Biophysique de la respiration

Introduction

Le système respiratoire assure DEUX grandes fonctions indispensables à la vie : l'APPORT EN OXYGÈNE et l'ÉLIMINATION DU DIOXYDE DE CARBONE. Cette fonction fait intervenir CINQ processus : la VENTILATION PULMONAIRE, les ÉCHANGES GAZEUX PULMONAIRES, le TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG, les ÉCHANGES GAZEUX TISSULAIRES et l'OXYDATION MITOCHONDRIALE. L'intérêt biophysique du chapitre tient à un chiffre : le coefficient de solubilité du CO₂ est 25 fois supérieur à celui de l'O₂. C'est lui qui explique que tout trouble de la diffusion désature avant d'hypercapnier, et pourquoi l'oxygène doit être transporté à 98 % sous forme combinée à l'hémoglobine — la forme dissoute étant très insuffisante. Il éclaire aussi le rôle du surfactant, dont l'absence chez le nouveau-né cause la maladie des membranes hyalines. Nous verrons l'organisation de l'appareil respiratoire, les échanges gazeux — ventilation et diffusion alvéolo-capillaire —, les paramètres physiques — pression, élasticité, compliance, surfactant —, puis le transport de l'O₂ et du CO₂ et les troubles correspondants.

I. Organisation de l'appareil respiratoire

A. Les deux zones

• La ZONE DE CONDUCTION de l'air part des voies aéro-digestives supérieures et se termine aux BRONCHIOLES TERMINALES. Elle permet un RÉCHAUFFEMENT, un DÉPOUSSIÉRAGE et une HUMIDIFICATION de l'air.
• La ZONE RESPIRATOIRE, où se font les échanges.

B. La zone respiratoire

• Les DEUX POUMONS, lieu des échanges gazeux.
• Les LOBULES PULMONAIRES, UNITÉS STRUCTURALES ET FONCTIONNELLES du poumon. Un lobule est composé d'une bronchiole respiratoire et de plusieurs conduits alvéolaires débouchant sur plusieurs alvéoles.
• La BARRIÈRE ALVÉOLO-CAPILLAIRE : les alvéoles sont le SITE des échanges gazeux pulmonaires et sont EXTRÊMEMENT VASCULARISÉES. Son épaisseur est de 1 à 2 μm, et la surface d'échange atteint environ 90 m².

C. Le surfactant

• Le fond alvéolaire est tapissé par un film produit par les PNEUMOCYTES DE TYPE II : le SURFACTANT.
• Rôle principal : ÉVITER LE COLLAPSUS DES ALVÉOLES EN FIN D'EXPIRATION et permettre L'OUVERTURE DES ALVÉOLES DU NOUVEAU-NÉ.
• Conséquence capitale : l'ABSENCE de surfactant chez le nouveau-né définit la MALADIE DES MEMBRANES HYALINES, qui entraîne LA MORT par IMPOSSIBILITÉ DE VENTILATION.

D. Les mécanismes respiratoires

Un cycle respiratoire est un processus ENTIÈREMENT MÉCANIQUE, reposant sur les VARIATIONS DE VOLUME DE LA CAGE THORACIQUE. Il comprend :

• Une INSPIRATION : processus ACTIF, faisant intervenir une CONTRACTION des muscles respiratoires.
• Une EXPIRATION : processus PASSIF, légèrement PLUS LENT que l'inspiration.

II. Les échanges gazeux

Les échanges s'effectuent sous DEUX états :

• À l'ÉTAT GAZEUX entre l'atmosphère et le poumon — c'est la VENTILATION PULMONAIRE : entrée de l'O₂ via les alvéoles avant passage dans le sang artériel, et élimination du CO₂ venu du sang veineux.
• À l'ÉTAT DISSOUS par DIFFUSION : entre l'alvéole et le sang — la diffusion alvéolo-capillaire — et entre le sang et les cellules.
• Règle absolue : la diffusion des gaz se fait TOUJOURS du compartiment où la PRESSION PARTIELLE est la PLUS FORTE vers celui où elle est la PLUS FAIBLE.

A. La ventilation pulmonaire

• La ventilation pulmonaire est l'ensemble des phénomènes permettant le RENOUVELLEMENT DE L'AIR ALVÉOLAIRE à partir de l'air atmosphérique.

• Deux gradients opposés : le gradient de PO₂ est GRAND (152 → 103), le gradient de PCO₂ est FAIBLE (0,2 → 40 en sens inverse). Mais comme sCO₂ sO₂, le CO₂ diffuse néanmoins beaucoup plus

≫

• facilement que l'O₂.

