UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012
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Cycles de la vieet
grandes fonctions
Coordonnateurs :J-P. Barthes (IFSI RODEZ)I. Tack (Université Paul SABATIER)
Unité d’Enseignement 2.2.S1 Nos objectifs
Niveaux d’organisation du corps humain : chimique, cellulaire, tissulaire, organique et systémique
Vie et notions de thermodynamique
Homéostasie : concepts et grandes fonctions
Notion de régulation homéostatique
Biologie intégrative et communication cellulaire
Chronobiologie et rythmes de vie
Exemple de fonction homéostatique : la thermorégulation
Pr Ivan TACKLaboratoire de Physiologie - Faculté de Médecine de Rangueil
QU’EST-CE QUE LA PHYSIOLOGIE ?
Science qui étudie le fonctionnement normal d’un organisme vivant ou de ses parties
(dictionnaire Larousse)
Vie
Logique
Etude
Science qui, à partir des lois de la nature,étudie le « comment » du fonctionnement de la vie
Pas le pourquoi :La finalité appartient
à la téléologie…
Ne se réduit pas à une vison « Mécaniste »
(écueil réductionniste)
PHYSIOLOGIEFonctionnement normal
PATHOLOGIE
Dysfonctionnement
Vie et matière : Organisation ducorps humain
Chapitre 1
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DE LA MATIÈRE À LA VIE
Composés organiquesCarbone, hydrogène, oxygène, azote
(96 %)Électrolytes
Calcium, Phosphore, Potassium,Chlore, Sodium…
(4%)Molécules clés du vivant- O2 et H2O- Protéines- Glucides- Lipides- Acides nucléiques
Ces assemblages moléculaires, si complexes soient-ils, ne constituent pas la vie : il leur manque le fonctionnement organisé et la capacité de transmettre cette organisation
LES PIÈCES DU « LEGO™ »…
Ac nucléiques : molécules de l’information- Ac. DésoxyRiboNucléique (ADN), porte l’information (génome) de façon stable (durable) et aisément copiable, stocké au sein du noyau cellulaire- Ac. RiboNucléique (ARN), support intermédiaire de l’information diffusant du noyau vers le cytosol pour permettre la fabrication des protéines (golgi)
Protéines : molécules de structure et d’action- Fabriquées à partir de 20 acides aminés- Rôles crucial : structure, communication intercompartimentale, fonctionnement = transformation de la matière (enzymes)
LES PIÈCES DU « LEGO™ »…
Glucides : molécules énergétique et de protection- Principale source d’énergie chez l’humain (amidons ++)- Circule dans le sang sous forme de glucose (C6H12O6)- Faible stockage (glycogène : foie et muscle)- Complexes à la surface des membranes cellulaires
Lipides simples- Assemblage d’acides gras et d’alcool (glycérol)- Stockage optimal de l’énergie (adipocytes) sous forme de triglycérides (produits par le foie)
Phospholipides : clefs de la compartimentalisation »- Molécules amphiphiles (hydrophile/hydrophobes)- Forment des barrières structurantes et isolantes- Contribuent au maintien de concentrations moléculaires différentes de part et d’autre des membranes
RELATION STRUCTURE / FONCTION
Cellules
1014 cellules, 5 types :- Epithéliales- Musculaires- Nerveuses- Conjonctives- Sanguines (Hématies)
OrganismeFonctionnement coordonné +++Systèmes de communication :Nerveux, endocrinien et immunitaire
Assemblages
