Informations

8.5 : Échanges gazeux - Biologie

8.5 : Échanges gazeux - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Comparer la composition de l'air atmosphérique et de l'air alvéolaire
  • Décrire les mécanismes qui entraînent les échanges gazeux
  • Discuter de l'importance d'une ventilation et d'une perfusion suffisantes et de la façon dont le corps s'adapte lorsqu'elles sont insuffisantes
  • Discuter du processus de respiration externe
  • Décrire le processus de la respiration interne

Le système respiratoire a pour fonction d'effectuer les échanges gazeux. La ventilation pulmonaire fournit de l'air aux alvéoles pour ce processus d'échange de gaz. Au niveau de la membrane respiratoire, où les parois alvéolaires et capillaires se rencontrent, les gaz se déplacent à travers les membranes, l'oxygène entrant dans la circulation sanguine et le dioxyde de carbone sortant. C'est par ce mécanisme que le sang est oxygéné et que le dioxyde de carbone, le déchet de la respiration cellulaire, est éliminé du corps.

Échange de gaz

Afin de comprendre les mécanismes des échanges gazeux dans le poumon, il est important de comprendre les principes sous-jacents des gaz et leur comportement. En plus de la loi de Boyle, plusieurs autres lois sur les gaz aident à décrire le comportement des gaz.

Lois sur les 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 1).

Tableau 1. Pressions partielles des gaz atmosphériques
GazPourcentage de la composition totalePression partielle (mm Hg)
Azote (N2)78.6597.4
Oxygène (O2)20.9158.8
Eau (H2O)0.043.0
Dioxyde de carbone (CO2)0.0040.3
Autres0.00060.5
Composition totale/pression atmosphérique totale100%760.0

Pression partielle (PX) 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 1). 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 dans le mélange.

La pression partielle est extrêmement importante pour prédire le mouvement des gaz. Rappelons que les gaz ont tendance à égaliser leur pression dans deux régions qui sont connectées. Un gaz se déplacera 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 grande, plus le mouvement des gaz est rapide.

Solubilité des gaz dans les liquides

La loi d'Henri décrit le comportement des gaz lorsqu'ils entrent en contact avec un liquide, comme 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 dissolvent 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. L'exception à cela se produit chez les plongeurs autonomes ; la composition de l'air comprimé que respirent les plongeurs fait que l'azote a une pression partielle plus élevée que la normale, ce qui l'amène à se dissoudre dans le sang en plus grande quantité que la normale. Trop d'azote dans le sang entraîne une maladie grave qui peut être mortelle 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 diffère. 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 de l'air atmosphérique (tableau 2). Rappelons que le système respiratoire fonctionne pour humidifier l'air entrant, ce qui fait que l'air présent dans les alvéoles a 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. Ce n'est pas surprenant, car l'échange gazeux élimine l'oxygène et ajoute du dioxyde de carbone à l'air alvéolaire. La respiration profonde et forcée modifie 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 entraînera une entrée d'oxygène et une sortie de dioxyde de carbone du sang plus rapidement.

Tableau 2. Composition et pressions partielles de l'air alvéolaire
GazPourcentage de la composition totalePression partielle (mm Hg)
Azote (N2)74.9569
Oxygène (O2)13.7104
Eau (H2O)6.240
Dioxyde de carbone (CO2)5.247
Composition totale/pression alvéolaire totale100%760.0

Ventilation et perfusion

Deux aspects importants des échanges gazeux dans les poumons sont la ventilation et la perfusion. Ventilation est le mouvement de l'air dans et hors des poumons, et la perfusion est le flux de sang dans les capillaires pulmonaires. Pour que les échanges gazeux soient efficaces, les volumes impliqués dans la ventilation et la perfusion doivent être compatibles. Cependant, des facteurs tels que les effets de la gravité régionale sur le sang, des canaux alvéolaires bloqués ou une 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, alors que la pression partielle du sang veineux pulmonaire oxygéné est d'environ 100 mm Hg. Lorsque la ventilation est suffisante, l'oxygène pénètre 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 chute. 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 a des mécanismes qui contrecarrent 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, qui redirige le sang vers d'autres alvéoles qui ont une ventilation suffisante. Dans le même temps, les artérioles pulmonaires qui desservent les alvéoles recevant une ventilation suffisante vont se vasodilater, ce qui amène une plus grande circulation sanguine. Des facteurs tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et les niveaux de pH peuvent tous servir de stimuli pour ajuster le flux 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, tout comme une diminution du niveau d'oxygène dans l'approvisionnement en sang, permettant au dioxyde de carbone d'être expiré du corps à un taux plus élevé. Comme mentionné ci-dessus, une plus grande pression partielle 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 dans le corps : dans les poumons, où l'oxygène est capté et le dioxyde de carbone est libéré au niveau de la membrane respiratoire, et au niveau des 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 en raison de la simple diffusion. L'énergie n'est pas nécessaire pour déplacer l'oxygène ou le dioxyde de carbone à travers les membranes. Au lieu de cela, ces gaz suivent 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 capillaires respiratoires et sanguins sont très fines ; et il y a une grande surface dans les poumons.

Respiration externe

L'artère pulmonaire transporte le sang désoxygéné vers les poumons depuis le cœur, où il se ramifie et devient finalement le réseau capillaire composé de capillaires pulmonaires. Ces capillaires pulmonaires forment la membrane respiratoire avec les alvéoles. Lorsque le sang est pompé à travers ce réseau capillaire, des échanges gazeux se produisent. 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, provoquant l'apparence générale d'un sang oxygéné rouge vif, qui retourne au cœur par les veines pulmonaires. Le dioxyde de carbone est libéré dans le sens inverse de l'oxygène, du sang vers les alvéoles. Une partie du dioxyde de carbone est renvoyée sur l'hémoglobine, mais peut également être dissoute dans le plasma ou est présente sous une forme convertie, également expliquée plus en détail plus loin dans ce chapitre.

Respiration externe se produit en fonction des différences de pression partielle 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, alors 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 des alvéoles dans le 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, alors que sa pression partielle dans les alvéoles est d'environ 40 mm Hg. Cependant, la solubilité du dioxyde de carbone est beaucoup plus grande que celle de l'oxygène - d'un facteur d'environ 20 - dans le sang et les fluides alvéolaires. En conséquence, les concentrations relatives d'oxygène et de dioxyde de carbone qui diffusent à travers la membrane respiratoire sont similaires.

Respiration interne

Respiration interne est un échange gazeux qui se produit au niveau des tissus corporels (Figure 3). Semblable à 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 partielle 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 fait que l'oxygène se dissocie de l'hémoglobine, diffuse hors du sang, traverse l'espace interstitiel et pénètre dans les tissus. L'hémoglobine qui a peu d'oxygène lié perd une grande partie de sa luminosité, de sorte que le sang qui retourne au cœur est de couleur plus bordeaux.

Étant donné que la respiration cellulaire produit continuellement du dioxyde de carbone, la pression partielle du 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 ramené aux poumons soit lié à l'hémoglobine, dissous dans le plasma, soit sous une forme convertie. Au moment où le sang retourne au cœur, la pression partielle d'oxygène est revenue à environ 40 mm Hg et la pression partielle de dioxyde de carbone est revenue à environ 45 mm Hg. Le sang est ensuite pompé vers les poumons pour être à nouveau oxygéné lors de la respiration externe.

Connexions quotidiennes : traitement en chambre hyperbare

Un type de dispositif utilisé dans certains domaines de la médecine qui exploite le comportement des gaz est le traitement en chambre hyperbare. Une chambre hyperbare est une unité qui peut être scellée et exposer un patient à 100 % d'oxygène avec une pression accrue ou à un mélange de gaz qui comprend une concentration d'oxygène plus élevée que l'air atmosphérique normal, également à une pression partielle plus élevée que l'atmosphère. Il existe deux grands types de chambres : monoplace et multiplace. Les chambres monoplaces sont généralement pour un patient, et le personnel soignant le patient observe le patient de l'extérieur de la chambre. Certains établissements ont des chambres hyperbares monoplace spéciales qui permettent de traiter plusieurs patients à la fois, généralement en position assise ou allongée, pour aider à soulager les sentiments d'isolement ou de claustrophobie. Les chambres multiplaces sont suffisamment grandes pour traiter plusieurs patients 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 une cagoule, et la chambre est pressurisée.

Le traitement en chambre hyperbare est basé sur le comportement des gaz. Comme vous vous en souvenez, les gaz se déplacent d'une région de pression partielle plus élevée vers une région de pression partielle plus faible. Dans une chambre hyperbare, la pression atmosphérique est augmentée, provoquant la diffusion d'une plus grande quantité d'oxygène que la normale dans la circulation sanguine du patient. La thérapie en chambre hyperbare est utilisée pour traiter une variété de problèmes médicaux, tels que la cicatrisation des plaies et des greffes, les infections bactériennes anaérobies et l'intoxication au monoxyde de carbone. L'exposition et l'empoisonnement par le monoxyde de carbone sont difficiles à inverser, car l'affinité de l'hémoglobine pour le monoxyde de carbone est beaucoup plus forte que son affinité pour l'oxygène, ce qui fait que le monoxyde de carbone remplace l'oxygène dans le sang. La thérapie en chambre hyperbare peut traiter l'intoxication au monoxyde de carbone, car l'augmentation de la pression atmosphérique provoque la diffusion d'une plus grande quantité d'oxygène dans la circulation sanguine. À cette pression accrue et à cette concentration accrue d'oxygène, le monoxyde de carbone est déplacé de l'hémoglobine. Un autre exemple est le traitement des infections bactériennes anaérobies, qui sont créées par des bactéries qui ne peuvent ou préfèrent ne pas vivre en présence d'oxygène. Une augmentation des niveaux d'oxygène dans le sang et les tissus aide à tuer les bactéries anaérobies responsables de l'infection, car l'oxygène est toxique pour les bactéries anaérobies. Pour les plaies et les greffes, la chambre stimule le processus de guérison en augmentant la production d'énergie nécessaire à la réparation. L'augmentation du transport d'oxygène permet aux cellules d'accélérer la respiration cellulaire et donc la production d'ATP, l'énergie nécessaire à la construction de nouvelles structures.

