Le transport d’oxygène

Le compartiment du liquide intracellulaire est le système qui comprend tout le liquide enfermé dans les cellules par leurs membranes plasmiques. Le liquide extracellulaire (ECF) entoure toutes les cellules du corps. Le liquide extracellulaire a deux constituants principaux : le composant liquide du sang (appelé plasma) et le liquide interstitiel qui entoure toutes les cellules non présentes dans le sang.

Le liquide extracellulaire représente environ 20 % du poids corporel. Environ 75 % du liquide à l’extérieur des cellules est le liquide interstitiel qui baigne les cellules, tandis que les 25 % restants sont la partie plasmatique du sang. Les molécules de soluté et l’eau sont échangées en continu entre le liquide interstitiel et le plasma à travers les pores des membranes capillaires.

Les protéines plasmatiques sont les solutés les plus abondants dans le plasma. Ces protéines restent normalement dans le sang et le liquide interstitiel et ne sont pas utilisées pour produire de l’énergie.

Les albumines représentent 60 % des protéines plasmatiques. Les molécules d’albumine sont produites dans le foie et sont les plus petites des molécules de protéines plasmatiques. Parce qu’ils sont si abondants, ils contribuent à la pression osmotique du sang et jouent un rôle important dans le maintien de l’équilibre hydrique entre le sang et le liquide interstitiel. Si la pression osmotique du sang diminue, le liquide se déplace des vaisseaux sanguins vers les espaces interstitiels, ce qui entraîne un œdème. Cela diminue également le volume sanguin et, dans les cas graves, peut réduire la pression artérielle. Lorsque la pression osmotique sanguine augmente, le liquide se déplace des espaces interstitiels dans les vaisseaux sanguins et augmente le volume sanguin. Cela augmente la pression artérielle et diminue la quantité d’eau disponible pour les cellules.

L’urée et l’acide urique sont des déchets du métabolisme des protéines et peuvent devenir toxiques s’ils s’accumulent. Ils sont transportés sous forme de solutés dans le plasma vers les reins pour être excrétés. Les protéines plasmatiques sont les solutés les plus abondants dans le plasma.

Pour permettre aux cellules de survivre, la composition des fluides intracellulaires et extracellulaires doit être maintenue avec précision à tout moment.

Le liquide extracellulaire circule constamment dans le sang et le système lymphatique et est connu comme « l’environnement interne du corps ». Le corps est dit en homéostasie lorsque cet environnement interne contient des niveaux optimaux de gaz, d’ions, d’eau et de nutriments; est à température optimale ; est à la pression optimale.

Dans les capillaires sanguins, toutes les molécules plus petites que l’albumine plasmatique traversent les pores entre les cellules endothéliales. Les substances liées aux protéines plasmatiques seront retenues dans le capillaire.

Les globules rouges contiennent un pigment appelé hémoglobine, dont chaque molécule se lie à quatre molécules d’oxygène. L’oxyhémoglobine se forme en conséquence. Les molécules d’oxygène sont transportées vers des cellules individuelles dans les tissus corporels où elles sont libérées. La liaison de l’oxygène est une réaction réversible.

À des concentrations d’oxygène relativement faibles, il y a de l’hémoglobine non combinée dans le sang et peu ou pas d’oxyhémoglobine, par ex. dans les tissus corporels. Pourtant, à des concentrations d’oxygène relativement élevées, il y a peu ou pas d’hémoglobine non combinée dans le sang ; il est sous forme d’oxyhémoglobine, par ex. dans les poumons.

Une fois que le CO2 est entré dans le sang, il emprunte l’une des deux voies suivantes. 5% du CO2 se dissout dans le plasma. Les 95% restants pénètrent dans les globules rouges. Environ 65 % du CO2 entrant dans les globules rouges est rapidement converti en hydrogène et en ions HCO3-. Le CO2 restant entrant dans le globule rouge se combine avec l’hémoglobine.

L’hémoglobine peut également lier le dioxyde de carbone, mais dans une moindre mesure. La carbaminohémoglobine se forme en conséquence. Une partie du dioxyde de carbone est transportée sous cette forme vers les poumons à partir des tissus respiratoires. La présence de dioxyde de carbone aide à libérer l’oxygène de l’hémoglobine, c’est ce qu’on appelle l’effet Bohr.

Le réflexe viscéral est un réflexe impliquant un organe interne comme effecteur, sous le contrôle du système nerveux autonome. La sortie d’un réflexe viscéral est une voie en deux étapes commençant par la fibre préganglionnaire émergeant d’un neurone de la corne latérale dans la moelle épinière, ou d’un neurone du noyau crânien dans le tronc cérébral, jusqu’à un ganglion – suivi par la fibre postganglionnaire se projetant vers un effecteur cible.

