Échanges gazeux et transport des gaz respiratoires

Introduction

Les échanges gazeux assurent le passage de l'oxygène et du gaz carbonique entre l'air alvéolaire, le sang et les tissus, par un phénomène de diffusion simple obéissant aux lois physiques de Fick et de Henry. Une fois dans le sang, ces gaz sont transportés sous des formes dissoute et combinée jusqu'à leur lieu d'utilisation ou d'élimination.

I. Les échanges gazeux

A. Caractéristiques de la diffusion : loi de Fick

• À perméabilité membranaire constante, 4 facteurs influencent la diffusion d'un gaz : la surface de diffusion (taux proportionnel à la surface), la différence de concentration (facteur essentiel en conditions physiologiques normales, taux proportionnel à cette différence), l'épaisseur de la membrane (taux inversement proportionnel), et la distance de diffusion (plus rapide sur de courtes distances).

B. Loi de Henry

• Le volume de gaz dissous dans un liquide à saturation est fonction de la pression partielle et du coefficient de solubilité du gaz (Vgaz = α × Ppartielle). Un gaz diffuse du milieu de plus forte pression partielle vers celui de plus faible pression partielle, jusqu'à l'équilibre. Le CO2 est 20 fois plus soluble que l'O2 dans le plasma.

C. Échanges gazeux pulmonaires

• Diffusion de l'O2 : gradient de pression élevé entre alvéole (PAO2 = 13 kPa) et capillaire pulmonaire (5 kPa), soit ∆P = 8 kPa ; l'équilibre s'établit rapidement (0,3-0,4 s). Diffusion du CO2 : gradient de pression beaucoup plus faible (∆P = 1 kPa), mais quantité échangée égale à celle de l'O2 grâce à sa solubilité 20 fois supérieure.

• Au niveau de la mer, la PO2 atmosphérique est d'environ 160 mmHg (la PO2 alvéolaire est inférieure de 30-40 %) et la PCO2 atmosphérique d'environ 0,3 mmHg (très inférieure à la PCO2 alvéolaire).

D. Échanges gazeux entre tissus et sang

• Au niveau tissulaire, la diffusion s'effectue en sens inverse : l'O2 passe du sang artériel (PO2 100 mmHg) vers le milieu intracellulaire (< 40 mmHg), et le CO2 du milieu intracellulaire (> 46 mmHg) vers le sang (40 mmHg), selon le principe général de diffusion des zones de haute pression vers les zones de basse pression.

E. Conditions pathologiques altérant les échanges gazeux

II. Transport de l'oxygène et du gaz carbonique dans le sang

A. Généralités

• L'O2 et le CO2 sont transportés sous 2 formes : dissoute (seule forme participant à la pression partielle) et combinée à un transporteur.

B. Transport de l'oxygène

• Forme dissoute (3 % du transport, plasma et cytoplasme des GR) : relation linéaire avec la pression partielle. Forme liée à l'hémoglobine (97 %) : Hb + O2 ⇌ HbO2 (oxyhémoglobine), selon la loi d'action de masse — une augmentation de [O2] déplace l'équilibre vers la formation d'HbO2, une diminution libère l'O2 lié.
• Capacité artérielle de transport d'O2 (pouvoir oxyphorique du sang) = 3 mL O2 dissous/L + 197 mL HbO2/L = 200 mL d'O2/L de sang. Pour un débit cardiaque de 5 L/min, l'hémoglobine délivre environ 1000 mL d'O2/min aux tissus, très supérieur aux 250 mL/min consommés au repos (et aux seuls 15 mL/min que fournirait la forme dissoute seule, insuffisante aux besoins de l'organisme).

C. L'hémoglobine

• Pigment des globules rouges responsable de la couleur rouge du sang. Structure : 4 chaînes polypeptidiques (2α, 2β), chacune enroulée autour d'un groupement hème porteur d'un atome de fer fixant une molécule d'O2. Affinités comparées : CO > O2 > CO2. La saturation en O2 (SaO2) = (quantité d'O2 liée à l'Hb / quantité maximale) × 100.

• Facteurs déplaçant la courbe de dissociation vers la droite (diminution de l'affinité Hb-O2, facilitant la libération tissulaire d'O2) : diminution du pH, augmentation de la température, augmentation de la PCO2 — le déplacement lié au pH est appelé effet Bohr (illustré par l'exercice physique).

• Anémie : la concentration d'Hb chute (15 → 10 g/100 mL), la saturation reste correcte, mais le contenu artériel en O2 (CaO2) chute fortement (20 → 10 mL/100 mL) → transport d'O2 diminué. Intoxication au CO : mauvaise saturation car le CO occupe jusqu'à 33 % des sites de l'Hb, diminuant le CaO2.

D. Transport du gaz carbonique

• Le bicarbonate joue un rôle de tampon vis-à-vis des acides métaboliques. L'élimination du CO2 est indispensable : son excès (hypercapnie) entraîne une acidose, pouvant déprimer le système nerveux central (confusion, coma, voire décès si sévère).

Conclusion

Les échanges gazeux, gouvernés par les lois physiques de diffusion (Fick, Henry), assurent un passage rapide et efficace de l'oxygène et du CO2 à travers la fine membrane alvéolo-capillaire, malgré des gradients de pression très différents entre les deux gaz, compensés par leurs solubilités respectives. Le transport sanguin ultérieur repose presque entièrement sur des transporteurs spécialisés — l'hémoglobine pour l'O2, le système bicarbonate pour le CO2 — dont l'altération, qu'elle soit quantitative (anémie) ou qualitative (intoxication au CO), compromet gravement l'oxygénation tissulaire. Ce chapitre prépare l'étude du contrôle nerveux et chimique de la respiration, qui ajuste en permanence la ventilation aux besoins en échanges gazeux de l'organisme.