Lois des gaz et composition de l'air

Les molécules de gaz exercent une force sur les surfaces avec lesquelles elles sont en contact ; cette force est appelée pression. Dans les systèmes naturels, les gaz sont normalement présents sous forme de mélange de différents types de molécules. Par exemple, l'atmosphère est composée 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 22.2). La pression partielle (P_x) est la pression d'un seul type de gaz dans un mélange de gaz. Par exemple, dans l'atmosphère, l'oxygène exerce une pression partielle, et l'azote exerce une autre pression partielle, indépendamment de la pression partielle de l'oxygène (Figure 22.21). La pression totale est la somme de toutes les pressions partielles d'un mélange gazeux. La loi de Dalton (Dalton’s law) décrit le comportement des gaz non réactifs dans un mélange gazeux et stipule 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 du mélange.

Figure 22.21 Pressions partielles et totales d'un gaz La pression partielle est la force exercée par un gaz. La somme des pressions partielles de tous les gaz d'un mélange est égale à la pression totale.

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 connectées. Un gaz se déplacera d'une zone où sa pression partielle est plus élevée vers une zone où sa pression partielle est plus basse. 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 de Henry (Henry’s law) décrit le comportement des gaz lorsqu'ils entrent en contact avec un liquide, tel que le sang. La loi de Henry stipule que la concentration d'un gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la solubilité et à la pression partielle de ce gaz. Plus la pression partielle du gaz est élevée, plus le nombre de molécules de gaz qui se dissoudront dans le liquide est grand. 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 sous-marins ; la composition de l'air comprimé que les plongeurs respirent fait que l'azote a une pression partielle plus élevée que la normale, ce qui le fait se dissoudre dans le sang en plus grandes quantités que la normale. Trop d'azote dans la circulation sanguine entraîne une condition grave qui peut être fatale si elle n'est pas corrigée. Les molécules de gaz établissent un équilibre entre les molécules dissoutes dans le liquide et celles dans l'air.

La composition de l'air dans l'atmosphère et dans les alvéoles 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 22.3). Rappelons que le système respiratoire humidifie l'air entrant, ce qui fait que l'air présent dans les alvéoles contient une plus grande quantité de vapeur d'eau que l'air atmosphérique. De plus, l'air alvéolaire contient une plus grande quantité de dioxyde de carbone et moins d'oxygène que l'air atmosphérique. Ce n'est pas surprenant, car les échanges gazeux éliminent l'oxygène et ajoutent du dioxyde de carbone à l'air alvéolaire. La respiration profonde et la respiration forcée entraînent un changement plus rapide de la composition de l'air alvéolaire que pendant la respiration calme. En conséquence, les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone changent, affectant le processus de diffusion qui déplace ces substances à travers la membrane. Cela entraînera l'entrée plus rapide de l'oxygène dans le sang et la sortie plus rapide du dioxyde de carbone.

Ventilation et perfusion

Deux aspects importants des échanges gazeux dans le poumon sont la ventilation et la perfusion. La ventilation est le mouvement de l'air entrant et sortant 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 régionaux de la gravité sur le sang, les canaux alvéolaires bloqués ou les maladies peuvent entraîner un déséquilibre entre la ventilation et la perfusion.

La pression partielle d'oxygène dans l'air alvéolaire est d'environ 104 mm Hg, tandis que la pression partielle du sang oxygéné dans les veines pulmonaires est d'environ 100 mm Hg. Lorsque la ventilation est suffisante, l'oxygène pénètre dans les alvéoles à un rythme élevé, et la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles reste élevée. En revanche, lorsque la ventilation est insuffisante, la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles diminue. Sans la grande différence de pression partielle entre les alvéoles et le sang, l'oxygène ne diffuse pas efficacement à travers la membrane respiratoire. Le corps dispose de mécanismes pour contrecarrer 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 contractant les artérioles pulmonaires qui desservent l'alvéole dysfonctionnelle, ce qui redirige le sang vers d'autres alvéoles ayant une ventilation suffisante. En même temps, les artérioles pulmonaires qui desservent les alvéoles recevant une ventilation suffisante se vasodilatent, ce qui augmente le flux sanguin. Des facteurs tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et les niveaux de pH peuvent tous servir de stimuli pour ajuster le 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 provoque une augmentation du diamètre des bronchioles, tout comme une diminution du niveau d'oxygène dans l'apport sanguin, permettant au dioxyde de carbone d'être exhalé du corps à un rythme plus élevé. Comme mentionné ci-dessus, une pression partielle d'oxygène plus élevée dans les alvéoles provoque la dilatation des artérioles pulmonaires, augmentant le flux sanguin.