Le rôle des réflexes viscéraux est de maintenir un équilibre de fonction dans les systèmes organiques du corps. Les deux divisions du système autonome jouent chacune un rôle dans la réalisation du changement, généralement dans des directions concurrentes. Le système sympathique augmente la fréquence cardiaque, tandis que le système parasympathique diminue la fréquence cardiaque. Le système sympathique dilate la pupille de l’œil, tandis que le système parasympathique resserre la pupille. Les entrées concurrentes peuvent contribuer à la tonalité de repos du système organique. La fréquence cardiaque est normalement sous tonus parasympathique, alors que la pression artérielle est normalement sous tonus sympathique. La fréquence cardiaque est ralentie par le système autonome au repos, alors que les vaisseaux sanguins conservent une légère constriction au repos.

Le réflexe somatique est un réflexe impliquant le muscle squelettique comme effecteur, sous le contrôle du système nerveux somatique. La sortie d’un réflexe somatique est le motoneurone inférieur de la corne ventrale de la moelle épinière qui se projette directement vers un muscle squelettique pour provoquer sa contraction.

La branche afférente des réflexes somatique et viscéral est identique. Les neurones afférents ont des corps cellulaires dans les ganglions de la racine dorsale ou les ganglions sensoriels somatiques des nerfs crâniens.

Le système nerveux périphérique peut être divisé en deux parties : (1) le système somatique qui contrôle l’activité des muscles volontaires ou striés, et (2) le système nerveux autonome qui contrôle l’activité des muscles lisses des vaisseaux sanguins et des viscères, et d’autres organes internes tels que le cœur, les glandes, etc. Ainsi, le système nerveux périphérique fait référence aux parties du système nerveux situées à l’extérieur du cerveau et de la moelle épinière et comprend les nerfs crâniens, les nerfs rachidiens et leurs racines et branches, les nerfs périphériques et les jonctions neuromusculaires.

Les récepteurs sensoriels peuvent être classés selon leurs aires de distribution. Les extérocepteurs sont des récepteurs superficiels situés à la surface du corps ou près de celle-ci, répondant à des stimuli de l’environnement extérieur (stimuli cutanés ou stimuli sensoriels spéciaux). Les récepteurs principalement, les terminaisons nerveuses libres, situées dans les parois des viscères et l’adventice des vaisseaux sanguins sont appelés interocepteurs. Ils montrent une sensibilité à la tension excessive et à l’étirement de la paroi viscérale. Des réflexes impliquant des interocepteurs ont été démontrés dans la plupart des organes et systèmes.

L’hypothalamus est impliqué dans de nombreuses fonctions du système nerveux autonome, car il reçoit des informations de presque toutes les parties du système nerveux. En tant que tel, il est considéré comme un lien entre le système nerveux et le système endocrinien.

L’acétylcholine est le principal neurotransmetteur du système nerveux parasympathique, la partie du système nerveux autonome, tandis que la norépinéphrine est le principal neurotransmetteur du système nerveux sympathique.

Une différence majeure entre les systèmes nerveux sympathique et parasympathique est la divergence, ou le nombre de fibres postsynaptiques avec lesquelles une seule fibre préganglionnaire crée une synapse. Dans la division sympathique, il existe une divergence allant jusqu’à 1:20 alors que dans la division parasympathique, il existe un facteur de divergence d’environ 1:4.

La pression partielle de tout gaz en solution est exactement égale à la pression partielle du même gaz en phase gazeuse avec lequel la dissolution est en équilibre. En solution, seules les molécules de gaz dissoutes contribuent à la pression partielle.

Lors d’une inspiration, l’air s’humidifie d’abord dans les voies aériennes supérieures et est ensuite transféré par ventilation vers les alvéoles des poumons. Ces deux effets réduisent la pression partielle d’oxygène de 160 mmHg dans la bouche à environ 100 mmHg dans les alvéoles. La cause majeure de cette réduction est la diffusion du gaz carbonique résiduaire métabolique du sang vers les poumons qui a pour effet de diluer la pression partielle d’oxygène dans les alvéoles.

La pression partielle d’oxygène dans les alvéoles constitue la force motrice résultant du transfert par diffusion de l’oxygène dans le sang. La pression partielle d’oxygène dans les alvéoles est de 100 mmHg mais elle n’est que de 40 mmHg dans le capillaire pulmonaire renvoyant le sang des tissus. L’oxygène diffuse donc rapidement vers le bas de son gradient de pression à travers la membrane alvéolo-capillaire pour se dissoudre dans le plasma du sang pulmonaire.