Revue de 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 des échanges gazeux. La loi de Dalton stipule que chaque gaz spécifique dans 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, à mesure que le gaz se déplace vers l'équilibre. Les molécules de gaz descendent un gradient de pression ; en d'autres termes, le gaz passe d'une région de haute pression à 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 diffuse à travers la membrane respiratoire des alvéoles dans le 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 diffuse à travers la membrane respiratoire du sang vers les alvéoles. La quantité d'oxygène et de dioxyde de carbone qui 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 le flux sanguin dans les capillaires. Les deux sont importants 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 avec une ventilation suffisante. 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.

Auto contrôle

Répondez aux questions ci-dessous pour voir dans quelle mesure vous comprenez les sujets abordés dans la section précédente.

Questions de pensée critique

  1. Comparez et opposez la loi de Dalton et la loi de Henry.
  2. Un fumeur développe des dommages à plusieurs alvéoles qui ne peuvent alors plus fonctionner. Comment cela affecte-t-il les échanges gazeux ?

[reveal-answer q="768033″]Afficher les réponses[/reveal-answer]
[réponse cachée a=”768033″]

  1. Les lois de Dalton et de Henry décrivent le comportement des gaz. La loi de Dalton stipule que tout gaz 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.
  2. Les alvéoles endommagées auront une ventilation insuffisante, 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.

[/réponse-cachée]

Glossaire

La 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

La loi d'Henri : 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 dans et hors des poumons; se compose de l'inspiration et de l'expiration


Échange de gaz

IVOX repose sur la mise en place d'un oxygénateur à fibres creuses monté sur un cathéter à double lumière. Les fibres ont un diamètre de 200 µm et contiennent des micropores qui facilitent les échanges gazeux. Contenant plusieurs milliers de fibres et s'étendant sur environ 40 à 50 cm de long une fois inséré par les voies fémorale ou jugulaire interne, le système s'étend de la veine cave supérieure à la veine cave inférieure à travers l'oreillette droite.L'oxygène est fourni via une pression négative pour permettre l'échange de gaz entre la phase gazeuse intraluminale et la phase sanguine extraluminale par diffusion. Les complications d'utilisation incluent celles d'un accès veineux central, d'une hémorragie (en partie due à la nécessité d'une anticoagulation systémique), d'une infection, d'une thrombose veineuse profonde (due à une réduction du drainage veineux du membre inférieur après la mise en place d'une veine fémorale) et d'une réduction de la l'efficacité du dispositif en raison de la formation de thrombus dans le faisceau de fibres.

IVOX a été indiqué pour l'oxygénation des patients atteints du syndrome de détresse respiratoire aiguë sévère (SDRA) afin de permettre une ventilation conventionnelle moins agressive dans l'espoir d'éviter les baro- et volutraumatismes pulmonaires. Cependant, en partie à cause d'une augmentation de la sophistication des ventilateurs actuels et d'une meilleure compréhension du processus de la maladie, et en partie à cause de la complexité et du taux de complications d'IVOX, il est maintenant tombé en disgrâce.


Échange de gaz chez les mammifères

Le système respiratoire des mammifères comprend la cavité nasale, le pharynx, la glotte, le larynx, la trachée, les bronches, les bronchioles et les sacs aériens (alvéoles).

Les voies respiratoires sont bordées par la présence de cils et de cellules sécrétant du mucus, qui les maintiennent humides et piègent la poussière, la saleté et les bactéries. Les poumons sont entourés d'une cage thoracique. La cage thoracique est composée du sternum ou du sternum et des côtes. Au bas de la cage thoracique se trouve un diaphragme musculaire. Respiration chez les mammifères. Lors de l'inspiration, la cage thoracique est tirée vers l'extérieur et vers le haut par la contraction des muscles intercostaux, tandis que le diaphragme est abaissé ou aplati. Le volume de la cavité thoracique est augmenté, l'air pénètre dans les poumons. Pendant l'expiration, l'intercostal se relâche, la cage thoracique est abaissée et tirée vers l'intérieur tandis que le diaphragme se contracte et se soulève. Cela réduit le volume de la cavité thoracique et l'air est expulsé des poumons. Lors de l'inspiration, les muscles intercostaux des côtes se contractent, tirant la cage thoracique vers le haut et vers l'extérieur. Cela étire le diaphragme vers l'extérieur, créant un grand espace vide dans la cavité thoracique. L'air est alors aspiré dans les poumons. Pendant l'inspiration, les muscles intercostaux se détendent, la cage thoracique retombe dans sa position d'origine et le diaphragme se cambre vers le haut. Le résultat est que le volume de la cavité thoracique est réduit et l'air est expulsé des poumons. La quantité d'air inhalée à chaque respiration est appelée volume courant et est d'environ 500 ml pour un être humain adulte. Seulement 350 ml environ du volume courant atteint le poumon. Les 150 ml d'air restants, connus sous le nom de volume d'espace mort, restent dans les voies respiratoires. Sous un exercice physique intense, les poumons peuvent contenir entre 4 500 ml et 5 000 ml d'air. C'est ce qu'on appelle la capacité vitale des poumons. Il est impossible de vider complètement les poumons. Il reste toujours de l'air dans les poumons, c'est ce qu'on appelle le volume résiduel. Contrôle de la respiration

La respiration est sous le contrôle d'un centre dans la moelle allongée. Le centre respiratoire est très sensible aux variations de la concentration de CO2 et du pH du sang. Une augmentation des concentrations de CO2 augmente la fréquence et la profondeur de la respiration. Parfois, un exercice vigoureux excessif peut réduire le niveau de concentration de CO2 dans le corps à tel point que le centre respiratoire cesse d'envoyer des signaux aux poumons. Lorsque cela se produit, la respiration s'arrête, provoquant une perte de conscience ou un évanouissement. Effets du tabagisme sur la santé

Le tabagisme présente un grand risque pour la santé. Le tabagisme réduit l'espérance de vie d'une personne. On estime qu'un jeune de vingt-cinq ans qui fume deux paquets de cigarettes par jour voit son espérance de vie raccourcie de 8,3 ans. Plus le nombre de cigarettes que l'on fume quotidiennement est élevé, plus son espérance de vie est courte. Le tabagisme est la principale cause de cancer chez les hommes et les femmes. La nicotine peut être absorbée dans la circulation sanguine pour exercer ses effets additifs. Le cancer du poumon est l'effet le plus connu et le plus nocif du tabagisme. Le tabagisme est également associé à la bronchite chronique, à l'emphysème, aux maladies coronariennes, aux maladies vasculaires périphériques et aux accidents vasculaires cérébraux. Les composants nocifs du tabac comprennent le goudron, le monoxyde de carbone, le dioxyde d'azote et l'oxyde nitrique. Le cancer des poumons, dû au tabagisme, commence d'abord par l'épaississement des cellules productrices de mucus qui tapissent les bronches. Ceci est suivi d'une perte de cils de sorte qu'il est impossible d'empêcher la poussière et la saleté de se déposer dans les poumons. Plus tard, des cellules cancéreuses apparaissent dans la paroi épaissie. Certaines cellules cancéreuses se détachent et pénètrent dans les autres tissus pulmonaires, propageant le cancer. L'incidence des cancers du pharynx, de la bouche, de l'œsophage, de la vessie et du pancréas semble être plus élevée chez les fumeurs que chez les non-fumeurs. Les fumeurs de cigarettes sont 4 à 25 fois plus susceptibles de souffrir d'emphysème que les non-fumeurs. Fumer épaissit la muqueuse des bronchioles obstruant la libre circulation de l'air, de sorte que la respiration devient difficile et l'air est piégé dans les alvéoles. L'air emprisonné peut provoquer la rupture des parois des alvéoles et l'épaississement des vaisseaux capillaires environnants, réduisant ainsi la quantité d'oxygène atteignant le cerveau. Cela fait battre le cœur plus rapidement afin d'obtenir suffisamment d'oxygène pour le cerveau. En fin de compte, cela endommage le cœur. Le tabagisme est responsable des décès dus aux maladies coronariennes. Les mères enceintes qui fument courent le risque d'avoir des bébés mort-nés et des bébés présentant une insuffisance pondérale. Ces enfants sont généralement sous-développés et socialement inadaptés.


Surveillance respiratoire Mécanisme de base de l'échange de gaz PPV

t Courbes . V ou V . V / P / V Pression - Débit - Temps - Volume P ou V Boucles sur l'écran du ventilateur - pour évaluer la synchronisation patient-ventilateur - pour obtenir des informations sur la mécanique respiratoire dans des conditions dynamiques (!) - pour détecter les réglages erronés du ventilateur - pour guider à la recherche de réglages de ventilation optimaux

La courbe pression-volume : utile au chevet ? Comment surveiller au chevet? 1) Outils PV +/-

Évaluation du volume de la courbe P-V statique Méthode de super-seringue : Gonflage par étapes à partir d'une grosse seringue avec des occlusions multiples à chaque volume pour enregistrer la pression de recul

La courbe PV statique est-elle utile ? Downie JM et al. AJRCCM e-publ 5 février 2004 Jonson B AJRCCM 1999 159 : 1172– 1178 Rimensberger PC Crit Care Med 1999 27 : 1946 -52

Mesures de pression dans des conditions dynamiques ETT 3 mm OD Sondergaard S Ped Research 2002 51 : 339 -45

Suivi du cycle dynamique : est-ce mieux ? Kárason S Acta Anaesthesiol Scand 2000 44 : 571 Indice de surdistension : C 20/Cdyn Volume C 20 Cdyn Pression Kárason S Acta Anaesthesiol Scand 2001 45 : 173 0,8 Pmax

Protection pulmonaire et concept de poumon ouvert Comment surveiller au chevet du patient ? 1) PV-outils +/2) O 2 -réponse ? Brazelton TB Crit Care Med 2001 29 : 2349

La réponse à l'oxygène (limitations) Rapport P/F, administration d'oxygène et Crs pendant les étapes de PEP Lichtwarck-Aschoff M AJRCCM 2000 182 : 2125 -32

La réponse d'oxygénation : peut-elle être utilisée ? Effets PEP et Vt dans la conformité « statique » de l'ALI : Cst = volume courant PIP statique (Pplat) - PEP Burns D J Trauma 2001 51 : 1177 -81 Recrutement Surdistension

