Upload
doancong
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
1.1 Utilisation et production de 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
1.1 Utilisation et production de gaz respiratoires
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
1.1 Utilisation et production de gaz respiratoires
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
1.2 Les différents processus impliqués
Introduction La respiration
Milieu extérieur Milieu intérieurBarrière
épithéliale
Respiration
cellulaire
Cellule
I- Nature des flux
1.2 Les différents processus impliqués
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)
1.2 Les différents processus impliqués
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
2.1 Diffusion au niveau de la barrière alvéolo-capillaire
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
2.1 Diffusion au niveau de la barrière alvéolo-capillaire
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/ �
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
2.1 Diffusion au niveau de la barrière alvéolo-capillaire
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
Introduction L’hémoglobine
Globine : 8 hélices α
AB
CD
E
F
G
Hémoglobine : tétramère de globines + hèmes
α1
α2β1
β2
2.2 Fixation par l’hémoglobine
Branden
& Tooze
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
Introduction L’hémoglobine
FeII
Hémoglobine : tétramère de globines + hèmes
Hème : Structure plane à métal de transition
2.2 Fixation par l’hémoglobine
Stryer
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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 »
2.2 Fixation par l’hémoglobine
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
2.2 Fixation par l’hémoglobine
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
2.2 Fixation par l’hémoglobine
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.
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
Introduction L’allostérie : modèle de transition concertée (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
Cas d’une protéine fictive dimérique
t t r r
7. Les ligands exercent leurs effets en stabilisant une conformation
r r
2.2 Fixation par l’hémoglobine
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
Introduction L’allostérie : modèle séquentiel ou de l’ajustement induit (Koshland, 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. 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
2.2 Fixation par l’hémoglobine
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
Introduction L’allostérie : modèle séquentiel ou de l’ajustement induit (Koshland, 1965)
Cas d’une protéine fictive dimérique
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)<
2.2 Fixation par l’hémoglobine
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
2.2 Fixation par l’hémoglobine
G
Garrett
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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)
2.2 Fixation par l’hémoglobine
O2 O2 O2 O2
O2 O2
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
2.3 Effecteurs allostériques
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
(mL/L sang) (mmol/L sang)
PO2 (mmHg)
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
2.3 Effecteurs allostériques
O2 O2
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
2.3 Effecteurs allostériques
I- Nature des fluxII- Echanges au niveau des poumons
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
(mL/L sang) (mmol/L sang)
PO2 (mmHg)
Sang
T 37°C
pH 7,4
pCO2 = 40 mmHg
3.2 Extraction tissulaire
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus
Introduction Rôle de la Myoglobine
3.2 Extraction tissulaire
Hème
Chaîne α de globine Myoglobine
Stryer
Capillaire sanguin
A B
Tissu
pO2 = 1 mmHg
Diffusion CO2Diffusion O2
Dans le sang : Dans le muscle :
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus
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
(mL/L sang) (mmol/L sang)
PO2 (mmHg)
3.2 Extraction tissulaire
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus
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
3.2 Extraction tissulaire
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus
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
(mL/L sang) (mmol/L sang)
PO2 (mmHg)
α2β2 : HbA
α2γ2 : HbF
3.2 Extraction tissulaire
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus
Introduction La drépanocytose ou anémie falciforme
Mutation ponctuelle d’un acide aminé Glu6 � Val6 de la chaîne β
Conclusion
I- Nature des fluxII- Echanges pulmonaires
III- Echanges au niveau des tissus