublet de l’oxygène

Liaison hydrogèneLiaison de coordinence

H.F8 : Histidine proximale

H.E7 : Histidine distale

0,06 nm




Introduction L’allostérie : modèle de transition concertée (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

1. La protéine a une structure oligomérique

Cas d’une protéine fictive dimérique

t t r r

3. Les formes r et t sont fonctionnellement différentes : r est plus affine pour le ligand

dit principal

4. Les formes t et r sont en équilibre

5. La structure oligomérique est symétrique

6. Tous les protomères d’un oligomère sont dans la même conformation (symétrique)

2. Chaque protomère existe sous 2 conformations distinctes appelées r (« relâchée ») et t

(« tendue »). Le passage de l’une à l’autre s’appelle la transition allostérique.


Introduction L’allostérie : modèle de transition concertée (Monod, Wyman, Changeux, 1965)


t t r r

7. Les ligands exercent leurs effets en stabilisant une conformation

r r



Introduction L’allostérie : modèle séquentiel ou de l’ajustement induit (Koshland, 1965)

1. La protéine a une structure oligomérique


t t r r

3. Les formes r et t sont fonctionnellement différentes : r est plus affine pour le ligand

dit principal

4. Il n’y a pas d’équilibre pré-existant entre les formes r et t (pas de transition allostérique

en absence de ligand)

5. La structure oligomérique n’est pas forcément symétrique

2. Chaque protomère existe sous 2 conformations distinctes appelées r (« relâchée ») et t

(« tendue »). Le passage de l’une à l’autre s’appelle la transition allostérique.

t r

Forme impossible dans

le modèle précédent

Hypothèses

identiques au

modèle concerté

Hypothèses

différentes du

modèle concerté



Introduction L’allostérie : modèle séquentiel ou de l’ajustement induit (Koshland, 1965)


t t

6. La transformation d’un protomère t en protomère r (et inversement) est induite par la

fixation du ligand (principal ou effecteur)

7. l’affinité d’un protomère donné pour le substrat est influencée par la

conformation adoptée par le(s) protomère(s) adjacents.

t r

Hypothèses

différentes du

modèle concerté

t1 t2 t1 r2

KA(t1) KA(t1)<



Introduction Modification structurale de l’hémoglobine lors de la fixation du dioxygène

FeIIH.F8

H.F8

H.E7

H.E7FeII O°

O°

0,6 nm

Représentation schématique

non fidèle à l’agencement

tridimensionnel des

différentes hélicesG

G

C

C

C G

Zone

commutatrice

Zone

charnièreα1

β2

FG

FG

C

C

Zone d’interaction

C


G

Garrett


Introduction Un modèle tenant compte des propriétés allostériques de l’hémoglobine

O2 O2

O2 O2 O2(1) (2) (3)

(1) Et (2) : Ajustement induit

(3) : Transition concertée

Un modèle mi-concerté mi-induit

Forme t

Forme r

(4) et (5)


O2 O2 O2 O2

O2 O2



Introduction Mise en évidence des effets hétérotropes

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20

40

60

80

100

40

80

120

160

200

1,6

3,2

4,8

6,4

8

SO2 (%)

CO2


PO2 (mmHg)


Introduction Le 2,3 BPG

β1

β2

2,3-BPG

His 143

Lys 82

His 2

His 2

His 143

Lys 82

O2 O2

O2 O2 O2(1) (2) (3) (4) et (5)

Liaisons ioniques

2,3-BPG


O2 O2


α1

α2β1

β2

Branden

& Tooze

Introduction Les effecteurs allostériques : rappels

Effet du ligand principal

t t r

Effet d’un effecteur activateur

Effet d’un effecteur inhibiteur

rrr

t t rrrr

t t rrrr



3.1 Flux convectif

Introduction Bilan

Milieu extérieur

Cellule

Diffusion

Diffusion

Convection

Poumons

pO2

20

40

60

80

100

120

140

160

0

pCO2

46

44

42

40

0

Gradient de

diffusion

Gradient de

diffusion

Convection

Vaisseaux sanguins

+ coeur

Ventricule

gauche

Ventricule

droit

I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires

III- Echanges au niveau des tissus

Introduction Extraction tissulaire

Individu au repos

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20

40

60

80

100

40

80

120

160

200

1,6

3,2

4,8

6,4

8

SO2 (%)

CO2


PO2 (mmHg)

Sang

T 37°C

pH 7,4

pCO2 = 40 mmHg




Introduction Rôle de la Myoglobine


Hème

Chaîne α de globine Myoglobine

Stryer

Capillaire sanguin

A B

Tissu

pO2 = 1 mmHg

Diffusion CO2Diffusion O2

Dans le sang : Dans le muscle :



Introduction La myoglobine

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20

40

60

80

100

40

80

120

160

200

1,6

3,2

4,8

6,4

8

SO2 (%)

CO2


PO2 (mmHg)




Introduction Régulation du transport du dioxygène au repos

• En fonction de la demande nette globale

• En fonction de la demande locale de chaque tissu

Adulte au repos :

250 mL O2/min

Pouvoir oxyphorique : 200 mL O2/L sang

Débit sanguin 5L sang/min

Coefficient d’extraction tissulaire : 0,25

Coefficient de ventilation

alvéolaire : 10%

pO2 air : 150 mmHg

�� pO2 alvéole : 100 mmHg

Ventilation Distribution et transport Consommation

- Coefficient d’extraction tissulaire

- Perfusion des organes

Via les propriétés allostériques de l’hémoglobine




Introduction

Introduction La respiration chez l’Homme

Processus en 5 étapes utilisant le système respiratoire :

Milieu extérieur

O2O2O2

CO2CO2CO2

Milieu intérieur

Barrière

épithéliale

Respiration

cellulaire

Cellule

Diffusion DiffusionConvectionConvection

Ventilation pulmonaireCirculation sanguine et

transport des gaz respiratoires

Vaisseaux sanguins + coeurPoumons

Echanges

gazeux

alvéolaires

Echanges

gazeux

tissulaires

Respiration

mitochondriale

Centre bulbaire

Hématie

Hb HbHb

Introduction Courbe de saturation en O2 du sang adulte et foetal

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20

40

60

80

100

40

80

120

160

200

1,6

3,2

4,8

6,4

8

SO2 (%)

CO2


PO2 (mmHg)

α2β2 : HbA

α2γ2 : HbF




Introduction La drépanocytose ou anémie falciforme

Mutation ponctuelle d’un acide aminé Glu6 � Val6 de la chaîne β

Conclusion



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