TV constante : Plateau - PEP [ ] PEP Plateau Pression des voies aériennes [cm. H 2 O] 50 Surdistension prévalente Équilibre Recrutement prédominant 40 25 30 15 20 15 10 15 20 0 0 5 10 15 20 PEP [cm H 2 O] L. Gattinoni, 2003

VT constant : Pa. CO 2 et Pa. O 2 Surdistension prédominante Pa. CO 2 Pa. O 2 100 Bilan Recrutement prédominant [mm. Hg] 80 60 40 20 0 0 5 10 PEP [cm. H 2 O] 15 20 L. Gattinoni, 2003

Amélioration de l'O 2 = Amélioration du shunt = a) recrutement VA Pa. O 2 Pa. CO 2 b) dérivation du flux VA Pa. O 2 Pa. CO 2 L. Gattinoni, 2003

Surgonflage répandu = effet espace mort 1 2 1 1 1 – PEP 0 PEP 20 Pa. O 2 et Pa. CO 2 augmentation L. Gattinoni, 2003

Titrage PEP Réponse CO 2 La surdistension commence PEP 25 Oxygénation PEP 20 PEP 15 PEP 10

Le concept du poumon ouvert : Conformité dynamique maximale et meilleure oxygénation à la pression minimale requise 25/10 Pas de 5 cm. H 2 O à 40/25 Ventilation à pression contrôlée 25/10 Fin du surgonflage Le surgonflage commence

Surveillance continue des gaz du sang pendant le HFO 12 11 10 9 11 CDP : 13 Surdistension Collapse

PECO 2 PETCO 2 PCO 2 cascade PACO 2 Poumon ventilé/ perfusé Pc. CO 2 Pv. CO 2 VD/VT alvéolaire VD/VT anatomique VCO 2 Pa. CO 2 Pv. CO 2 L. Gattinoni, 2003

Échange gazeux idéal PCO alvéolaire 2 = PCO 2 artériel SANS SHUNT PCO alvéolaire 2 = PCO 2 de fin d'expiration SANS VD/VT ALVÉOLAIRE PCO 2 de fin d'expiration PCO artériel 2 = 1

Traçage au CO 2 à une seule respiration Phase III II Phase de gaz alvéolaire Montée rapide en forme de S I -CO appelé plateau = gaz = mais à partir du lavage, les voies aériennes de convection remontent progressivement en raison des voies aériennes 2 -libres avec le gaz alvéolaire a) vidange séquentielle des régions pulmonaires avec différents rapports V/Q b) au sein des unités discordance V/Q secondaire à un mélange gazeux incomplet Modifié à partir de « The Single Breath test for carbon dioxyde » par Roger Fletcher (1986) c) la libération continue de CO 2 dans les alvéoles pendant l'expiration

CO 2 dans la surveillance ventilatoire et. Valeur d'expiration du CO 2 Fe. CO 2 fraction de CO 2 dans le gaz expiré VCO élimination en 2 minutes (« production ») VTCO 2 élimination marée

Capnographie volumétrique (NICO 2) Analyse de CO 2 à une seule respiration Validée par rapport à un analyseur métabolique par Kallet et al, Resp Care 2005 et utilisée dans de nombreuses études pour les mesures de fraction d'espace mort

Capnographie volumétrique Analyse du CO 2 à une seule respiration CO 2 et volume au lieu du CO 2 et capnogramme temporel

Capnographie volumétrique Analyse du CO 2 à une respiration III II I

Indicateur de surdistension pulmonaire pendant le titrage de la PEP Pression optimale des voies respiratoires en fin d'expiration chez les patients atteints d'insuffisance pulmonaire aiguë Suter PM, Fairley HB, Isenberg MD. NEJM 1975 Best PEEP correspond à la fraction d'espace mort la plus faible et à la conformité la plus élevée

Indicateur de surdistension pulmonaire pendant le titrage de la PEP Effets de la PEP sur l'espace mort et ses partitions dans ALI Beydon L, et al. Inten Care Med 2002 L'espace mort anatomique a légèrement augmenté avec la PEP L'espace mort alvéolaire ne variait pas systématiquement avec la PEP Chez certains patients, une diminution ou une augmentation de l'espace mort alvéolaire était parallèle à une réponse positive ou négative à la PEP en ce qui concerne l'oxygénation

VT PIP / PEP Cdyn 207 25/6 11. 1 117 24/12 9. 6 239 40/12 8. 6 120 15/8 18. 5 263 40/12 9. 6 117 17/10 17. 3

Protection pulmonaire et concept de poumon ouvert Comment surveiller au chevet du patient ? 1) Outils PV +/2) Réponse O 2 - + CO 2 3) TDM thoracique et méthodes d'imagerie ? Gattinoni L AJRCCM 2001 164 : 1701-1711

Informations provenant d'études tomodensitométriques : hétérogénéité pulmonaire et collapsus et décollement intratidal Dans le cas d'une lésion pulmonaire hétérogène, le comportement d'inflation est hétérogène PA = 35 cm. H 2 O Adapté de Suter P NEJM 1975 292 : 284 -289 PA = 15 cm. H2O

CT pour assurer une distribution plus homogène du volume pulmonaire Barbas C Curr Opin Crit Care 2005 11 : 18–28 Barabs

aération CT normale mal aérée - et comment détecter une surdistension ? Atténuations CT diffuses Aux niveaux ZEEP et 2 PEP normal faiblement localisé Atténuations CT focales Rouby JJ AJRCCM 2002 165 : 1182 -6

Tomographie par impédance électrique (EIT) Frerichs I et al. J Appl Physiol 2002 93 : 660– 666 Répartition des volumes Frerichs I, Dargaville P, Rimensberger PC Intensive Care Med 2003 29 : 2312 -6

Distribution du volume Distribution du volume courant Frerichs I, Dargaville P, Rimensberger PC Intensive Care Med 2003 29 : 2312 -6

EIT pour assurer une distribution plus homogène du volume pulmonaire Barbas C Curr Opin Crit Care 2005 11 : 18–28 Barabs

Concepts de surveillance respiratoire dans l'USI Système de contrôle Outil de diagnostic 1. Assurer le transfert/l'échange de gaz. 2. Assurer l'administration de Vt (caractéristiques de la courbe V-t / P -t) Propriétés biomécaniques des poumons et des voies respiratoires Améliorer les résultats Éviter les erreurs/incidents Améliorer la compréhension des maladies pulmonaires et de l'interaction ventilateur-patient

De la surveillance respiratoire classique au suivi des changements de volume thoracique pendant les manœuvres de ventilation 1. Mesures du débit, du volume et de la pression 2. Méthodes pression-volume : statique vs dynamique observer les changements de compliance dynamique 3. Réponse des échanges gazeux : p. O 2 et p. CO 2 4. Méthodes de mesure du volume pulmonaire : RIP, méthodes de dilution, CT / IRM / EIT 5. Distribution du volume courant : EIT


Échange de gaz dans les organismes

De nombreux organismes ont des caractéristiques différentes qui leur permettent de survivre et d'effectuer efficacement des échanges gazeux. Les organismes unicellulaires, tels que les bactéries et les protozoaires, sont en contact permanent avec leur environnement extérieur. Pour eux, les échanges gazeux se font par diffusion à travers leurs membranes. Même dans les organismes multicellulaires simples, tels que les algues vertes, leurs cellules peuvent être proches de l'environnement et les échanges gazeux peuvent se produire facilement. Chez les organismes plus grands, par exemple les animaux, les échanges gazeux suivent le même schéma général que chez les plantes. L'oxygène et le dioxyde de carbone se déplacent par diffusion à travers des membranes humides. Chez les animaux simples, l'échange se fait directement avec l'environnement. Mais avec des animaux complexes, comme les mammifères, l'échange se fait entre l'environnement et le sang. Le sang transporte ensuite l'oxygène vers les cellules profondément enfouies et transporte le dioxyde de carbone vers l'endroit où il peut être éliminé du corps. Chez l'homme, le système d'organes d'échange de gaz est connu sous le nom de système respiratoire ou respiratoire. La surface respiratoire réelle se trouve sur les alvéoles à l'intérieur des poumons. Un adulte moyen possède environ 600 millions d'alvéoles, soit une surface totale d'environ 100 m², la superficie est donc immense. Les parois des alvéoles sont composées d'une seule couche de cellules épithéliales aplaties, tout comme les parois des capillaires, de sorte que les gaz doivent diffuser à travers seulement deux cellules minces. L'eau diffuse des alvéoles cellulaires dans les alvéoles afin qu'elles soient constamment humides. L'oxygène se dissout dans cette eau avant de diffuser à travers les cellules dans le sang, où il est absorbé par l'hémoglobine dans les globules rouges. L'hémoglobine est une protéine porteuse d'oxygène qui est composée de 4 groupes « Haem » qui se lient chacun à 1 molécule d'oxygène. Les globules rouges sont des paquets d'hémoglobine avec quelques enzymes qui aident l'hémoglobine à charger et à décharger efficacement l'oxygène. ***** Le gradient de concentration abrupt à travers la surface respiratoire est maintenu de deux manières.


Contenu

La production de chaleur du corps est connue sous le nom de thermogenèse et elle peut être mesurée pour déterminer la quantité d'énergie dépensée. Le BMR diminue généralement avec l'âge et avec la diminution de la masse corporelle maigre (comme cela peut arriver avec le vieillissement). L'augmentation de la masse musculaire a pour effet d'augmenter le BMR. Le niveau de forme aérobie (résistance), un produit de l'exercice cardiovasculaire, bien qu'il ait été précédemment pensé pour avoir un effet sur le BMR, il a été démontré dans les années 1990 qu'il n'était pas en corrélation avec le BMR lorsqu'il était ajusté pour la masse corporelle sans graisse. [ citation requise ] Mais l'exercice anaérobie augmente la consommation d'énergie au repos (voir « exercice aérobie vs. anaérobie »). [5] La maladie, les aliments et les boissons déjà consommés, la température ambiante et les niveaux de stress peuvent affecter la dépense énergétique globale ainsi que le BMR.