Respiration externe

L'artère pulmonaire transporte le sang désoxygéné du cœur vers les poumons, où elle se ramifie et devient finalement le réseau capillaire composé de capillaires pulmonaires. Ces capillaires pulmonaires forment la membrane respiratoire avec les alvéoles (Figure 22.22). Lorsque le sang est pompé à travers ce réseau capillaire, les 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 et se lie à une protéine appelée hémoglobine, un processus décrit plus loin dans ce chapitre. L'hémoglobine oxygénée est rouge, ce qui donne au sang oxygéné une apparence rouge vif, et il retourne au cœur par les veines pulmonaires. Le dioxyde de carbone est libéré dans la direction opposée à l'oxygène, du sang vers les alvéoles. Une partie du dioxyde de carbone est transportée par l'hémoglobine, mais peut également être dissoute dans le plasma ou être présente sous une forme convertie, également expliquée plus en détail plus loin dans ce chapitre.

La respiration externe se produit en fonction des différences de pression partielle d'oxygène et de dioxyde de carbone entre les alvéoles et le sang dans les capillaires pulmonaires.

Figure 22.22 Respiration externe Lors de la respiration externe, l'oxygène diffuse à travers la membrane respiratoire de l'alvéole vers le capillaire, tandis que le dioxyde de carbone diffuse du capillaire vers l'alvéole.

Bien que la solubilité de l'oxygène dans le sang ne soit pas élevée, il existe une différence drastique dans la pression partielle d'oxygène entre les alvéoles et le sang des capillaires pulmonaires. Cette différence est d'environ 64 mm Hg : la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles est d'environ 104 mm Hg, tandis que sa pression partielle dans le sang du capillaire est d'environ 40 mm Hg. Cette grande différence de pression partielle crée un gradient de pression très fort qui provoque le passage rapide de l'oxygène à travers la membrane respiratoire, des alvéoles vers 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, soit environ 5 mm Hg. La pression partielle de dioxyde de carbone dans le sang du capillaire est d'environ 45 mm Hg, tandis que sa pression partielle dans les alvéoles est d'environ 40 mm Hg. Cependant, la solubilité du dioxyde de carbone est beaucoup plus grande que celle de l'oxygène — d'un facteur d'environ 20 — à la fois dans le sang et dans 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

La respiration interne est l'échange gazeux qui se produit au niveau des tissus corporels (Figure 22.23). Similaire à la respiration externe, la respiration interne se produit également par simple diffusion en raison d'un gradient de pression partielle. 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 provoque la dissociation de l'oxygène de l'hémoglobine, sa diffusion hors du sang, son passage à travers l'espace interstitiel et son entrée dans le tissu. L'hémoglobine qui a peu d'oxygène lié à elle perd une grande partie de sa luminosité, de sorte que le sang retournant au cœur est de couleur plus bordeaux.

Étant donné que la respiration cellulaire produit continuellement du dioxyde de carbone, la pression partielle de dioxyde de carbone est plus faible dans le sang que dans les tissus, ce qui provoque la diffusion du dioxyde de carbone hors des tissus, son passage à travers le liquide interstitiel et son entrée dans le sang. Il est ensuite transporté vers les poumons, soit lié à l'hémoglobine, soit 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 oxygéné une fois de plus pendant la respiration externe.

Figure 22.23 Respiration interne L'oxygène diffuse hors du capillaire et dans les cellules, tandis que le dioxyde de carbone diffuse hors des cellules et dans le capillaire.

Lien avec le quotidien

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 soit à 100 % d'oxygène avec une pression accrue, soit 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 types principaux de chambres : monoplace et multiplace. Les chambres monoplaces sont généralement destinées à un seul patient, et le personnel soignant observe le patient de l'extérieur de la chambre (Figure 22.24). Certaines installations disposent de chambres hyperbares monoplaces spéciales qui permettent de traiter plusieurs patients à la fois, généralement en position assise ou inclinée, pour aider à atténuer les sentiments d'isolement ou de claustrophobie. Les chambres multiplaces sont suffisamment grandes pour que plusieurs patients puissent être traités en même temps, et le personnel soignant est présent à l'intérieur de la chambre. Dans une chambre multiplace, les patients sont souvent traités avec de l'air via un masque ou une cagoule, et la chambre est pressurisée.

Figure 22.24 Caisson hyperbare (source : « komunews »/flickr.com)

Le traitement en chambre hyperbare est basé sur le comportement des gaz. Comme vous le savez, les gaz se déplacent d'une région de pression partielle plus élevée vers une région de pression partielle plus basse. Dans une chambre hyperbare, la pression atmosphérique est augmentée, ce qui provoque 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'intoxication au 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 une plus grande diffusion d'oxygène dans la circulation sanguine. À cette pression accrue et à cette concentration d'oxygène augmentée, 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 pas 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'intensifier la respiration cellulaire et donc la production d'ATP, l'énergie nécessaire à la construction de nouvelles structures.