- Tissus : cellules de propriétés similaires- Organes : combinaisons de tissus différents- Systèmes : ensemble de tissus de même structure- Appareils : ensemble d’organes destinés à une même fonction
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Un modèle du vivant :Notions de
thermodynamique
Chapitre 2 UN MODÈLE DU VIVANT
Définition thermodynamique : Stade hautement organisé de la matière
VIE : « Ensemble des phénomènes communs aux êtres organisés et qui constituent leur mode d’activité propre, de la naissance à la mort »(dictionnaire Larousse)
Matière
Organisée
Programme
Mort
Naissance
TransmissionReproductionÉNERGIE
LOIS PHYSICO-CHIMIQUES FONDAMENTALES
…Règles de fonctionnement de d’assemblage
Lois de la Thermodynamique
- Premier principe : conservation de l’énergie« L’énergie / la matière ne peut être créée ni perdue, elle se transforme »
- Second principe : équilibre thermodynamiqueLa vie correspond à une série d’états stationnaires (steady-states) maintenus par des transferts d’énergie
ORGANISME déséquilibre
ENVIRONNEMENT
L’ENVIRONNEMENT, GÉNÉRATEUR D’INSTABILITÉ
MATIÈRE- Aliments, boissons, O2- Sueurs, urines, selles, CO2
INFORMATIONFormes d’énergie captées par les organes des sens :
visuelle, auditive, olfactive, gustative, tactile
ÉNERGIE- Chimique potentielle- Thermique- Mécanique
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Homéostasie :concepts et grandes
fonctions
Chapitre 3
Variationenvironnementale
Impa
ct p
hysi
olog
ique
0 +
+
Zoneoptimale
Adaptation aux variations environnementales
Variationenvironnementale
Impa
ct p
hysi
olog
ique
0 +
+
Zoneoptimale
Instauration d’un équilibre(steady-state)
Ajustement proportionnel
État d’équilibre(instable !)
ENVIRONNEMENT
PRINCIPE DE BASE DE L’HOMÉOSTASIE
Entrées Sorties
Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire
Détection
Intégration
Réponse
CONCEPT DE MILIEU INTÉRIEUR
Liquide organique dans lequel vit l'individu tout entier etqui contient toutes les substances qui doivent le nourrir(1857). Ce fluide permet aux organismes d'êtreindépendants à l'égard des conditions extérieures. Milieunutritif, mais aussi épurateur, il est soumis à desrégulations (neurohumorales) qui en ajustent lesparamètres en liaison avec le monde
Claude Bernard1813-1878
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CONCEPT D’HOMÉOSTASIE
Maintient à l’état stable des volumes, de lacomposition et des propriétés physico-chimiques du milieu intérieur et, parextension, des compartiments liquidiens del’organisme
Walter CANNON1871-1945
LES FONCTIONS D’HOMÉOSTASIEAppareil respiratoireÉchanges O2 / CO2
Appareil digestifEntrées d’eau, électrolytes
et de nutriments
Appareil circulatoireTransport et distributiond’ O2 / CO2 et de matière
Appareil urinaireExcrétion des « déchets »
et « excédents »
Système tégumentaireIsolation d’avec lemilieu extérieurAppareil locomoteur
Statique, mobilité,thermorégulation,
Ca, phosphates, HCO3 (os)
Système nerveuxRelation / Information et
coordination
Système endocrineRelation / Information et
coordination
Système immunitaireRelation / Information et
coordination
Appareil reproducteur« maintien de l’espèce »
Notion de régulation homéostatique
Chapitre 4
État d’équilibre(instable !)