Le BMR est mesuré dans des circonstances très restrictives lorsqu'une personne est éveillée. Une mesure précise du BMR nécessite que le système nerveux sympathique de la personne ne soit pas stimulé, une condition qui nécessite un repos complet. Une mesure plus courante, qui utilise des critères moins stricts, est le taux métabolique au repos (RMR). [6]

Le BMR peut être mesuré par analyse de gaz par calorimétrie directe ou indirecte, bien qu'une estimation approximative puisse être acquise par une équation utilisant l'âge, le sexe, la taille et le poids. Les études du métabolisme énergétique utilisant les deux méthodes fournissent des preuves convaincantes de la validité du quotient respiratoire (QR), qui mesure la composition inhérente et l'utilisation des glucides, des graisses et des protéines lorsqu'ils sont convertis en unités de substrat énergétique qui peuvent être utilisées par le corps comme énergie.

Le BMR est un trait flexible (il peut être ajusté de manière réversible au sein des individus), avec, par exemple, des températures plus basses entraînant généralement des taux métaboliques basaux plus élevés pour les oiseaux [7] et les rongeurs. [8] Il existe deux modèles pour expliquer comment le BMR change en réponse à la température : le modèle à maximum variable (VMM) et le modèle à fraction variable (VFM). Le VMM indique que le métabolisme au sommet (ou le taux métabolique maximal en réponse au froid) augmente pendant l'hiver, et que le métabolisme soutenu (ou le taux métabolique qui peut être maintenu indéfiniment) reste une fraction constante du premier. Le VFM dit que le métabolisme du sommet ne change pas, mais que le métabolisme soutenu en est une fraction plus importante. Le VMM est pris en charge chez les mammifères et, lors de l'utilisation des taux corps entier, chez les passereaux. La VFM est étayée par des études sur les passereaux utilisant des taux métaboliques spécifiques à la masse (ou taux métaboliques par unité de masse). Cette dernière mesure a été critiquée par Eric Liknes, Sarah Scott et David Swanson, qui disent que les taux métaboliques spécifiques à la masse sont incohérents selon les saisons. [9]

En plus de s'ajuster à la température, le BMR peut également s'ajuster avant les cycles de migration annuels. [7] Le bécasseau maubèche (ssp. islandique) augmente son BMR d'environ 40 % avant de migrer vers le nord. Cela est dû à la demande énergétique des vols longue distance. L'augmentation est probablement principalement due à l'augmentation de la masse des organes liés au vol. [10] La destination finale des migrants affecte leur BMR : les parulines à croupion jaune migrant vers le nord ont un BMR 31% plus élevé que celles migrant vers le sud. [7]

Chez l'homme, le BMR est directement proportionnel à la masse corporelle maigre d'une personne. [11] [12] En d'autres termes, plus une personne a de masse corporelle maigre, plus son BMR est élevé, mais le BMR est également affecté par les maladies aiguës et augmente avec des conditions telles que des brûlures, des fractures, des infections, des fièvres, etc. [12] Dans femmes menstruées, BMR varie dans une certaine mesure avec les phases de leur cycle menstruel. En raison de l'augmentation de la progestérone, le BMR augmente au début de la phase lutéale et reste à son maximum jusqu'à la fin de cette phase. Il y a différentes découvertes dans la recherche sur l'ampleur de l'augmentation qui se produit habituellement. Un petit échantillon, les premières études, ont trouvé divers chiffres, tels qu'un métabolisme de sommeil postovulatoire supérieur de 6 %, [13] une dépense de 7 à 15 % plus élevée sur 24 heures après l'ovulation, [14] et une augmentation et une augmentation du BMR de la phase lutéale jusqu'à à 12%. [15] [16] Une étude de l'American Society of Clinical Nutrition a révélé qu'un groupe expérimental de femmes volontaires présentait une augmentation moyenne de 11,5% de la dépense énergétique de 24 heures au cours des deux semaines suivant l'ovulation, avec une fourchette de 8% à 16% . Ce groupe a été mesuré par calorimétrie à la fois directe et indirecte et avait des repas quotidiens standardisés et un horaire sédentaire afin d'éviter que l'augmentation ne soit manipulée par un changement dans la prise alimentaire ou le niveau d'activité. [17] Une étude de 2011 menée par le Mandya Institute of Medical Sciences a révélé que pendant la phase folliculaire et le cycle menstruel d'une femme, il n'y a pas de différence significative dans le BMR, cependant les calories brûlées par heure sont significativement plus élevées, jusqu'à 18%, pendant la phase lutéale .L'augmentation de l'anxiété d'état (niveau de stress) a également temporairement augmenté le BMR. [18]

Les premiers travaux des scientifiques J. Arthur Harris et Francis G. Benedict ont montré que des valeurs approximatives pour le BMR pouvaient être dérivées en utilisant la surface corporelle (calculée à partir de la taille et du poids), l'âge et le sexe, ainsi que les mesures d'oxygène et de dioxyde de carbone prises. de la calorimétrie. Des études ont également montré qu'en éliminant les différences entre les sexes qui se produisent avec l'accumulation de tissu adipeux en exprimant le taux métabolique par unité de masse corporelle «sans graisse» ou maigre, les valeurs entre les sexes pour le métabolisme de base sont essentiellement les mêmes. Les manuels de physiologie de l'exercice ont des tableaux pour montrer la conversion de la taille et de la surface corporelle en fonction du poids et des valeurs métaboliques basales.

Le principal organe responsable de la régulation du métabolisme est l'hypothalamus. L'hypothalamus est situé sur le diencéphale et forme le plancher et une partie des parois latérales du troisième ventricule du cerveau. Les principales fonctions de l'hypothalamus sont :

  1. contrôle et intégration des activités du système nerveux autonome (SNA)
    • Le SNA régule la contraction des muscles lisses et du muscle cardiaque, ainsi que les sécrétions de nombreux organes endocriniens tels que la glande thyroïde (associée à de nombreux troubles métaboliques).
    • Grâce au SNA, l'hypothalamus est le principal régulateur des activités viscérales, telles que la fréquence cardiaque, le mouvement des aliments dans le tractus gastro-intestinal et la contraction de la vessie.
  2. production et régulation des sentiments de rage et d'agressivité
  3. régulation de la température corporelle
  4. régulation de la prise alimentaire, à travers deux centres :
    • Le centre d'alimentation ou centre de la faim est responsable des sensations qui nous poussent à chercher de la nourriture. Lorsque suffisamment de nourriture ou de substrats ont été reçus et que la leptine est élevée, le centre de satiété est stimulé et envoie des impulsions qui inhibent le centre d'alimentation. Lorsque la nourriture est insuffisante dans l'estomac et que les niveaux de ghréline sont élevés, les récepteurs de l'hypothalamus déclenchent la sensation de faim.
    • Le centre de la soif fonctionne de manière similaire lorsque certaines cellules de l'hypothalamus sont stimulées par la pression osmotique croissante du liquide extracellulaire. Si la soif est satisfaite, la pression osmotique diminue.

Toutes ces fonctions prises ensemble forment un mécanisme de survie qui nous amène à soutenir les processus corporels mesurés par BMR.

Formules d'estimation du BMR Modifier

Plusieurs équations pour prédire le nombre de calories nécessaires à l'homme ont été publiées du début du 20e au 21e siècle. Dans chacune des formules ci-dessous :

  • P est la production totale de chaleur au repos complet,
  • m est la masse (kg),
  • h est la hauteur (cm), et
  • une est l'âge (années), [19]

Historiquement, la formule la plus notable était l'équation Harris-Benedict, qui a été publiée en 1919.

    pour les hommes, P = ( 13,7516 m 1 kg + 5,0033 h 1 cm − 6,7550 a 1 an + 66,4730 ) kcal jour <1

La différence de BMR pour les hommes et les femmes est principalement due aux différences de poids corporel. Par exemple, une femme de 55 ans pesant 130 lb (59 kg) et mesurant 5 pieds 6 pouces (168 cm) aurait un BMR de 1272 kcal par jour.

L'équation Harris-Benedict révisée

En 1984, les équations originales de Harris-Benedict ont été révisées [20] en utilisant de nouvelles données. En comparaison avec les dépenses réelles, les équations révisées se sont avérées plus précises. [21]

    pour les hommes, P = ( 13.397 m 1 kg + 4.799 h 1 cm − 5.677 a 1 an + 88.362 ) kcal jour <1

C'était la meilleure équation de prédiction jusqu'en 1990, lorsque Mifflin et al. [22] ont introduit l'équation :

    P = ( 10,0 m 1 kg + 6,25 h 1 cm − 5,0 a 1 an + s ) kcal jour <1

Selon cette formule, la femme de l'exemple ci-dessus a un BMR de 1204 kcal par jour. Au cours des 100 dernières années, les modes de vie ont changé et Frankenfield et al. [23] ont montré qu'il était environ 5 % plus précis.

Ces formules sont basées sur le poids corporel, qui ne prend pas en compte la différence d'activité métabolique entre la masse maigre et la graisse corporelle. D'autres formules existent qui prennent en compte la masse corporelle maigre, dont deux sont la formule de Katch-McArdle et la formule de Cunningham.

La formule Katch-McArdle (dépense énergétique quotidienne au repos)

La formule de Katch-McArdle est utilisée pour prédire la dépense énergétique quotidienne au repos (RDEE). [24] La formule de Cunningham est couramment citée pour prédire le RMR au lieu du BMR, cependant, les formules fournies par Katch-McArdle et Cunningham sont les mêmes. [25]

?? est la masse corporelle maigre (LBM en kg)

F est le pourcentage de graisse corporelle. Selon cette formule, si la femme de l'exemple a un pourcentage de graisse corporelle de 30%, sa dépense énergétique quotidienne au repos (les auteurs utilisent le terme de métabolisme basal et de repos indifféremment) serait de 1262 kcal par jour.