B. La diffusion alvéolo-capillaire

• Entre l'alvéole et l'intérieur du capillaire, l'O₂ et le CO₂ se déplacent par SIMPLE DIFFUSION, À L'ÉTAT DISSOUS. Leur flux obéit à la loi de Fick : Φ₁→₂ = −Di·S·si·(dPi/dx) / 22,4.

Le sens et l'importance des transferts dépendent de TROIS facteurs :

• dPi : la DIFFÉRENCE DE PRESSION PARTIELLE de part et d'autre de la membrane alvéolo-capillaire.
• S : la SURFACE DE DIFFUSION — environ 90 m² au niveau alvéolaire.
• si : le COEFFICIENT DE SOLUBILITÉ, ESSENTIELLEMENT. LE COEFFICIENT DE SOLUBILITÉ DU CO₂ EST 25 FOIS PLUS GRAND QUE CELUI DE L'O₂.
• Conclusion majeure : bien que le GRADIENT de PO₂ soit SUPÉRIEUR au gradient de PCO₂, le CO₂ DIFFUSE BEAUCOUP PLUS FACILEMENT que l'O₂, du fait de sa solubilité.

III. Les paramètres physiques de la ventilation

A. La différence de pression

• Selon la loi de POISEUILLE, la différence de pression entre l'alvéole et l'atmosphère constitue une SOURCE D'ÉNERGIE pour VAINCRE LES RÉSISTANCES à l'écoulement et assurer les mouvements de CONVECTION.
• Pour que l'air PÉNÈTRE dans les alvéoles à l'inspiration, la pression alvéolaire doit être INFÉRIEURE à la pression atmosphérique.
• Pour que l'air SORTE des alvéoles, la pression alvéolaire doit être SUPÉRIEURE à la pression atmosphérique.
• Les flux de DIFFUSION PASSIVE restent INSUFFISANTS pour expliquer la ventilation pulmonaire, qui est un PHÉNOMÈNE ACTIF de renouvellement de l'air alvéolaire.

B. L'élasticité pulmonaire

Mise en évidence : après avoir complètement vidé un poumon extrait du thorax, on y injecte de l'air sous une pression P. Le volume pulmonaire varie avec la pression injectée, selon une courbe en trois parties :

• La COMPLIANCE C est la FACILITÉ avec laquelle le poumon SE LAISSE DISTENDRE : C = dV/dP. Toute augmentation de pression dP provoque une augmentation de volume dV.
• L'ÉLASTANCE E est l'INVERSE de la compliance : E = dP/dV = 1/C.

C. Le surfactant — propriétés physiques

• Définition : film liquidien tapissant la surface alvéolaire, substance LIPIDO-PROTÉIQUE sécrétée par les PNEUMOCYTES DE TYPE II. Il fixe la surface liquidienne par son groupe HYDROPHILE et évite la rétraction alvéolaire par son groupe HYDROPHOBE.

Ses QUATRE rôles :

• STABILISER les volumes alvéolaires, en évitant le collapsus à faible pression ou faible volume — en fin d'expiration — et en maintenant les bronchioles ouvertes.
• DIMINUER LE TRAVAIL INSPIRATOIRE.
• STABILISER LA PRESSION entre les compartiments aérien et vasculaire.
• Agir comme AGENT TENSIO-ACTIF, capable de DIMINUER LA TENSION SUPERFICIELLE du liquide.
• Relation fondamentale : PLUS la concentration en surfactant est ÉLEVÉE, PLUS la tension superficielle est BASSE, et PLUS l'alvéole s'étend FACILEMENT. C'est l'application directe de la loi de Laplace : P = 2T/r — sans surfactant, les petites alvéoles se videraient dans les grandes.

IV. Le transport de l'oxygène

A. Généralités

• Il existe DEUX formes de transport pour les deux gaz : la forme DISSOUTE, qui est la forme DIFFUSIBLE — quantité proportionnelle à la pression partielle selon la LOI DE HENRY, Vi = si·Pi — et la forme COMBINÉE à des molécules transporteuses (HÉMOGLOBINE), NON DIFFUSIBLE, qui prend le relais lorsque la forme dissoute devient insuffisante.

B. La forme dissoute — 2 %

• Elle se trouve dans le cytoplasme des hématies et dans le plasma. Présente en TRÈS FAIBLE quantité, son rôle est FONDAMENTAL car c'est LA FORME D'ÉCHANGE PAR DIFFUSION.