ENVIRONNEMENT
NOTION DE BOUCLE DE CONTROLE
Entrées Sorties
Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire
Détection
Intégration
Réponse
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PRINCIPE DE LA BOUCLE DE RÉTROCONTRÔLE
Pas de changements atteint
Variablecontrôlée
Systèmede détection point de consigne
Signal d’erreur
EffecteurCorrection
non atteint
Réponse
RÉTRO-CONTRÔLE NÉGATIF D’UNE SECRETION ENDOCRINE
Glandeendocrine
organecible
(+)
Hormone
(-)
Point deconsigne :
atteint/dépassé
Réponse(+)
Stimulation
Entraîne une réponse correctrice jusqu’à ce que le paramètre identifié atteigne le point de consigne. A partir de ce moment-là, la réponse correctrice est inhibée/ supprimée parce que la correction est suffisante
RÉTROCONTRÔLE POSITIF ET RISQUE DE CERCLE VICIEUX
(+)
(+)
Glandeendocrine
Organecible
HormoneBOUM !Réponse
La réponse au stimulus initial renforce ce stimulus et amplifie la réponse jusqu’à saturation du système ou, le plus souvent, induction d’une situation de rupture…
Exemple : Rétro-contrôle positif de la sécrétion d’ocytocine pendant l’accouchement
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Bases de la communication
cellulaire
Chapitre 5
• L’organisme humain comporte environ 1014 cellules
• Survie de l’assemblage échanges d’informations :
Relation avec le non-soi
Maintien de l’intégrité de l’organisme : prolifération,
différenciation et organisation cellulaire
Stabilité du milieu intérieur (« homéostasie »), dans toutes les conditions physiologiques
RÔLES DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE
SYSTÈMES DE COMMUNICATION CELLULAIRE
• Trois systèmes de communication :
Immunitaire (soi/non soi)
Nerveux (environnement
/organisme)
Endocrine (intégrité, homéostasie, reproduction)
Endocrine, au sens étymologique : « sécrétion interne »
Stress/Agression« macroscopique »
Agression« microscopique »
SNC
SendSim
SNC : syst. nerveux centralSNA : syst. nerveux autonomeSNP : syst. nerveux périph.Send : syst. endocrineSim : syst. immunitaire
SNPSNA
Concepts d’hormone et de glande endocrine
Communication endocrine : basée sur la sécrétion par des cellules « glandulaires » d’une substances chimique qui est déversée dans le sang et agit à distance sur des cellules cibles équipées d’un récepteur spécifique à cette substance. Cette substance est dénommée « hormone ».
Différentes formes de sécrétion endocrine :• Glandes endocrines• Cellules endocrines isolées disséminées dans un tissu• Neurones produisant des neuro-hormones• Cellules non endocrine sécrétrices d ’hormones…
NB : désignait initialement une substance activatrice ; Starling 1905 (sécrétine)
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Modes alternes de communication endocrine
Communication autocrine et paracrine :• Via le fluide interstitiel• Substances « autacoïdes »
(cytokines + facteurs vaso-actifs)• Pas d’action endocrine
(concentrations circulantes 10-14 – 10-15 M)
Limites de la communication endocrine
Communication autocrine et paracrine :• Facteurs locaux dont la concentration circulante peut atteindre des valeurs efficaces en situation pathologique• Certaines hormone exercent aussi une action loco-régionale type facteur de croissance…
Communication endocrine et métabolites :• Certains nutriments (glucose) ou produits de métabolisme (proton, CO2) agissent comme des molécules signal après diffusion par voie humorale…mais ils n’ont pas de récepteur spécifique et agissent à forte concentration
Com
mun
icat
ion
apoc
rine
et
phér
omon
es
Phéromones : molécules informatives agissant hors de l’organismeChez les mammifères : sécrétions apocrines (glandes sudorales…) détectée par syst. olfactif syst. limbique (émotion + comportement sexuel)
Récepteur (R)
Hormone (H)
Amplification(récepteur trans-membranaire)
Action génomique(récepteur nucléaire)
Les hormones agissent via des récepteurs
Reconnaissance de l’hormone Formation du complexe HR Transduction du signal
HR
Hormone = 1ier messager
Second messager Action
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Principe du fonctionnement des récepteurs
Hormone hydrophile(premier message)
Récepteur
Hormones liposoluble(premier messager)