Causes des différences individuelles dans le BMR Modifier

Le taux métabolique de base varie selon les individus. Une étude portant sur 150 adultes représentatifs de la population en Écosse a signalé des taux métaboliques basaux allant de 1027 kcal par jour (4301 kJ/jour) à 2499 kcal/jour (10455 kJ/jour) avec un BMR moyen de 1500 kcal /jour (6279 kJ/jour). Statistiquement, les chercheurs ont calculé que 62,3% de cette variation s'expliquaient par des différences de masse sans graisse. D'autres facteurs expliquant la variation comprenaient la masse grasse (6,7 %), l'âge (1,7 %) et l'erreur expérimentale, y compris la différence intra-sujet (2 %). Le reste de la variation (26,7 %) était inexpliqué. Cette différence résiduelle n'était pas expliquée par le sexe ni par la taille différente des tissus des organes hautement énergétiques tels que le cerveau. [26]

Des différences de BMR ont été observées lors de la comparaison des sujets avec le même masse corporelle mince. Dans une étude, lorsque l'on compare des individus ayant la même masse corporelle maigre, les 5 % supérieurs des BMR sont de 1,28 à 1,32 fois les 5 % les plus bas BMR. [27] De plus, cette étude rapporte un cas où deux individus avec la même masse corporelle maigre de 43 kg avaient des BMR de 1075 kcal/jour (4,5 MJ/jour) et de 1790 kcal/jour (7,5 MJ/jour). Cette différence de 715 kcal/jour (67 %) équivaut à l'un des individus effectuant une course de 10 kilomètres chaque jour. [27] Cependant, cette étude n'a pas tenu compte du sexe, de la taille, de l'état de jeûne ou du pourcentage de graisse corporelle des sujets.

Environ 70 % de la dépense énergétique totale d'un être humain est due aux processus vitaux basaux qui se déroulent dans les organes du corps (voir tableau). Environ 20 % de la dépense énergétique d'une personne provient de l'activité physique et 10 % de la thermogenèse, ou digestion des aliments (thermogenèse postprandiale). [29] Tous ces processus nécessitent un apport d'oxygène ainsi que des coenzymes pour fournir de l'énergie pour la survie (généralement à partir de macronutriments comme les glucides, les graisses et les protéines) et expulser le dioxyde de carbone, en raison du traitement par le cycle de Krebs.

Pour le BMR, la majeure partie de l'énergie est consommée pour maintenir les niveaux de liquide dans les tissus par osmorégulation, et seulement environ un dixième est consommée pour le travail mécanique, tel que la digestion, le rythme cardiaque et la respiration. [30]

Ce qui permet au cycle de Krebs d'effectuer des changements métaboliques dans les graisses, les glucides et les protéines, c'est l'énergie, qui peut être définie comme la capacité ou la capacité de travailler. La décomposition de grosses molécules en molécules plus petites, associée à la libération d'énergie, est le catabolisme. Le processus de construction est appelé anabolisme. La décomposition des protéines en acides aminés est un exemple de catabolisme, tandis que la formation de protéines à partir d'acides aminés est un processus anabolique.

Les réactions exergoniques sont des réactions de libération d'énergie et sont généralement cataboliques. Les réactions endergoniques nécessitent de l'énergie et comprennent des réactions anaboliques et la contraction des muscles. Le métabolisme est le total de toutes les réactions cataboliques, exergoniques, anaboliques, endergoniques.

L'adénosine triphosphate (ATP) est la molécule intermédiaire qui entraîne le transfert exergonique d'énergie pour passer aux réactions anaboliques endergoniques utilisées dans la contraction musculaire. C'est ce qui fait travailler les muscles qui peuvent nécessiter un claquage, mais aussi la construction de la période de repos, qui intervient lors de la phase de renforcement associée à la contraction musculaire. L'ATP est composé d'adénine, une base contenant de l'azote, de ribose, d'un sucre à cinq atomes de carbone (collectivement appelé adénosine) et de trois groupes phosphate. L'ATP est une molécule à haute énergie car elle stocke de grandes quantités d'énergie dans les liaisons chimiques des deux groupes phosphate terminaux. La rupture de ces liaisons chimiques dans le cycle de Krebs fournit l'énergie nécessaire à la contraction musculaire.

Glucose Modifier

Parce que le rapport des atomes d'hydrogène aux atomes d'oxygène dans tous les glucides est toujours le même que celui de l'eau, c'est-à-dire 2 pour 1, tout l'oxygène consommé par les cellules est utilisé pour oxyder le carbone dans la molécule de glucides pour former du dioxyde de carbone. Par conséquent, lors de l'oxydation complète d'une molécule de glucose, six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau sont produites et six molécules d'oxygène sont consommées.

L'équation globale de cette réaction est :

(30-32 molécules d'ATP produites selon le type de navette mitochondriale, 5-5.33 molécules d'ATP par molécule d'oxygène)

Parce que les échanges gazeux dans cette réaction sont égaux, le quotient respiratoire (Q.R.) pour les glucides est l'unité ou 1,0 :

Graisses Modifier

La composition chimique des graisses diffère de celle des glucides en ce que les graisses contiennent considérablement moins d'atomes d'oxygène par rapport aux atomes de carbone et d'hydrogène. Lorsqu'ils sont répertoriés dans les tableaux d'information nutritionnelle, les graisses sont généralement divisées en six catégories : les graisses totales, les acides gras saturés, les acides gras polyinsaturés, les acides gras monoinsaturés, le cholestérol alimentaire et les acides gras trans. D'un point de vue métabolique basal ou métabolique au repos, il faut plus d'énergie pour brûler un acide gras saturé qu'un acide gras insaturé. La molécule d'acide gras est décomposée et classée en fonction du nombre d'atomes de carbone dans sa structure moléculaire. L'équation chimique pour le métabolisme des douze à seize atomes de carbone dans une molécule d'acide gras saturé montre la différence entre le métabolisme des glucides et des acides gras. L'acide palmitique est un exemple couramment étudié de la molécule d'acide gras saturé.

L'équation globale pour l'utilisation du substrat de l'acide palmitique est :

(106 molécules d'ATP produites, 4,61 molécules d'ATP par molécule d'oxygène)

Ainsi le R.Q. pour l'acide palmitique est de 0,696 :

Protéines Modifier

Les protéines sont composées de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote disposés de diverses manières pour former une grande combinaison d'acides aminés. Contrairement à la graisse, le corps n'a pas de dépôts de stockage de protéines. Tout cela est contenu dans le corps en tant que parties importantes des tissus, des hormones sanguines et des enzymes. Les composants structurels du corps qui contiennent ces acides aminés subissent continuellement un processus de dégradation et de remplacement. Le quotient respiratoire pour le métabolisme des protéines peut être démontré par l'équation chimique de l'oxydation de l'albumine :

C 72 H 112 N 18 O 22 S + 77 O 2 ⟶ 63 CO 2 + 38 H 2 O + SO 3 + 9 CO ( NH 2 ) 2 >>

Le R.Q. pour l'albumine est de 0,818 :

La raison pour laquelle cela est important dans le processus de compréhension du métabolisme des protéines est que le corps peut mélanger les trois macronutriments et, sur la base de la densité mitochondriale, un rapport préféré peut être établi qui détermine la quantité de carburant utilisée dans quels paquets pour le travail accompli par les muscles . On estime que le catabolisme des protéines (dégradation) fournit 10 à 15 % des besoins énergétiques totaux au cours d'une séance d'entraînement aérobie de deux heures. Ce processus pourrait gravement dégrader les structures protéiques nécessaires au maintien de la survie, telles que les propriétés contractiles des protéines dans le cœur, les mitochondries cellulaires, le stockage de la myoglobine et les enzymes métaboliques dans les muscles.

Le système oxydatif (aérobie) est la principale source d'ATP fournie à l'organisme au repos et lors d'activités de faible intensité et utilise principalement des glucides et des graisses comme substrats. Les protéines ne sont normalement pas métabolisées de manière significative, sauf pendant la famine à long terme et les longues périodes d'exercice (plus de 90 minutes). Au repos, environ 70 % de l'ATP produit est dérivé des graisses et 30 % des glucides. Après le début de l'activité, à mesure que l'intensité de l'exercice augmente, il y a un changement dans la préférence de substrat des graisses aux glucides. Au cours d'exercices aérobiques de haute intensité, presque 100 % de l'énergie provient des glucides, si un approvisionnement adéquat est disponible.

Exercice aérobie vs. anaérobie Modifier

Des études publiées en 1992 [31] et 1997 [32] indiquent que le niveau de capacité aérobie d'un individu n'a aucune corrélation avec le niveau de métabolisme au repos. Les deux études constatent que les niveaux de forme aérobie n'améliorent pas le pouvoir prédictif de la masse sans graisse pour le taux métabolique au repos.

Cependant, des recherches récentes du Journal of Applied Physiology, publiées en 2012, [33] ont comparé l'entraînement en résistance et l'entraînement aérobie sur la masse corporelle et la masse grasse chez les adultes en surpoids (STRRIDE AT/RT). Lorsque vous considérez les engagements de temps par rapport aux avantages pour la santé, l'entraînement aérobie est le mode d'exercice optimal pour réduire la masse grasse et la masse corporelle en tant que considération principale, l'entraînement en résistance est un bon facteur secondaire lorsque le vieillissement et la masse maigre sont une préoccupation. L'entraînement en résistance provoque des blessures à un taux beaucoup plus élevé que l'entraînement aérobie. [33] Par rapport à l'entraînement contre résistance, il a été constaté que l'entraînement aérobie entraînait une réduction significativement plus prononcée du poids corporel en améliorant le système cardiovasculaire, qui est le principal facteur d'utilisation métabolique des substrats adipeux. L'entraînement en résistance si le temps est disponible est également utile dans le métabolisme post-exercice, mais c'est un facteur d'appoint car le corps a besoin de guérir suffisamment entre les épisodes d'entraînement en résistance, alors qu'avec l'entraînement aérobie, le corps peut l'accepter tous les jours. RMR et BMR sont des mesures de la consommation quotidienne de calories. [34] [33] La majorité des études publiées sur ce sujet examinent l'exercice aérobie en raison de son efficacité pour la santé et la gestion du poids.

Les exercices anaérobies, tels que l'haltérophilie, renforcent la masse musculaire. Le muscle contribue à la masse maigre d'un individu et, par conséquent, les résultats efficaces de l'exercice anaérobie augmenteront le BMR. [35] Cependant, l'effet réel sur le BMR est controversé et difficile à énumérer. Diverses études [36] [37] suggèrent que le taux métabolique au repos du muscle entraîné est d'environ 55 kJ par kilogramme et par jour. Même une augmentation substantielle de la masse musculaire, disons 5 kg, n'aurait qu'un impact mineur sur le BMR.

