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Les échanges gazeux (notions avancées)

Les notions abordées dans cette fiche dépassent celles qui sont vues au secondaire. Il s'agit ici d'un complément pour ceux qui sont curieux d'en savoir plus.

Les échanges gazeux

Les échanges gazeux en détail

Le dioxygène et le dioxyde de carbone sont transportés grâce à la circulation sanguine, et plus précisément pour l’oxygène, grâce à un pigment respiratoire appelé l’hémoglobine. Ce pigment est situé dans les globules rouges (érythrocytes). L’hémoglobine permet de fixer les molécules gazeuses et ainsi d’accélérer grandement leur vitesse de déplacement en comparaison avec les molécules qui seront simplement dissoutes dans le sang. D’ailleurs, l’oxygène se dissout très difficilement dans l’eau (principale composante du sang). Il y a donc très peu de ce gaz dissous dans le sang.

Le dioxyde de carbone, quant à lui, se retrouve en faible proportion dissous dans le sang (7 %). La majeure partie du CO2 est en fait transportée sous forme d’ions bicarbonate (HCO3-) dissous (70 %). Environ le quart de ces ions sont transportés par l’hémoglobine (23%). L’ion HCO3- a très peu d’influence sur le pH du sang. Il agit plutôt comme tampon au pH grâce à la participation de l’hémoglobine. Mentionnons que le sang veineux a un pH de 7,4 alors que le sang artériel, riche en ions bicarbonate, a un pH de 7,34.

Afin de faciliter l’échange gazeux entre le sang et l’air contenu dans les alvéoles, un réseau de capillaires très ramifiés entoure ces alvéoles. Comme les gaz se déplacent toujours d’un lieu de concentration plus forte vers un lieu de concentration plus faible, le sang arrivant aux alvéoles doit avoir une concentration relative (ou pression partielle) d’O2 plus faible et une concentration relative de CO2 plus forte que celle des alvéoles. Ainsi, le CO2 se déplacera vers les cavités alvéolaires et l’O2 vers le sang. C’est d’ailleurs ce qui explique que l’on a de la difficulté à respirer en altitude, puisque la concentration relative en oxygène de l’air est plus faible et donc plus proche de celle du sang arrivant aux poumons, ce qui limite sa diffusion vers le sang. Après avoir complété les échanges gazeux, le sang oxygéné retourne au cœur pour être propagé dans le reste de l’organisme.

Pressions partielles et facteurs influençant le déplacement des gaz

On peut dire que le dioxyde de carbone (CO2) se déplace dans le sang à cause de deux activités qui ont lieu dans l’organisme : la respiration externe (au niveau des poumons) et la respiration interne (au niveau des tissus).

La respiration externe implique une augmentation de l’oxygène (O2) et une diminution du dioxyde de carbone (CO2) dans le sang, alors que la respiration interne implique l’inverse.

Au niveau des poumons, 3 facteurs influencent les déplacements des gaz, notamment ceux de l’oxygène et du dioxyde de carbone.
1) La solubilité de chaque gaz et les différents gradients de pression partielle.
2) Le synchronisme entre la perfusion sanguine au niveau des alvéoles et la ventilation alvéolaire.
3) Les caractéristiques propres aux structures de la membrane alvéolo-capillaire.

Pressions partielles

La pression partielle est fonction de la proportion d’un gaz dans un volume de fluide donné.

Par exemple, la composition de l’air est d’environ 78,6 % d’azote, 20,9 % d’oxygène et de 0,04 % de dioxyde de carbone. La pression partielle correspondante sera beaucoup plus élevée pour l’azote (597 mm Hg) que pour l’oxygène (159 mm Hg) et le gaz carbonique (0,3 mm Hg).

La pression partielle a pour unité de mesure les millimètres de mercure (mm Hg) où une pression de 760 mm Hg est équivalente à 1 atmosphère ou
101,3 KPa.

Pour le CO2 par exemple, la pression partielle s’écrira la PCO2. Sachant que les gaz se déplacent d’une zone de haute pression vers une zone de basse pression, on peut consulter le tableau suivant pour évaluer la direction des différents gaz entre l’air ambiant, les alvéoles et le sang :

Air ambiant
(niveau de la mer)
Alvéoles pulmonaires Sang veineux

Gaz
% approximatif Pression partielle (mm Hg) % approximatif Pression partielle (mm Hg) Pression partielle
(mm Hg)
O2 20,9 159 13,7 104 40
CO2 0,04 0,3 5,2 40 45

 

Pression partielle de l’oxygène dans l’air
20,9 % x 760 mm Hg ≈ 159 mm Hg.