Membranecellulaire
Second messager /Système d’amplification
Protéine effectriceEffets transitoires
HRE ARNm
Protéines
Membranenucléaire
Effets prolongés
R
Propriétés des principaux types d’hormones
Stéroïdes
Oui
Nulle à très faible
Diffusion à travers lamembrane plasmique
Oui
Heures
Noyau et/ou cytosol
Stimulation/inhibition dela transcription par le complexe récepteur-
hormone
Heures à jours
Caractéristiques
Rétrocontrôle sa synthèse
Mise en réservede l’hormone
Mécanisme deSécrétion
Protéinesde transport
Demi-vieplasmatique
Récepteurs
MécanismeD’action
Durée d’action
Iodothyronines
Oui
Importante (stock pour1 mois)
Protéolyse deThyroglobuline + diffusion
Oui
Jours
Noyau
Stimulation/inhibition dela transcription par lecomplexe récepteur-
hormone
Jours
Peptides et protéines
Oui
Faible à moyenne(quelques heures à 1 jour)
Exocytose des vésiculesSécrétoires
Non / rare (ex : GH)
Minutes à heures
Trans-membranaire
Amplification cytosolique par seconds messagers
ou activité tyrosine-kinase
Minutes à heures
Catécholamines
Oui
Plusieurs jours(medullo-Surrénale)
Exocytose des vésiculesSécrétoires
Non
Secondes
Trans-membranaire
Amplification cytosoliquepar seconds messagers
ou modification dupotentiel de membrane
Hormones hydrophilesHormones lipophiles
Régulation des sécrétions hormonales : exemple du cortisolStress
Physique Emotionnel Chimique Autres
CRH
Pointconsigne
Rythme nycthéméral
Boucle de rétrocontrôleultracourte
Boucle deRétrocontrôle courte(ACTH)
Boucle deRétrocontrôlelongue
Effetsbiologiques Cortisol
ACTHCellule corticotrope
Hypothalamus
Hypophyse(antérieure)
Chronobiologie et rythmes de la vie
Chapitre 6
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Rythme : changement répété de distribution chronologique identique
La perception interne du temps correspond véritablement à un sixième sens…
L’existence de rythmes biologiques permet à l’organisme de s’adapter AVANT que ne survienne un déséquilibre rythmique : permet une anticipation du déséquilibre homéostatique
UN TEMPS POUR CHAQUE CHOSE…
Exemples de réponses temps dépendantes :
Alcool Concentration max à 7h00Effet délétère max > 19h00
Histamine Réponse max (poumon, peau) à minuitPoussière Hyperréactivité bronchique à minuitLidocaïne Effet anesthésique max (dent, peau) vers 16h
RYTHMES BIOLOGIQUES
Rythmes
Ultradiens
Circadiens
Infradiens(Circannuels)
Fréquences
Hautes fréquences : - période < 1 min
Basses fréquences :- période > 1 min
20h < période < 28h
Période environ 1 an
Rôles physiologiques
ECG, EEG, cardiaque, respiratoire
Rythmes endocriniensLa plupart des fonctionsphysiologiques
Rythmes comportementaux :alternance veille / sommeil +++Rythmes endocriniens
Rythmes comportementauxRythmes endocriniens
PACEMAKER CIRCADIEN : NOYAUX SUPRACHIASMATIQUES
NSC
HORLOGE CIRCADIENNE DU NOYAU SUPRACHIASMATIQUE
Protéine issue des gènes Clock
Protéine issue du gène Bmal1
Protéines issues des gènes Cry1 et 2
Protéines issues des gènes Per, Per2 et Per3Phosphorylation des protéines
Cytoplasme
Noyau
Cry
Cry
Cry
Cry
P-1
P-2
P-3
P-1 -3
Cry1-2
Lumière (Per1)
Bmal1
Clock
C B
C BCry
+Diffusion
info lumière
Diffusion du rythme au
SNC
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Principal facteur de synchronisation : la lumière
LUMIÈRENSC
Faisceau rétino-hypothalamique
(glande pinéale)
Mélatonine
Autres facteurs de synchronisation : rythme sociétaux (horaires de travail, ouverture des magasins, repas, vie nocturne, rythme 24/7/365)…
CHRONOPHYSIOLOGIE DES SECRETIONS ENDOCRINES
Exemple : Rythme circadien de l’ACTH et du Cortisol chez un homme adulte sain
VARIATIONS NYCTHÉMÉRALES DE LA MÉLATONINE PLASMATIQUE EN FONCTION DES CLASSES D’ÂGE
PHYSIOPATHOLOGIE DES RYTHMES BIOLOGIQUES
Travail de nuitProblème social (15 % travailleurs)Altération du rythme nycthéméralImpact à moyen / long terme : dépression, tbles cardio-vasculaires, baisse de libido et fécondité, problèmes digestifs (UGD)…
Jet lagDécalage rythme circadien lors des vols transméridiensPlus marqué dans le sens Ouest Est (ex : température centrale)Impact : troubles du sommeil et diminution performance intellectuelles et physique (ex : sportifs avec franchissement > 6 zones perf max après 10 j seulement !)