En 1926, Raymond Pearl a proposé que la longévité varie inversement avec le taux métabolique basal (l'« hypothèse du taux de vie »). Le support de cette hypothèse vient du fait que les mammifères avec une plus grande taille corporelle ont une durée de vie maximale plus longue (les grands animaux ont des taux métaboliques totaux plus élevés, mais le taux métabolique au niveau cellulaire est beaucoup plus faible, et le rythme respiratoire et le rythme cardiaque sont plus lents dans animaux plus gros) et le fait que la longévité des mouches des fruits varie en raison inverse de la température ambiante. [38] De plus, la durée de vie des mouches domestiques peut être prolongée en empêchant l'activité physique. [39] Cette théorie a été renforcée par plusieurs nouvelles études liant un taux métabolique basal inférieur à une espérance de vie accrue, dans tout le règne animal, y compris les humains. La restriction calorique et les taux réduits d'hormones thyroïdiennes, qui diminuent tous deux le taux métabolique, ont été associés à une longévité plus élevée chez les animaux. [40] [41] [42] [43]

Cependant, le rapport entre la dépense énergétique quotidienne totale et le taux métabolique au repos peut varier entre 1,6 et 8,0 entre les espèces de mammifères. Les animaux varient également dans le degré de couplage entre la phosphorylation oxydative et la production d'ATP, la quantité de graisses saturées dans les membranes mitochondriales, la quantité de réparation de l'ADN et de nombreux autres facteurs qui affectent la durée de vie maximale. [44]

Longévité de l'organisme et taux métabolique basal Modifier

Dans l'échelle allométrique, la durée de vie potentielle maximale (MPLS) est directement liée au taux métabolique (MR), où MR est le taux de recharge d'une biomasse constituée de liaisons covalentes. Cette biomasse (W) est soumise à une détérioration au cours du temps à cause de la pression entropique thermodynamique. Le métabolisme est essentiellement compris comme un couplage redox et n'a rien à voir avec la thermogenèse. L'efficacité métabolique (ME) est alors exprimée comme l'efficacité de ce couplage, un rapport d'ampères [ éclaircissements nécessaires ] capturé et utilisé par la biomasse, aux ampères disponibles à cet effet. MR est mesuré en watts, W est mesuré en grammes. Ces facteurs sont combinés dans une loi de puissance, une élaboration de la loi de Kleiber reliant MR à W et MPLS, qui apparaît comme MR = W^ (4ME-1)/4ME. [ éclaircissements nécessaires ] Lorsque ME est de 100 %, MR = W^3/4, c'est ce qu'on appelle communément la mise à l'échelle au quart de la puissance, une version de la mise à l'échelle allométrique qui repose sur des estimations irréalistes de l'efficacité biologique.

L'équation révèle que lorsque ME tombe en dessous de 20%, pour W < un gramme, MR/MPLS augmente si considérablement qu'il confère à W une immortalité virtuelle de 16%. Plus le W est petit au départ, plus l'augmentation du MR est spectaculaire à mesure que le ME diminue. Toutes les cellules d'un organisme entrent dans cette plage, c'est-à-dire moins d'un gramme, et donc ce MR sera appelé BMR.

Mais l'équation révèle que lorsque ME augmente de plus de 25 %, le BMR approche de zéro. L'équation montre également que pour tout W > un gramme, où W est l'organisation de tous les BMR de la structure de l'organisme, mais inclut également l'activité de la structure, car ME augmente de plus de 25%, MR/MPLS augmente plutôt que diminue , comme pour BMR. Un MR constitué d'une organisation de BMR sera appelé FMR. [ éclaircissements nécessaires ] Comme ME diminue en dessous de 25 %, FMR diminue plutôt qu'il n'augmente comme il le fait pour BMR.

L'antagonisme entre FMR et BMR est ce qui marque le processus de vieillissement de la biomasse W en termes énergétiques. L'EM de l'organisme est le même que celui des cellules, de sorte que le succès de la capacité de l'organisme à trouver de la nourriture (et à abaisser son EM) est essentiel pour maintenir le BMR des cellules entraînées, sinon, par la famine, à se rapprocher zéro alors qu'en même temps un ME plus faible diminue le FMR/MPLS de l'organisme. [ citation requise ]

Le métabolisme d'une personne varie en fonction de sa condition physique et de son activité. La musculation peut avoir un impact plus long sur le métabolisme que l'entraînement aérobie, mais il n'y a pas de formules mathématiques connues qui peuvent prédire exactement la longueur et la durée d'un métabolisme élevé à partir de changements trophiques avec l'entraînement neuromusculaire anabolique.

Une diminution de l'apport alimentaire réduira généralement le taux métabolique alors que le corps essaie de conserver l'énergie. [45] Le chercheur Gary Foster estime qu'un régime très pauvre en calories de moins de 800 calories par jour réduirait le taux métabolique de plus de 10 pour cent. [46]

Le taux métabolique peut être affecté par certains médicaments, tels que les agents antithyroïdiens, les médicaments utilisés pour traiter l'hyperthyroïdie, tels que le propylthiouracile et le méthimazole, ramener le taux métabolique à la normale et restaurer l'euthyroïdie. [ citation requise ] Quelques recherches [ lequel? ] s'est concentré sur le développement de médicaments anti-obésité pour augmenter le taux métabolique, tels que des médicaments pour stimuler la thermogenèse dans le muscle squelettique. [ citation requise ]

Le taux métabolique peut être élevé en cas de stress, de maladie et de diabète. La ménopause peut également affecter le métabolisme. [47]

La fréquence cardiaque est déterminée par la moelle allongée et une partie du pont, deux organes situés en dessous de l'hypothalamus sur le tronc cérébral. La fréquence cardiaque est importante pour le taux métabolique de base et le taux métabolique au repos, car elle stimule l'apport sanguin, stimulant le cycle de Krebs. [ citation requise ] Pendant l'exercice qui atteint le seuil anaérobie, il est possible de fournir les substrats souhaités pour une utilisation optimale de l'énergie. Le seuil anaérobie est défini comme le niveau d'utilisation d'énergie de l'effort de fréquence cardiaque qui se produit sans oxygène lors d'un test standardisé avec un protocole spécifique pour la précision de la mesure, [ citation requise ] comme le protocole Bruce Treadmill (voir l'équivalent métabolique de la tâche). Avec quatre à six semaines d'entraînement ciblé, les systèmes corporels peuvent s'adapter à une perfusion plus élevée de densité mitochondriale pour une disponibilité accrue en oxygène pour le cycle de Krebs, ou cycle tricarboxylique, ou cycle glycolytique. [ citation requise ] Cela entraîne à son tour une fréquence cardiaque au repos plus faible, une pression artérielle plus basse et une augmentation du taux métabolique au repos ou basal. [ citation requise ]

En mesurant la fréquence cardiaque, nous pouvons ensuite obtenir des estimations du niveau d'utilisation du substrat qui provoque réellement le métabolisme biochimique dans notre corps au repos ou en activité. [48] ​​Cela peut à son tour aider une personne à maintenir un niveau approprié de consommation et d'utilisation en étudiant une représentation graphique du seuil anaérobie. Ceci peut être confirmé par des tests sanguins et des analyses de gaz utilisant la calorimétrie directe ou indirecte pour montrer l'effet de l'utilisation du substrat. [ citation requise ] Les mesures du taux métabolique basal et du taux métabolique au repos deviennent des outils essentiels pour maintenir un poids corporel sain.


Diffusion : signification, perméabilité, membranes et importance | Botanique

Le mouvement des molécules de gaz, de liquides et de solides de la région de concentration plus élevée de la région de concentration plus faible est connu sous le nom de diffusion. Il peut se produire entre gaz et gaz, liquide et liquide, ou solide et liquide.

La diffusion peut également être définie comme le mouvement de molécules depuis des régions de pression partielle plus élevée vers des régions de pression partielle plus faible en raison de leur énergie cinétique inhérente. Par exemple, lorsqu'un morceau de sucre tombe dans un bécher contenant de l'eau, le sucre se dissout lentement et ses molécules se déplacent, sans être transportées par le courant, de la surface du cube vers d'autres parties de l'eau dans le bécher.

Après un certain temps, le morceau de sucre disparaît et les particules de sucre se répartissent uniformément dans l'eau (Fig. 1.1). Il en va de même pour les gaz : deux gaz libérés dans une chambre fermée se diffusent rapidement dans tout l'espace disponible et se mélangent intimement. Son fonctionnement est familier en ce qui concerne l'odeur.

La diffusion de molécules ou d'ions à travers une membrane est de deux types :

Les molécules ou ions diffusants ne se combinent pas avec les constituants de la membrane.

(b) Diffusion facilitée :

Les molécules diffusantes se déplacent à travers la membrane à l'aide de protéines de transport ou de protéines porteuses.

Pression de diffusion (DP):

Le terme a été inventé par Meyer (1938) pour désigner la capacité potentielle des molécules ou des ions de toute substance à diffuser d'une zone de leur concentration plus élevée à celle de leur concentration plus faible. La pression de diffusion est directement proportionnelle au nombre de particules diffusantes. Par conséquent, plus la concentration de molécules diffusantes dans un système est grande, plus leur diffusion sera également plus grande. L'eau pure (solvant) aurait une pression de diffusion plus élevée que la solution sucrée.

Facteurs affectant la diffusion:

La force de diffusion des molécules est leur énergie cinétique (c'est-à-dire leur potentiel chimique). Le phénomène de diffusion est donc considéré comme étant dû aux différences de potentiel chimique ou d'énergie libre des composants d'un système. Tous les facteurs qui modifient le potentiel chimique des molécules influenceront finalement le taux de diffusion.

Certains des facteurs importants sont indiqués ci-dessous :

(UNE) Gradient de pression de diffusion (DPG) :

Le taux de diffusion de toute substance est directement proportionnel à la différence de concentration de ses molécules ou ions dans les deux régions, et inversement proportionnel à la distance entre ces deux régions. Ainsi, les différences de pressions de diffusion déterminent la vitesse et la direction de diffusion.

