22.4 : Échange de gaz
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Objectifs d'apprentissage
- Comparez la composition de l'air atmosphérique et de l'air alvéolaire
- Décrire les mécanismes qui stimulent les échanges gazeux
- Discutez de l'importance d'une ventilation et d'une perfusion suffisantes et de la façon dont le corps s'adapte lorsqu'elles sont insuffisantes.
- Discutez du processus de respiration externe
- Décrire le processus de respiration interne
Le but du système respiratoire est d'effectuer un échange de gaz. La ventilation pulmonaire fournit de l'air aux alvéoles pour ce processus d'échange de gaz. Au niveau de la membrane respiratoire, là où les parois alvéolaire et capillaire se rencontrent, les gaz traversent les membranes, l'oxygène pénétrant dans la circulation sanguine et le dioxyde de carbone sortant. C'est grâce à ce mécanisme que le sang est oxygéné et que le dioxyde de carbone, le déchet de la respiration cellulaire, est éliminé de l'organisme.
Échange de gaz
Afin de comprendre les mécanismes des échanges gazeux dans les poumons, il est important de comprendre les principes sous-jacents des gaz et de leur comportement. Outre la loi de Boyle, plusieurs autres lois sur les gaz aident à décrire le comportement des gaz.
Lois des gaz et composition de l'air
Les molécules de gaz exercent une force sur les surfaces avec lesquelles elles sont en contact ; cette force est appelée pression. Dans les systèmes naturels, les gaz sont normalement présents sous la forme d'un mélange de différents types de molécules. Par exemple, l'atmosphère est constituée d'oxygène, d'azote, de dioxyde de carbone et d'autres molécules gazeuses, et ce mélange gazeux exerce une certaine pression appelée pression atmosphérique (Tableau\(\PageIndex{1}\)). La pression partielle (P x) est la pression d'un seul type de gaz dans un mélange de gaz. Par exemple, dans l'atmosphère, l'oxygène exerce une pression partielle et l'azote exerce une autre pression partielle, indépendante de la pression partielle d'oxygène (Figure\(\PageIndex{1}\)).
La pression totale est la somme de toutes les pressions partielles d'un mélange gazeux. La loi de Dalton décrit le comportement des gaz non réactifs dans un mélange gazeux et indique qu'un type de gaz spécifique dans un mélange exerce sa propre pression ; ainsi, la pression totale exercée par un mélange de gaz est la somme des pressions partielles des gaz contenus dans le mélange.
| Gaz | Pourcentage de la composition totale | Pression partielle (mm Hg) |
|---|---|---|
| Azote (N 2) | 78,6 | 597,4 |
| Oxygène (O 2) | 20,9 | 158,8 |
| Eau (H 2 O) | 0,04 | 3,0 |
| Dioxyde de carbone (CO 2) | 0,004 | 0,3 |
| Autres | 0,0006 | 0,5 |
| Composition totale/pression atmosphérique totale | 100 % | 760,0 |
La pression partielle est extrêmement importante pour prévoir le mouvement des gaz. Rappelons que les gaz ont tendance à égaliser leur pression dans deux régions connectées. Un gaz se déplace d'une zone où sa pression partielle est plus élevée vers une zone où sa pression partielle est plus faible. De plus, plus la différence de pression partielle entre les deux zones est importante, plus le mouvement des gaz est rapide.
Solubilité des gaz dans les liquides
La loi de Henry décrit le comportement des gaz lorsqu'ils entrent en contact avec un liquide, tel que le sang. La loi de Henry stipule que la concentration de gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la solubilité et à la pression partielle de ce gaz. Plus la pression partielle du gaz est élevée, plus le nombre de molécules de gaz qui se dissoudront dans le liquide est important. La concentration du gaz dans un liquide dépend également de la solubilité du gaz dans le liquide. Par exemple, bien que l'azote soit présent dans l'atmosphère, très peu d'azote se dissout dans le sang, car la solubilité de l'azote dans le sang est très faible. Il existe une exception à cette règle chez les plongeurs ; la composition de l'air comprimé que les plongeurs respirent fait que l'azote a une pression partielle plus élevée que la normale, ce qui fait que l'azote se dissout dans le sang en plus grande quantité que la normale. Une trop grande quantité d'azote dans le sang entraîne une maladie grave qui peut être fatale si elle n'est pas corrigée. Les molécules de gaz établissent un équilibre entre les molécules dissoutes dans le liquide et celles dans l'air.