Une mesure du niveau d’oxygène dans le sang est la quantité d’oxygène combinée à l’hémoglobine pour former l’oxyhémoglobine. Ceci est mesuré comme le rapport de l’oxygène lié à l’hémoglobine à la quantité totale qui peut être liée. Ceci est connu comme la saturation en oxygène et est exprimé en pourcentage. Saturation = 100 × Oxyhémoglobine/(Oxyhémoglobine + Désoxyhémoglobine).

Comme mentionné précédemment, une autre mesure de l’oxygène dans le sang est sa pression partielle. Un mélange de gaz, comme l’air, exerce une pression qu’il soit confiné dans un réservoir ou confiné dans l’atmosphère par gravité. Chaque gaz individuel exerce une partie de cette pression, c’est-à-dire qu’il exerce une pression partielle. Au niveau de la mer, la pression partielle d’oxygène est normalement de 21 % de 760 mm Hg ou 160 mm Hg. Lorsque les gaz peuvent se dissoudre dans un liquide, ils exercent également des pressions partielles individuelles. L’oxygène a donc une pression partielle dans le sang. Une différence de pressions partielles produisant un gradient provoque la diffusion. Il convient de noter que l’oxygène lié sous forme d’oxyhémoglobine ne contribue pas à la pression partielle d’oxygène. Pourtant, ils sont liés.

La relation entre la pression partielle d’oxygène et la saturation en oxygène n’est pas linéaire. Un graphique de la pression partielle d’oxygène par rapport à la saturation en oxygène donne une courbe en forme de S.

La pression partielle d’oxygène dans l’air dans les alvéoles est de 102 mm Hg. Le sang dans les capillaires quittant les alvéoles a une pression partielle d’oxygène de 95 mm Hg. Au fur et à mesure que le sang circule dans les artères, la pression partielle d’oxygène change peu. Même avec une chute à 70 mm Hg, peu d’oxygène est cédé par l’hémoglobine puisqu’il correspond toujours à la partie plate de la courbe. Une fois dans le capillaire, la chute de la pression partielle d’oxygène correspond à la partie raide de la courbe et toute chute de pression partielle d’oxygène entraîne une libération d’oxygène de l’hémoglobine. L’oxygène diffuse son gradient de pression partielle dans les capillaires de 55 mm Hg à 40 mm Hg vers les mitochondries dans la cellule où la pression partielle d’oxygène est d’environ 10 mm Hg.

Comme mentionné précédemment, sur la partie montante de la courbe, une petite augmentation de la pression partielle d’oxygène permet d’atteindre un pourcentage de saturation du sang relativement élevé. La partie plate de la courbe en haut correspond à la situation dans les poumons : sur cette plage une saturation élevée est maintenue même si la pression partielle d’oxygène dans les alvéoles diminue. La courbe de dissociation de l’oxygène favorise le chargement de l’hémoglobine en oxygène dans les poumons.

La courbe de dissociation de l’oxygène, en plus de faciliter le chargement de l’hémoglobine en oxygène dans les poumons, facilite également le déchargement dans les tissus. La partie raide de la courbe correspond à la gamme des pressions partielles d’oxygène trouvées dans les tissus. Sur cette partie de la courbe, une petite baisse de la pression partielle d’oxygène entraînera une baisse relativement importante du pourcentage de saturation du sang. Ainsi, si la pression partielle d’oxygène chute du fait que les tissus utilisent l’oxygène à un rythme plus rapide, l’hémoglobine libère une plus grande partie de son oxygène.

L’augmentation de la pression partielle de dioxyde de carbone a pour effet de déplacer la courbe de dissociation de l’oxygène vers la droite. Lorsque l’effet Bohr fonctionne, l’hémoglobine doit être exposée à une pression partielle d’oxygène plus élevée afin de devenir complètement saturée. Mais également, il libérera son oxygène à des pressions partielles d’oxygène plus élevées. En d’autres termes, le dioxyde de carbone rend l’hémoglobine moins efficace pour absorber l’oxygène mais plus efficace pour le libérer. La libération d’oxygène est donc favorisée dans les tissus où la pression partielle de dioxyde de carbone tend naturellement à être élevée en raison de sa libération continue par les cellules respiratoires. En revanche, dans les poumons, la pression partielle du dioxyde de carbone est relativement faible en raison de sa fuite continue dans l’atmosphère, ce qui favorise l’absorption d’oxygène.

L’exercice augmente chaque gradient de pression et accélère les échanges gazeux, car le sang veineux pulmonaire est plus pauvre en oxygène et riche en dioxyde de carbone que d’habitude.

Le dopage sanguin est une technique utilisée par les athlètes. L’effet se produit en raison de l’augmentation de la concentration d’hémoglobine, de l’augmentation de la capacité de transport d’oxygène et de l’apport d’oxygène au muscle en exercice.

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