• Attention : aux pressions élevées, L'O₂ DEVIENT TOXIQUE pour les cellules — altération enzymatique, formation de RADICAUX LIBRES.

C. La forme combinée — 98 %

• C'est l'oxygène combiné à l'HÉMOGLOBINE dans les globules rouges, sous forme d'OXYHÉMOGLOBINE.
• Chaque molécule d'hémoglobine fixe QUATRE molécules d'O₂ : Hb₄ + 4 O₂ Hb₄(O₂)₄. Une mole d'Hb

⇌

• est TÉTRAMÉRIQUE, et chaque chaîne fixe une mole d'O₂ par une FIXATION RÉVERSIBLE sur l'ATOME DE FER DE L'HÈME.
• POUVOIR OXYPHORIQUE de l'Hb : 1 g d'Hb peut fixer au maximum 1,39 mL d'O₂. Exemple : pour un taux d'Hb de 15 g/100 mL, la quantité maximale d'O₂ liée est 1,39 × 15 = 20,85 mL d'O₂ pour 100 mL de sang.
• La SATURATION en O₂ (SO₂) au niveau du sang ARTÉRIEL, chez un sujet normal au repos, varie de 95 à 97 %.

D. La courbe de Barcroft

La courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine — ou COURBE DE BARCROFT — représente les variations de la SATURATION SO₂ en fonction de la PO₂, dans les conditions de référence pH = 7,4 / PCO₂ = 40 mmHg / T = 37 °C. Elle traduit la fixation successive des 4 molécules d'O₂ et adopte une forme SIGMOÏDE :

• Explication de la sigmoïdité : CHAQUE molécule d'O₂ qui se fixe MODIFIE la structure du transporteur DANS LE SENS D'UNE AFFINITÉ PLUS FORTE pour les molécules non encore liées — c'est la coopérativité.

• L'Hb existe sous DEUX formes allostériques : la forme T (TENDUE), à FAIBLE affinité pour l'O₂ — Hb NON oxygénée — et la forme R (RELÂCHÉE), à FORTE affinité — HbO₂.
• La P50 est la PO₂ pour laquelle SO₂ = 50 % ; elle vaut normalement 27 mmHg. Elle RENSEIGNE SUR L'AFFINITÉ de l'Hb pour l'O₂ : lorsque la P50 AUGMENTE, l'affinité DIMINUE — la courbe se DÉPLACE VERS LA DROITE, puisqu'il faut une pression plus élevée pour fixer l'O₂.

E. Les facteurs déplaçant la courbe

Quatre facteurs DIMINUENT l'affinité — donc AUGMENTENT la P50 et déplacent la courbe VERS LA DROITE :

• La DIMINUTION du pH, par stabilisation de la forme T — c'est l'EFFET BOHR.
• L'ÉLÉVATION de la PCO₂.
• L'AUGMENTATION de la TEMPÉRATURE.
• L'augmentation du 2,3-DIPHOSPHOGLYCÉRATE (2,3-DPG).
• Ces quatre conditions sont précisément celles du muscle en activité : la baisse d'affinité y facilite la LIBÉRATION de l'oxygène là où il est nécessaire.

F. Les anomalies du transport

• Le MONOXYDE DE CARBONE (CO) a une TRÈS FORTE affinité pour l'Hb, BIEN SUPÉRIEURE à celle de l'O₂ : il se fixe beaucoup plus rapidement sur le FER DE L'HÈME, provoquant la CARBOXYHÉMOGLOBINÉMIE.
• À différencier de la MÉTHÉMOGLOBINÉMIE, où l'atome de FER FERREUX est OXYDÉ et devient FERRIQUE, ce qui EMPÊCHE TOUT TRANSPORT d'oxygène sous forme combinée.

V. Le transport du gaz carbonique

Le transport du CO₂ se fait sous TROIS formes : DISSOUTE, BICARBONATES, et COMBINÉE à des protéines — les composés CARBAMINÉS.

A. La forme dissoute — 5 %

• Elle représente une faible partie du CO₂ transporté. Le CO₂ dissous DIFFUSE LIBREMENT vers l'intérieur des hématies, où il est transformé en HCO₃⁻.