La composition de l'air dans l'atmosphère et dans les alvéoles est différente. Dans les deux cas, la concentration relative des gaz est azote > oxygène > vapeur d'eau > dioxyde de carbone. La quantité de vapeur d'eau présente dans l'air alvéolaire est supérieure à celle présente dans l'air atmosphérique (Tableau\(\PageIndex{1}\)). Rappelons que le système respiratoire fonctionne pour humidifier l'air entrant, ce qui fait que l'air présent dans les alvéoles contient une plus grande quantité de vapeur d'eau que l'air atmosphérique. De plus, l'air alvéolaire contient une plus grande quantité de dioxyde de carbone et moins d'oxygène que l'air atmosphérique. Cela n'est pas surprenant, car l'échange de gaz élimine l'oxygène de l'air alvéolaire et y ajoute du dioxyde de carbone. La respiration profonde et forcée entraîne une modification de la composition de l'air alvéolaire plus rapidement que lors d'une respiration calme. En conséquence, les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone changent, affectant le processus de diffusion qui déplace ces matériaux à travers la membrane. Cela provoquera l'entrée d'oxygène et la sortie plus rapide du dioxyde de carbone dans le sang.
| Gaz | Pourcentage de la composition totale | Pression partielle (mm Hg) |
|---|---|---|
| Azote (N 2) | 74,9 | 569 |
| Oxygène (O 2) | 13,7 | 104 |
| Eau (H 2 O) | 6.2 | 40 |
| Dioxyde de carbone (CO 2) | 5.2 | 47 |
| Composition totale/pression alvéolaire totale | 100 % | 760,0 |
Ventilation et perfusion
Deux aspects importants des échanges gazeux dans les poumons sont la ventilation et la perfusion. La ventilation est le mouvement de l'air qui entre et sort des poumons, et la perfusion est le flux sanguin dans les capillaires pulmonaires. Pour que l'échange gazeux soit efficace, les volumes impliqués dans la ventilation et la perfusion doivent être compatibles. Cependant, des facteurs tels que les effets régionaux de la gravité sur le sang, l'obstruction des canaux alvéolaires ou la maladie peuvent entraîner un déséquilibre de la ventilation et de la perfusion.
La pression partielle d'oxygène dans l'air alvéolaire est d'environ 104 mm Hg, tandis que la pression partielle du sang veineux pulmonaire oxygéné est d'environ 100 mm Hg. Lorsque la ventilation est suffisante, l'oxygène entre dans les alvéoles à un débit élevé et la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles reste élevée. En revanche, lorsque la ventilation est insuffisante, la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles diminue. Sans la grande différence de pression partielle entre les alvéoles et le sang, l'oxygène ne diffuse pas efficacement à travers la membrane respiratoire. Le corps dispose de mécanismes qui neutralisent ce problème. Dans les cas où la ventilation n'est pas suffisante pour une alvéole, le corps redirige le flux sanguin vers les alvéoles qui reçoivent une ventilation suffisante. Ceci est réalisé en resserrant les artérioles pulmonaires qui desservent l'alvéole dysfonctionnelle, ce qui redirige le sang vers d'autres alvéoles suffisamment ventilées. Dans le même temps, les artérioles pulmonaires qui desservent les alvéoles recevant une ventilation suffisante se vasodilatent, ce qui augmente le flux sanguin. Des facteurs tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et les niveaux de pH peuvent tous servir de stimuli pour ajuster le débit sanguin dans les réseaux capillaires associés aux alvéoles.