Cécité totalePerte du principal facteur de synchronisation du rythme nycthéméralImpact : passage en « free running rhythm »
SénescenceAltération de l’horloge principale et de la sécrétion de mélatonineImpact : troubles du sommeil et perte du caractère pulsatile des hormones de l’axe hypothalamo-hypophysaire
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Exemple de fonction homéostatique :
la thermorégulation
Chapitre 7 Ectothermes contre endothermes
Température ambiante (°C)
Tem
péra
ture
cor
pore
lle (°
C)
Ectothermes : ° centrale varie parallèlement à celle de l’environnement. Faible niveau de métabolisme et forte conductance thermique (mal isolés) Moindre besoin d’énergie et d’eau. Énergie utilisée pour autre fonction que maintient de l’équilibre thermique Mauvaise adaptation aux milieux froids
Ectothermes
Régulationcomportementale
EndothermesEndothermes : chaleur interne = sous-produit de métabolisme (élevé). °centrale reste stable malgré variations extérieures (maintiennent ° au dessus de celle de l’environnement). Conductance faible car bien isolés
Bonne adaptation au milieux froids, fonctionnement enzymatique optimal malgré les variations thermiques externes Energétiquement très coûteux
Régulation comportementale
Thermogenèse chimique, mécanique, thermolyse
(évaporation)
Maintien la température corporelle
Température ambiante (°C)
Niv
eau
de m
étab
olis
me
°co
rpor
elle
Zone deNeutralitéthermique
Hypothermie Hyperthermie
Métabolisme basal
THERMOGENÈSE THERMOLYSE
Zone neutralité thermique :Air : 22 °C si peu habillé, 27 - 31 °C nu dans l’airEau : 33°C dans l’eau
Température centrale
Dépenses énergétiques
Répartition de la chaleur corporelle
Noyau Noyau
Milieu froid Milieu chaud
Enveloppe
Température centrale :36,0 – 37,5 °C (37,0 ± 0,5°C)• < 35°C : Hypothermie• 33°C : Perte de connaissance• 37,8°C : Fièvre• 41°C : Convulsions• 43°C : Mort
Température cutanée :20 – 40 °C (moy : 33 ± 1°C)
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Principale forme de sortie d’énergie (90 %)
Contribue à la stabilité de la température centrale
Échangée avec le milieu extérieur sous 4 formes :
Radiation (60%): échange entre 2 surfaces de températures différentes via des ondes (électromagnétique) de chaleur.
Convection (15%): échange entre milieux mobiles (tissu cutané / fluide ambiant) de températures différentes
NB : fluide ambiant = air ++ ou éventuellement eau
NB : entre parenthèses, % de la perte thermique cutanée chez un sujet nu. Ces pertes peuvent être diminuées de 30% par le port de vêtements
Sorties d’énergie thermique (1)
Conduction (3%) : échange entre 2 milieux immobiles de température différente, par transfert moléculaire direct de l’E. thermique. Coefficient très variable selon lex matériaux
Évaporation (22%): passage d’état liquide (sueur à la surface de la peau) à état de vapeur. Chaleur latente d’évaporation = 2,425 kJ/g d’eau. Inefficace si atmosphère saturé en humidité : la sueur ruisselle sans dispersion thermique
Remarque : la modulation de tous ces échanges peut-être obtenue via la régulation de l’hémodynamique cutanée qui ajuste notre température de surface
Sortie d’énergie thermique (2)
Production et dépenses d’énergie
Production d’énergie thermique = dépense en terme de bilan thermodynamique Varient de 1 à 20 Deux catégories : Dépenses de « fonctionnement » ou « contingentes » :
- exercice musculaire (thermogenèse accessoire)- thermogenèse alimentaire (assimilation des aliments)- adaptation aux variations de la température ambiante (thermogenèse mécanique ou chimique)
Dépenses énergétiques de « fond » :minimales, incompressibles constantes pour un individu donné= métabolisme basal
Détection et intégration de l’information thermique