La température influence fortement la vitesse de diffusion. Si la température est élevée, la diffusion est accélérée car la vitesse des particules diffusantes est augmentée.

La concentration des particules diffusantes et la densité du liquide ou du gaz à travers lequel se produit la diffusion influencent nettement la vitesse de diffusion. La densité du gaz diffusant elle-même détermine la vitesse de diffusion. Plus le gaz est léger, plus sa vitesse de diffusion sera grande. Selon la loi de diffusion des gaz, le taux de diffusion est inversement proportionnel à la racine carrée de la densité du gaz.

Selon la densité, la diffusion des substances s'effectue de la manière suivante :

Importance de la diffusion dans les plantes:

1. L'échange de gaz par les stomates (par exemple, le CO2 apport et O2 sortie pendant la photosynthèse, et CO2 sortie et O2 l'absorption pendant la respiration a lieu par le principe de la diffusion indépendante.

2. La transpiration implique le processus de diffusion.

3. Les ions sont absorbés par la simple diffusion pendant pas

4. La diffusion est un moyen efficace de transport de substances qui aide à la translocation de la matière alimentaire.

5. L'arôme au voisinage des fleurs n'est rien d'autre que la diffusion des composés aromatiques volatils. Ainsi, la diffusion contribue à attirer les insectes et autres animaux pour la pollinisation.

6. La diffusion maintient les parois cellulaires des tissus végétaux internes humides.

7. C'est un moyen de propagation d'ions et d'autres substances dans tout le protoplaste.

Importance de la diffusion :

1. Le processus de diffusion est impliqué dans la transpiration des vapeurs d'eau.

2. Les échanges gazeux au cours du processus de respiration et de photosynthèse s'effectuent à l'aide de la diffusion.

3. Pendant l'absorption passive du sel, les ions sont absorbés par le processus de diffusion.

4. Il aide également à la translocation des matières alimentaires.

5. Les échanges gazeux chez les hydrophytes submergés se font par la surface générale du corps (épiderme) par diffusion.

6. L'arôme des fleurs est dû à la diffusion de composés aromatiques volatils pour attirer les insectes.

Perméabilité et membranes :

La perméabilité est le degré de diffusion des gaz, des liquides et des substances dissoutes à travers une membrane. La capacité d'une substance à traverser une membrane est également appelée perméabilité. Une membrane peut être librement perméable pour une substance, modérément perméable pour la seconde et peut être complètement imperméable pour la troisième.

Sur cette base, les types de membranes suivants ont été reconnus :

1. Membrane librement perméable :

Ce type de membrane permet la libre circulation (passage) de diverses substances, telles que l'eau, d'autres solvants, divers ions et solutés dissous, par exemple la paroi cellulaire.

2. Membrane imperméable :

Ce type de membrane ne permet aucun type de mouvement à travers elle., par exemple, la paroi cellulaire cultivée –.

3. Membrane semi-perméable :

Ce type de membrane ne laisse passer que les particules de solvant. Il ne permet pas le mouvement des particules de soluté, par exemple, membrane d'œuf, vessie animale, membrane de parchemin. Ceux-ci peuvent également être préparés artificiellement.

4. Membrane à perméabilité sélective ou membrane à perméabilité différentielle :

Ces membranes ne laissent passer que certaines molécules sélectionnées (de soluté et de solvant). La plupart des membranes biologiques, telles que la membrane cellulaire, le tonoplaste (membrane vacuolaire) et la membrane entourant les organites sous-cellulaires sont sélectivement perméables. Ces membranes offrent un traitement différentiel à différents types de molécules. Certaines molécules se déplacent très rapidement, certaines se déplacent très lentement, tandis que d'autres ne bougent pas du tout. Une membrane non vivante sélectivement perméable est la cellophane.


La biologie

Le programme de textes et de médias en biologie les plus réussis au monde est meilleur que jamais !

La 11e édition du best-seller Campbell BIOLOGY met les étudiants sur la voie du succès en biologie grâce à son récit clair et engageant, ses compétences supérieures, son utilisation innovante de l'art et des photos et des ressources multimédias entièrement intégrées pour améliorer l'enseignement et l'apprentissage.

Pour inciter les apprenants à développer une compréhension plus approfondie de la biologie, la 11e édition les met au défi d'appliquer leurs connaissances et leurs compétences à une variété de nouvelles activités et exercices pratiques dans le texte et en ligne. Les mises à jour du contenu tout au long du texte reflètent l'évolution rapide de la recherche, et les nouveaux outils d'apprentissage incluent des exercices de résolution de problèmes, la visualisation de figures, des questions de compétences visuelles, etc.

Mastering Biology™ n'est pas inclus. Étudiants, si la maîtrise de la biologie est une composante recommandée/obligatoire du cours, veuillez demander à votre instructeur l'ISBN correct. Maîtriser la biologie ne doit être acheté que lorsque requis par un instructeur. Instructeurs, contactez votre représentant Pearson pour plus d'informations.

Mastering Biology est un programme de devoirs, de tutoriel et d'évaluation en ligne conçu pour travailler avec ce texte afin d'impliquer les étudiants et d'améliorer les résultats. Des tutoriels interactifs à votre rythme offrent un encadrement individualisé pour aider les étudiants à rester sur la bonne voie. Avec un large éventail d'activités disponibles, les étudiants peuvent activement apprendre, comprendre et retenir même les concepts les plus difficiles.

Pour les cours de biologie générale.

Caractéristiques

Concepts clés : Chaque chapitre de la 11e édition est organisé autour d'un cadre gérable de trois à six concepts clés qui fournissent le contexte pour les détails d'appui, aidant les élèves à distinguer la forêt des arbres.

  • Les concepts clés au début du chapitre orientent les étudiants vers les idées principales du chapitre.
    Mises à jour du contenu : mises à jour du contenu soigneusement sélectionnées tout au long du texte · Les têtes conceptuelles numérotées maintiennent les étudiants concentrés sur les idées principales au fur et à mesure qu'ils se déplacent dans le chapitre et permettent aux instructeurs d'attribuer facilement les sections sélectionnées.
  • Les questions de contrôle conceptuel à la fin de chaque section fournissent un cadre hiérarchique pour l'auto-évaluation.
  • Le résumé des concepts clés, qui comprend des diagrammes de synthèse et des questions, recentre les étudiants sur les points principaux.

Mises à jour du contenu : les mises à jour du contenu soigneusement sélectionnées tout au long du texte reflètent une recherche en évolution rapide dans les domaines de :


39.2 Échange de gaz à travers les surfaces respiratoires

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Nommer et décrire les volumes et capacités pulmonaires
  • Comprendre comment la pression du gaz influence la façon dont les gaz entrent et sortent du corps

La structure du poumon maximise sa surface pour augmenter la diffusion des gaz. En raison du nombre énorme d'alvéoles (environ 300 millions dans chaque poumon humain), la surface du poumon est très grande (75 m 2 ). Avoir une si grande surface augmente la quantité de gaz qui peut se diffuser dans et hors des poumons.

Principes de base de l'échange de gaz

Les échanges gazeux au cours de la respiration se produisent principalement par diffusion. La diffusion est un processus dans lequel le transport est entraîné par un gradient de concentration. Les molécules de gaz se déplacent d'une région de forte concentration à une région de faible concentration. Le sang à faible concentration d'oxygène et à forte concentration de dioxyde de carbone subit un échange gazeux avec l'air dans les poumons. L'air dans les poumons a une concentration en oxygène plus élevée que celle du sang appauvri en oxygène et une concentration plus faible en dioxyde de carbone. Ce gradient de concentration permet les échanges gazeux pendant la respiration.

La pression partielle est une mesure de la concentration des composants individuels dans un mélange de gaz. La pression totale exercée par le mélange est la somme des pressions partielles des composants du mélange. La vitesse de diffusion d'un gaz est proportionnelle à sa pression partielle au sein du mélange gazeux total. Ce concept est discuté plus en détail ci-dessous.

Volumes et capacités pulmonaires

Différents animaux ont des capacités pulmonaires différentes en fonction de leurs activités. Les guépards ont développé une capacité pulmonaire beaucoup plus élevée que les humains, cela aide à fournir de l'oxygène à tous les muscles du corps et leur permet de courir très vite. Les éléphants ont également une capacité pulmonaire élevée. Dans ce cas, ce n'est pas parce qu'ils courent vite mais parce qu'ils ont un corps volumineux et doivent pouvoir absorber de l'oxygène en fonction de leur corpulence.

La taille des poumons humains est déterminée par la génétique, le sexe et la taille. À capacité maximale, un poumon moyen peut contenir près de six litres d'air, mais les poumons ne fonctionnent généralement pas à leur capacité maximale. L'air dans les poumons est mesuré en termes de volumes pulmonaires et de capacités pulmonaires (Figure 39.12 et Tableau 39.1). Le volume mesure la quantité d'air pour une fonction (telle que l'inspiration ou l'expiration). La capacité correspond à deux volumes ou plus (par exemple, la quantité pouvant être inhalée à la fin d'une expiration maximale).

Le volume pulmonaire peut être divisé en quatre unités : volume courant, volume de réserve expiratoire, volume de réserve inspiratoire et volume résiduel. Le volume courant (TV) mesure la quantité d'air inspiré et expiré au cours d'une respiration normale. En moyenne, ce volume est d'environ un demi-litre, ce qui est un peu moins que la capacité d'une bouteille de 20 onces. Le volume de réserve expiratoire (VRE) est la quantité d'air supplémentaire qui peut être expirée après une expiration normale. C'est le montant de la réserve qui peut être expiré au-delà de ce qui est normal. Inversement, le volume de réserve inspiratoire (VRI) est la quantité d'air supplémentaire qui peut être inhalée après une inhalation normale. Le volume résiduel (VR) est la quantité d'air qui reste après l'expiration du volume de réserve expiratoire. Les poumons ne sont jamais complètement vides : il reste toujours de l'air dans les poumons après une expiration maximale. Si ce volume résiduel n'existait pas et que les poumons se vidaient complètement, les tissus pulmonaires se colleraient et l'énergie nécessaire pour regonfler le poumon pourrait être trop importante pour être surmontée. Par conséquent, il reste toujours de l'air dans les poumons. Le volume résiduel est également important pour éviter de grandes fluctuations des gaz respiratoires (O2 et Cie2). Le volume résiduel est le seul volume pulmonaire qui ne peut pas être mesuré directement car il est impossible de vider complètement le poumon d'air. Ce volume ne peut être calculé que mesuré.