La ventilation est régulée par le diamètre des voies respiratoires, tandis que la perfusion est régulée par le diamètre des vaisseaux sanguins. Le diamètre des bronchioles est sensible à la pression partielle de dioxyde de carbone dans les alvéoles. Une pression partielle plus élevée de dioxyde de carbone dans les alvéoles entraîne une augmentation du diamètre des bronchioles, de même qu'une diminution du niveau d'oxygène dans le sang, ce qui permet au dioxyde de carbone d'être expiré plus rapidement par l'organisme. Comme mentionné ci-dessus, une pression partielle plus élevée d'oxygène dans les alvéoles provoque la dilatation des artérioles pulmonaires, ce qui augmente le flux sanguin.
Échange de gaz
Les échanges gazeux se produisent à deux endroits du corps : dans les poumons, où l'oxygène est capté et le dioxyde de carbone est libéré par la membrane respiratoire, et dans les tissus, où l'oxygène est libéré et le dioxyde de carbone est capté. La respiration externe est l'échange de gaz avec l'environnement extérieur et se produit dans les alvéoles des poumons. La respiration interne est l'échange de gaz avec l'environnement interne et se produit dans les tissus. L'échange réel de gaz se produit grâce à une simple diffusion. Aucune énergie n'est nécessaire pour déplacer l'oxygène ou le dioxyde de carbone à travers les membranes. Ces gaz suivent plutôt des gradients de pression qui leur permettent de se diffuser. L'anatomie du poumon maximise la diffusion des gaz : la membrane respiratoire est très perméable aux gaz ; les membranes des voies respiratoires et des capillaires sanguins sont très fines ; et les poumons sont répartis sur une grande surface.
Respiration externe
L'artère pulmonaire transporte le sang désoxygéné vers les poumons depuis le cœur, où elle se ramifie et devient finalement le réseau capillaire composé de capillaires pulmonaires. Ces capillaires pulmonaires forment la membrane respiratoire avec les alvéoles (Figure\(\PageIndex{2}\)). Lorsque le sang est pompé à travers ce réseau capillaire, un échange de gaz se produit. Bien qu'une petite quantité d'oxygène puisse se dissoudre directement dans le plasma à partir des alvéoles, la majeure partie de l'oxygène est captée par les érythrocytes (globules rouges) et se lie à une protéine appelée hémoglobine, un processus décrit plus loin dans ce chapitre. L'hémoglobine oxygénée est rouge, ce qui provoque l'apparition générale de sang oxygéné rouge vif, qui retourne au cœur par les veines pulmonaires. Le dioxyde de carbone est libéré dans le sens opposé de l'oxygène, du sang vers les alvéoles. Une partie du dioxyde de carbone est renvoyée par l'hémoglobine, mais peut également être dissoute dans le plasma ou se présente sous forme convertie, ce qui est également expliqué plus en détail plus loin dans ce chapitre.
La respiration externe se produit en fonction des différences partielles de pression en oxygène et en dioxyde de carbone entre les alvéoles et le sang dans les capillaires pulmonaires.
Bien que la solubilité de l'oxygène dans le sang ne soit pas élevée, il existe une différence drastique entre la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles et dans le sang des capillaires pulmonaires. Cette différence est d'environ 64 mm Hg : la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles est d'environ 104 mm Hg, tandis que sa pression partielle dans le sang du capillaire est d'environ 40 mm Hg. Cette grande différence de pression partielle crée un très fort gradient de pression qui fait que l'oxygène traverse rapidement la membrane respiratoire depuis les alvéoles jusqu'au sang.
La pression partielle de dioxyde de carbone est également différente entre l'air alvéolaire et le sang du capillaire. Cependant, la différence de pression partielle est inférieure à celle de l'oxygène, environ 5 mm Hg. La pression partielle de dioxyde de carbone dans le sang du capillaire est d'environ 45 mm Hg, tandis que sa pression partielle dans les alvéoles est d'environ 40 mm Hg. Cependant, la solubilité du dioxyde de carbone est bien supérieure à celle de l'oxygène, d'un facteur 20 environ, à la fois dans le sang et dans les liquides alvéolaires. Par conséquent, les concentrations relatives d'oxygène et de dioxyde de carbone qui se diffusent à travers la membrane respiratoire sont similaires.