On comprend un peu plus de quelle façon le gradient est établi et dans quel sens les gaz se déplacent. Pour ce qui est du sang artériel, il faut savoir que les quantités, et donc les pressions partielles, d’oxygène et de dioxyde de carbone s’équilibrent avec celles de l’air alvéolaire.

Le synchronisme de la ventilation et de la perfusion à l’intérieur des alvéoles

Ce phénomène est très impressionnant. Les artérioles et les capillaires ont la capacité de se dilater et de se contracter (vasodilatation et vasoconstriction) selon la pression partielle en oxygène (PO2) qui les occupent. Les artérioles et les capillaires d’une alvéole avec une PO2 plus basse (où la ventilation est moins bonne) se contractent pour optimiser les échanges. D’autre part, les bronchioles sont en mesure de se contracter et de se dilater. Ce phénomène est alors régi par les pressions partielles en dioxyde de carbone (PCO2).

On comprend que les vaisseaux sanguins d’une bronchiole ayant une PCO2 sanguine plus élevée se dilateront pour y laisser circuler plus de sang, et ainsi éliminer plus de CO2. La synchronisation entre la ventilation et la perfusion (introduction lente dans l’organisme) permet ainsi d’optimiser les échanges gazeux et de favoriser l’efficacité de l’élimination du CO2 et du captage de l’O2.

Les propriétés de la membrane alvéolo-capillaire

Ces propriétés font référence à l’épaisseur, la composition et à la superficie des membranes.

La membrane des capillaires irrigant les alvéoles est très mince (0,5 à 1 μm), ce qui permet un échange gazeux très efficace puisque la diffusion des gaz à travers une paroi n’est pas très rapide (comparativement au transport sanguin et dans les poumons). En fait, plus cette membrane est mince, plus la diffusion sera rapide.

Ensuite, comme la membrane des cellules est faite de phospholipides (de molécules de lipides) et que les gaz sont liposolubles (solubles dans les graisses), les échanges gazeux y sont favorisés.

Enfin, les ramifications alvéolaires et bronchiales des poumons augmentent énormément la surface d’échange. En effet, la superficie d’échange des poumons est d’environ 30 fois celle de l’aire de la peau.

Transport du dioxyde de carbone dans l’organisme

La quantité de CO2 que les poumons sont capables d’éliminer est approximativement la même que celle que les cellules sont capables de produire, soit environ 200 ml par minute.

Le CO2 produit par les cellules est constamment rejeté dans le sang. Le sang sert donc de vecteur de transport des tissus vers les poumons. Le dioxyde de carbone y sera alors transporté sous trois formes distinctes :

  1. Une proportion de 7 à 10 % du gaz est dissous dans le plasma sanguin.

  2. Un peu plus de 20 % du gaz se lie au complexe d’hémoglobine. Le site de liaison du CO2 sur les érythrocytes est différent de celui de l’oxygène et ne gène donc pas le transport de ce gaz. La liaison et la dissociation sont dépendantes de la PCO2 et de la concentration en O2, ce qui explique que l’affinité est forte au niveau des tissus en activité et faible au niveau des capillaires pulmonaires.

  3. La majorité du CO2, soit 70 %, est transporté sous forme d’ions bicarbonates (HCO3) dans le plasma sanguin. La transformation du CO2 en ion bicarbonate se produit néanmoins dans les érythrocytes. C’est en se combinant à l’eau contenue dans les globules rouges qu’est d’abord produit l’acide carbonique (H2CO3) qui, instable, se dissocie en H+ et en HCO3- (l’ion bicarbonate). Cette réaction pourrait se produire directement dans le plasma, mais elle est hautement accélérée par le catalyseur que contient l’érythrocyte : l’anhydrase carbonique. Comme la réaction libère des ions H+, le pH du plasma s’abaisse, ce qui diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène. Celui-ci est donc libéré au niveau des tissus. En arrivant au poumon, l’anhydrase carbonique possède aussi la capacité de catalyser la réaction inverse afin de retransformer les ions bicarbonates en CO2 qui pourra alors diffuser vers les cavités alvéolaires. Le pH s’élevant de nouveau, l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène augmente.
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