Au chaud (décharge max 40°C, fibres C)Au froid (décharge max 25°C, fibres A)Nombre TR froid 5-10x > TR chauds
Hypothalamus
Température de surface
Température du noyau(viscérale)
Activé par ° centrale
Activé par ° centrale
ThermorécepteursDétectent surtout ,
d’autant plus finement que grande surface concernée
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Adaptation au froid et thermogenèse
Hypothalamus postérieur
Température centrale
Thermogenèse musculaireThermogenèse chimique
Métabolismebasal
Thermogenèsegraisse brune
Tonusmusculaire
Frissons
Adaptation au froid
FROID
Intégration hypothalamus postérieur
Tonus musculaire
Vasoconstriction cutanée
Modif comportement vestimentaire
activité physique
métab. basal (adrénaline / H. thyroïdiennes)± Thermogenèse chimique (graisse brune)
Horripilation / chair de poule
Si insuffisantFrissons*
* Contractions rythmiques rapides (10-20x/sec) sans mouvements coordonnés production chaleur x 2 à 5
Adaptation au chaud
CHAUD
Intégration hypothalamus antérieur
Tonus musculaire
Vasodilatation cutanée
Modif comportement vestimentaire
activité physique
Sudation
Variations physiologiques de la température…
• Variation nycthémérale : ° + 0,5°C entre 6h et 18 heures
• Saison : ° en hiver > ° en été
• Genre : femme ° > de 0,2°C en moyenne / homme, mais varie en fonction du cycle (° 0,5°C en seconde partie de cycle et début de grossesse)
• Repas, stress, colère peuvent ° de 0,5°C
• Exercice physique augmente la température
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Variations nycthémérales de la température centrale
37,0
36,5
36,0
Tem
péra
ture
cor
pore
lle c
entr
ale
(°C
)
0 4 8 12 16 20 24
Heure du nycthémère
Été
Hivers
Variations de la température lors d’un exercice physique
Température gastro-intestinale pendant 45 min de course (10 – 12 km/h)chez 9 homme de 20 à 24 ans
Mesure « invasive » de la température
Thermométrie « sanglante »Méthode de référence (thermistance dans l’artère pulmonaire), très précis, permet un monitorage continu. Souvent cathéter (OD ou artère radiale). Réservée à l’anesthésie-réanimation (nécessite une asepsie parfaite)Thermométrie oesophagienneInsertion sonde a thermistance par voie orale ou nasale jusqu’au milieu de l’œsophage en regard de l’artère pulmonaire. Ecart à l’AP < 0,2°C. Inconfortable pour des volontaires mais très précis.
Thermométrie intestinaleIngestion d’une gélule télémétrique àthermistance, proche de mesureoesophagienne, durée 4 à 8h…faussé par ingestion repas/boisson
Thermométrie rectaleAntérieurement utilisé en cliniqueMAIS… change lentement par rapport aux variations de température interne, risque de perforation rectale et contage (stérilisation indispensable)
Mesure non invasive de la température
Thermométrie axillaireFacile mais mauvaise évaluation de la température interne (thermomètre au mercure), influencée ++ par position et conditions environnementales
Thermométrie buccaleZone sublinguale aisément accessible mais influencée par ingestion récente d’aliments ou de boissons et par respiration buccale (mesure : bouche fermée et la langue abaissée pendant trois à quatre minutes…). Risque de contage (étuis jetables)
Thermométrie tympanique (infra-rouge)Utilisation facile, moins de risques que température rectale, très proche de temp. centrale mais moins fiable pour la détection de la fièvre
Plages de température corporelle normale
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Physiopathologie : Fièvre
Infection Inflammation
Macrophages
IL-1… (pyrogènes)
Synthèses Prostaglandines (SNC)
Décalage Pt consigne hypothalamique ()
Réponse type adaptation au froid : Thermogenèse dissipation thermique
Température jusqu’au nouveau point de consigne= fièvre
AINSAspirine
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