Respiration interne
La respiration interne est un échange gazeux qui se produit au niveau des tissus corporels (Figure\(\PageIndex{3}\)). À l'instar de la respiration externe, la respiration interne se produit également sous forme de simple diffusion en raison d'un gradient de pression partiel. Cependant, les gradients de pression partiels sont opposés à ceux présents au niveau de la membrane respiratoire. La pression partielle d'oxygène dans les tissus est faible, environ 40 mm Hg, car l'oxygène est continuellement utilisé pour la respiration cellulaire. En revanche, la pression partielle d'oxygène dans le sang est d'environ 100 mm Hg. Cela crée un gradient de pression qui provoque la dissociation de l'oxygène de l'hémoglobine, la diffuse hors du sang, traverse l'espace interstitiel et pénètre dans les tissus. L'hémoglobine à laquelle peu d'oxygène est lié perd une grande partie de sa luminosité, de sorte que le sang qui retourne au cœur est de couleur bordeaux.
Étant donné que la respiration cellulaire produit continuellement du dioxyde de carbone, la pression partielle de dioxyde de carbone est plus faible dans le sang que dans les tissus, ce qui provoque la diffusion du dioxyde de carbone hors des tissus, traverse le liquide interstitiel et pénètre dans le sang. Il est ensuite renvoyé dans les poumons soit lié à l'hémoglobine, soit dissous dans le plasma, soit sous une forme convertie. Au moment où le sang retourne vers le cœur, la pression partielle d'oxygène est revenue à environ 40 mm Hg et la pression partielle de dioxyde de carbone à environ 45 mm Hg. Le sang est ensuite pompé vers les poumons pour être à nouveau oxygéné lors de la respiration externe.
Traitement de la chambre hyperbare
Le traitement en chambre hyperbare est un type de dispositif utilisé dans certains domaines de la médecine qui exploite le comportement des gaz. Une chambre hyperbare est une unité qui peut être scellée et exposer un patient à 100 % d'oxygène sous une pression accrue ou à un mélange de gaz contenant une concentration d'oxygène plus élevée que l'air atmosphérique normal, également à une pression partielle supérieure à celle de l'atmosphère. Il existe deux principaux types de chambres : monoplace et multiplace. Les chambres monoplace sont généralement destinées à un patient, et le personnel qui s'occupe du patient observe le patient depuis l'extérieur de la chambre (Figure\(\PageIndex{4}\)). Certains établissements disposent de chambres hyperbares monoplaces spéciales qui permettent de traiter plusieurs patients à la fois, généralement en position assise ou inclinée, afin de soulager les sentiments d'isolement ou de claustrophobie. Les chambres multiplaces sont suffisamment grandes pour que plusieurs patients puissent être traités en même temps, et le personnel soignant ces patients est présent à l'intérieur de la chambre. Dans une chambre multiplace, les patients sont souvent traités à l'air via un masque ou un capuchon, et la chambre est pressurisée.
Révision du chapitre
Le comportement des gaz peut être expliqué par les principes de la loi de Dalton et de la loi de Henry, qui décrivent toutes deux des aspects de l'échange de gaz. La loi de Dalton stipule que chaque gaz spécifique d'un mélange de gaz exerce une force (sa pression partielle) indépendamment des autres gaz du mélange. La loi de Henry stipule que la quantité d'un gaz spécifique qui se dissout dans un liquide est fonction de sa pression partielle. Plus la pression partielle d'un gaz est élevée, plus ce gaz se dissoudra dans un liquide au fur et à mesure que le gaz se rapproche de l'équilibre. Les molécules de gaz se déplacent le long d'un gradient de pression ; en d'autres termes, le gaz se déplace d'une région de haute pression vers une région de basse pression. La pression partielle d'oxygène est élevée dans les alvéoles et faible dans le sang des capillaires pulmonaires. En conséquence, l'oxygène se diffuse à travers la membrane respiratoire depuis les alvéoles jusqu'au sang. En revanche, la pression partielle de dioxyde de carbone est élevée dans les capillaires pulmonaires et faible dans les alvéoles. Par conséquent, le dioxyde de carbone se diffuse à travers la membrane respiratoire, du sang vers les alvéoles. La quantité d'oxygène et de dioxyde de carbone qui se diffuse à travers la membrane respiratoire est similaire.