Les capacités sont des mesures de deux ou plusieurs volumes. La capacité vitale (CV) mesure la quantité maximale d'air pouvant être inhalée ou expirée au cours d'un cycle respiratoire. C'est la somme du volume de réserve expiratoire, du volume courant et du volume de réserve inspiratoire. La capacité inspiratoire (CI) est la quantité d'air qui peut être inhalée après la fin d'une expiration normale. C'est donc la somme du volume courant et du volume de réserve inspiratoire. La capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) comprend le volume de réserve expiratoire et le volume résiduel. Le FRC mesure la quantité d'air supplémentaire qui peut être expirée après une expiration normale. Enfin, la capacité pulmonaire totale (TLC) est une mesure de la quantité totale d'air que le poumon peut contenir. C'est la somme du volume résiduel, du volume de réserve expiratoire, du volume courant et du volume de réserve inspiratoire.

Les volumes pulmonaires sont mesurés par une technique appelée spirométrie. Une mesure importante prise pendant la spirométrie est le volume expiratoire forcé (VEMS) , qui mesure la quantité d'air pouvant être expulsée des poumons sur une période spécifique, généralement une seconde (VEMS). De plus, la capacité vitale forcée (CVF), qui est la quantité totale d'air pouvant être exhalée de force, est mesurée. Le rapport de ces valeurs (rapport VEMS/CVF) est utilisé pour diagnostiquer les maladies pulmonaires, notamment l'asthme, l'emphysème et la fibrose. Si le rapport FEV1/FVC est élevé, les poumons ne sont pas conformes (ce qui signifie qu'ils sont raides et incapables de se plier correctement) et le patient a très probablement une fibrose pulmonaire. Les patients expirent très rapidement la majeure partie du volume pulmonaire. A l'inverse, lorsque le rapport VEMS/CVF est faible, il existe une résistance pulmonaire caractéristique de l'asthme. Dans ce cas, il est difficile pour le patient d'évacuer l'air de ses poumons et il faut beaucoup de temps pour atteindre le volume d'expiration maximal. Dans les deux cas, la respiration est difficile et des complications surviennent.

Connexion carrière

Thérapeute de la respiration

Les inhalothérapeutes ou les praticiens respiratoires évaluent et traitent les patients atteints de maladies pulmonaires et cardiovasculaires. Ils travaillent au sein d'une équipe médicale pour élaborer des plans de traitement pour les patients. Les inhalothérapeutes peuvent traiter les bébés prématurés aux poumons sous-développés, les patients atteints de maladies chroniques telles que l'asthme ou les patients plus âgés souffrant de maladies pulmonaires telles que l'emphysème et la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). Ils peuvent utiliser des équipements de pointe tels que des systèmes d'administration de gaz comprimé, des ventilateurs, des analyseurs de gaz du sang et des réanimateurs. Les programmes spécialisés pour devenir inhalothérapeute mènent généralement à un baccalauréat avec une spécialité en inhalothérapie. En raison d'une population vieillissante croissante, les possibilités de carrière en tant qu'inhalothérapeute devraient rester solides.

Pression de gaz et respiration

Le processus respiratoire peut être mieux compris en examinant les propriétés des gaz. Les gaz se déplacent librement, mais les particules de gaz frappent constamment les parois de leur récipient, produisant ainsi une pression de gaz.

L'air est un mélange de gaz, principalement de l'azote (N2 78,6 pour cent), l'oxygène (O2 20,9 pour cent), la vapeur d'eau (H2O 0,5 pour cent), et le dioxyde de carbone (CO2 0,04 pour cent). Chaque composant gazeux de ce mélange exerce une pression. La pression d'un gaz individuel dans le mélange est la pression partielle de ce gaz. Environ 21 pour cent du gaz atmosphérique est de l'oxygène. Le dioxyde de carbone, cependant, se trouve en quantités relativement faibles, 0,04 pour cent. La pression partielle de l'oxygène est bien supérieure à celle du dioxyde de carbone. La pression partielle de tout gaz peut être calculée par :

Pau m, la pression atmosphérique, est la somme de toutes les pressions partielles des gaz atmosphériques additionnées,

× (pourcentage de contenu dans le mélange).

La pression de l'atmosphère au niveau de la mer est de 760 mm Hg. La pression partielle d'oxygène est donc :

En haute altitude, Pau m diminue mais la concentration ne change pas la diminution de pression partielle est due à la diminution de Pau m.

Lorsque le mélange d'air atteint le poumon, il a été humidifié.La pression de la vapeur d'eau dans le poumon ne modifie pas la pression de l'air, mais elle doit être incluse dans l'équation de pression partielle. Pour ce calcul, la pression de l'eau (47 mm Hg) est soustraite de la pression atmosphérique :

et la pression partielle d'oxygène est :

Ces pressions déterminent les échanges gazeux, ou le flux de gaz, dans le système. L'oxygène et le dioxyde de carbone s'écouleront selon leur gradient de pression d'élevé à faible. Par conséquent, comprendre la pression partielle de chaque gaz aidera à comprendre comment les gaz se déplacent dans le système respiratoire.

Échange de gaz à travers les alvéoles

Dans le corps, l'oxygène est utilisé par les cellules des tissus du corps et le dioxyde de carbone est produit en tant que déchet. Le rapport entre la production de dioxyde de carbone et la consommation d'oxygène est le quotient respiratoire (QR) . Le QR varie entre 0,7 et 1,0. Si seulement le glucose était utilisé pour alimenter le corps, le QR serait égal à un. Une mole de dioxyde de carbone serait produite pour chaque mole d'oxygène consommée. Le glucose, cependant, n'est pas le seul carburant pour le corps. Les protéines et les graisses sont également utilisées comme carburants pour le corps. Pour cette raison, moins de dioxyde de carbone est produit que d'oxygène est consommé et le QR est, en moyenne, d'environ 0,7 pour les graisses et d'environ 0,8 pour les protéines.

Notez que cette pression est inférieure à celle de l'air extérieur. Par conséquent, l'oxygène passera de l'air inspiré dans les poumons ( P O 2 P O 2 = 150 mm Hg) dans la circulation sanguine ( P O 2 P O 2 = 100 mm Hg) (Figure 39.13).

Connexion visuelle

Lequel des énoncés suivants est faux?

En bref, le changement de pression partielle des alvéoles aux capillaires entraîne l'oxygène dans les tissus et le dioxyde de carbone dans le sang à partir des tissus. Le sang est ensuite transporté vers les poumons où les différences de pression dans les alvéoles entraînent le mouvement du dioxyde de carbone du sang vers les poumons et de l'oxygène dans le sang.

Lien vers l'apprentissage

Regardez cette vidéo pour apprendre à réaliser la spirométrie.

En tant qu'associé Amazon, nous gagnons des achats éligibles.

Vous voulez citer, partager ou modifier ce livre ? Ce livre est Creative Commons Attribution License 4.0 et vous devez attribuer OpenStax.

    Si vous redistribuez tout ou partie de ce livre dans un format imprimé, vous devez alors inclure sur chaque page physique l'attribution suivante :

  • Utilisez les informations ci-dessous pour générer une citation. Nous vous recommandons d'utiliser un outil de citation comme celui-ci.
    • Auteurs : Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Éditeur/site Web : OpenStax
    • Titre du livre : Biologie 2e
    • Date de parution : 28 mars 2018
    • Lieu : Houston, Texas
    • URL du livre : https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • URL de la section : https://openstax.org/books/biology-2e/pages/39-2-gas-exchange-across-respiratory-surfaces

    © 7 janvier 2021 OpenStax. Le contenu des manuels produit par OpenStax est sous licence Creative Commons Attribution License 4.0. Le nom OpenStax, le logo OpenStax, les couvertures de livres OpenStax, le nom OpenStax CNX et le logo OpenStax CNX ne sont pas soumis à la licence Creative Commons et ne peuvent être reproduits sans le consentement écrit préalable et exprès de Rice University.


    Échange de gaz et réponses de croissance des ectomycorhiziens Picea mariana, Picea glauca, et Pinus banksiana Semis à NaCl et Na2DONC4

    Résumé: Épinette noire (Picea mariana), épinette blanche (Picea glauca), et pin gris (Pinus banksiana) les plantules ont été inoculées avec Hébelome crustuliniforme ou Laccaria bicolore et soumis à NaCl et Na2DONC4 traitements. Les effets des ectomycorhizes sur l'absorption du sel, la croissance, les échanges gazeux et la nécrose des aiguilles variaient selon l'arbre et l'espèce fongique. Chez les semis de pin gris, les champignons ectomycorhiziens (ECM) ont réduit le poids sec des pousses et des racines et chez l'épinette blanche ECM, il y avait une légère augmentation des poids secs. Le traitement au chlorure de sodium a réduit la photosynthèse nette et les taux de transpiration chez les trois espèces d'arbres étudiées. Cependant, l'épinette noire et le pin gris traités au NaCl colonisés par H. crustuliniforme ont maintenu des taux de photosynthèse et de transpiration relativement élevés et la nécrose des aiguilles des semis d'épinette noire traités au NaCl a été réduite par les champignons ECM. Des concentrations plus élevées de Na+ ont été trouvées dans les pousses par rapport aux racines des trois espèces de conifères examinées. Les champignons ECM ont réduit les concentrations de Na+ principalement dans les pousses et cette réduction était plus importante dans les plantes traitées avec NaCl par rapport à Na2DONC4. Les pousses contenaient des concentrations généralement plus élevées de Cl - par rapport aux racines. Dans l'épinette noire et l'épinette blanche traitées au NaCl, les deux espèces d'ECM ont considérablement réduit les concentrations de Cl -. Nos résultats indiquent une phytotoxicité globale plus élevée du NaCl par rapport au Na2DONC4 et étayent nos découvertes antérieures qui ont démontré les effets bénéfiques des champignons ECM pour les plantes ligneuses exposées au stress NaCl.


    Voir la vidéo: Biologie ST2S - Les échanges gazeux tissulaires (Août 2022).