B. Les bicarbonates — 60 %

• L'HYDRATATION du CO₂ induit la formation d'ACIDE CARBONIQUE H₂CO₃, LENTEMENT dans le plasma et RAPIDEMENT dans les hématies, grâce à l'ANHYDRASE CARBONIQUE : CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ +

⇌ ⇌

• HCO₃⁻.
• LES DEUX TIERS des HCO₃⁻ sont EXCRÉTÉS à l'extérieur du globule rouge EN ÉCHANGE D'UN Cl⁻ : c'est l'EFFET HAMBURGER.
• L'Hb RÉDUITE exerce un POUVOIR TAMPON en se combinant aux ions H⁺ intra-érythrocytaires.
• Cette forme représente environ 60 % du CO₂ éliminé par les poumons. Au niveau pulmonaire, le phénomène S'INVERSE pour reformer du CO₂ à partir des HCO₃⁻ et permettre son élimination.

C. Les composés carbaminés — 30 %

• Le CO₂ se fixe sur les GROUPEMENTS NH₂ TERMINAUX des protéines, notamment de l'Hb, LORSQU'ELLE SE DÉSATURE : CO₂ + Hb-NH₂ Hb-NCOO⁻ + H⁺.

⇌

• La réaction est FAVORISÉE PAR LA DÉSOXYGÉNATION de l'oxyhémoglobine au niveau tissulaire. Cette forme représente environ 30 % du CO₂ éliminé par les poumons.

D. Les interactions entre transport de l'O₂ et du CO₂

• AU NIVEAU PÉRIPHÉRIQUE (tissulaire) : le sang artériel DÉLIVRE de l'O₂ aux cellules, ce qui est FAVORISÉ par la BAISSE DU pH TISSULAIRE (effet Bohr). La DÉSATURATION de l'oxyhémoglobine FAVORISE en retour la combinaison du CO₂ : c'est l'EFFET HALDANE.
• AU NIVEAU DES POUMONS : la FIXATION de l'O₂ sur l'Hb s'accompagne de la LIBÉRATION d'ions H⁺ ; cette production d'ions H⁺ déplace la réaction vers la LIBÉRATION DE CO₂, qui est alors éliminé.
• Les deux effets se répondent : l'EFFET BOHR fait larguer l'O₂ là où il y a du CO₂ ; l'EFFET HALDANE fait charger le CO₂ là où l'O₂ vient d'être libéré. Le système est ainsi doublement optimisé.

VI. Les troubles du transport des gaz

A. Les troubles de la ventilation

• Noter l'asymétrie : l'hyperventilation abaisse nettement la PaCO₂ mais ne modifie que PEU la PaO₂ — conséquence directe de la forme en plateau de la courbe de Barcroft, où l'hémoglobine est déjà presque saturée.

B. Les troubles de la diffusion alvéolo-capillaire

• AU DÉBUT : le trouble touche l'O₂, car le CO₂ diffuse PLUS RAPIDEMENT — on observe une PaO₂ DIMINUÉE (HYPOXIE) avec une PaCO₂ NORMALE.
• APRÈS : l'organisme RÉAGIT par une HYPERVENTILATION, qui corrige peu la PaO₂ — cette correction est FAIBLE — mais ABAISSE la PaCO₂, créant une HYPOCAPNIE.
• C'est le profil classique du trouble de diffusion : HYPOXIE avec HYPOCAPNIE, et non hypercapnie.

Conclusion

La respiration enchaîne cinq processus, de la ventilation à l'oxydation mitochondriale. L'appareil s'organise en une zone de conduction — qui réchauffe, dépoussière et humidifie — et une zone respiratoire, dont l'unité est le lobule et l'interface la barrière alvéolo-capillaire, tapissée du surfactant des pneumocytes II. Ce dernier, agent tensio-actif, empêche le collapsus alvéolaire : son absence définit la maladie des membranes hyalines. Mécaniquement, l'inspiration est ACTIVE, l'expiration PASSIVE, et le poumon se caractérise par sa compliance C = dV/dP, inverse de l'élastance. Les échanges obéissent à la loi de Fick, dominée par un chiffre : le CO₂ est 25 fois plus soluble que l'O₂ — d'où une hypoxie toujours plus précoce que l'hypercapnie. Le transport se fait à 2 % sous forme dissoute — seule forme diffusible et échangeable — et à 98 % sur l'hémoglobine, qui fixe 4 O₂ et dont 1 g porte 1,39 mL d'O₂. La courbe de Barcroft, sigmoïde par coopérativité, a une P50 de 27 mmHg ; acidose, hypercapnie, hyperthermie et 2,3-DPG la déplacent à droite — effet Bohr — facilitant la délivrance tissulaire. Le CO₂, lui, circule à 60 % en bicarbonates — avec l'effet Hamburger —, 30 % en composés carbaminés et 5 % dissous, l'effet Haldane couplant sa charge à la désoxygénation. Le chapitre suivant traitera de l'équilibre acido-basique.