La ventilation est le processus qui fait entrer et sortir l'air des alvéoles, et la perfusion affecte la circulation du sang dans les capillaires. Les deux jouent un rôle important dans les échanges gazeux, car la ventilation doit être suffisante pour créer une pression partielle élevée d'oxygène dans les alvéoles. Si la ventilation est insuffisante et que la pression partielle d'oxygène chute dans l'air alvéolaire, le capillaire est rétréci et le flux sanguin est redirigé vers les alvéoles suffisamment ventilées. La respiration externe fait référence aux échanges gazeux qui se produisent dans les alvéoles, tandis que la respiration interne fait référence aux échanges gazeux qui se produisent dans les tissus. Les deux sont entraînés par des différences de pression partielles.
Questions de révision
Q. Le gaz se déplace d'une zone de pression partielle ________ à une zone de pression partielle ________.
A. faible ; élevé
B. faible ; faible
C. haut ; haut
D. élevé ; faible
Réponse : D
Q. Lorsque la ventilation n'est pas suffisante, laquelle des situations suivantes se produit ?
R. Le capillaire se resserre.
B. Le capillaire se dilate.
C. La pression partielle d'oxygène dans l'alvéole affectée augmente.
D. Les bronchioles se dilatent.
Réponse : A
Q. L'échange gazeux qui se produit au niveau des tissus est appelé ________.
A. respiration externe
B. respiration interpulmonaire
C. respiration interne
D. ventilation pulmonaire
Réponse : C
Q. La pression partielle du dioxyde de carbone est de 45 mm Hg dans le sang et de 40 mm Hg dans les alvéoles. Qu'arrive-t-il au dioxyde de carbone ?
R. Elle diffuse dans le sang.
B. Elle diffuse dans les alvéoles.
C. Le gradient est trop faible pour que le dioxyde de carbone diffuse.
D. Il se décompose en carbone et en oxygène.
Réponse : B
Questions sur la pensée critique
Q. Comparez et opposez la loi de Dalton et la loi de Henry.
R. Les lois de Dalton et de Henry décrivent toutes deux le comportement des gaz. La loi de Dalton stipule que tout gaz contenu dans un mélange de gaz exerce une force comme s'il n'était pas dans un mélange. La loi de Henry stipule que les molécules de gaz se dissolvent dans un liquide proportionnellement à leur pression partielle.
Q. Un fumeur endommage plusieurs alvéoles qui ne peuvent alors plus fonctionner. Comment cela affecte-t-il les échanges de gaz ?
R. Les alvéoles endommagées ne seront pas suffisamment ventilées, ce qui entraînera une diminution de la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles. En conséquence, les capillaires pulmonaires desservant ces alvéoles se contracteront, redirigeant le flux sanguin vers d'autres alvéoles qui reçoivent une ventilation suffisante.
Lexique
- Loi de Dalton
- énoncé du principe selon lequel un type de gaz spécifique dans un mélange exerce sa propre pression, comme si ce type de gaz spécifique ne faisait pas partie d'un mélange de gaz
- respiration externe
- échange de gaz qui se produit dans les alvéoles
- Loi d'Henry
- énoncé du principe selon lequel la concentration de gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la solubilité et à la pression partielle de ce gaz
- respiration interne
- échange de gaz qui se produit au niveau des tissus corporels
- pression partielle
- force exercée par chaque gaz dans un mélange de gaz
- pression totale
- somme de toutes les pressions partielles d'un mélange gazeux
- ventilation
- mouvement de l'air entrant et sortant des poumons ; comprend l'inspiration et l'expiration