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22.6 : Introduction au transport des gaz dans les fluides corporels humains - Biologie


Expliquer comment les gaz sont transportés dans le corps

Une fois que l'oxygène diffuse à travers les alvéoles, il pénètre dans la circulation sanguine et est transporté vers les tissus où il est déchargé, et le dioxyde de carbone se diffuse hors du sang et dans les alvéoles pour être expulsé du corps. Bien que les échanges gazeux soient un processus continu, l'oxygène et le dioxyde de carbone sont transportés par des mécanismes différents.

Ce que vous apprendrez à faire

  • Décrire comment l'oxygène est lié à l'hémoglobine et transporté vers les tissus corporels
  • Expliquer comment le dioxyde de carbone est transporté des tissus corporels aux poumons

Activités d'apprentissage

Les activités d'apprentissage de cette section sont les suivantes :

  • Transport d'oxygène dans le sang
  • Transport du dioxyde de carbone dans le sang
  • Autocontrôle : Transport de gaz dans les fluides corporels humains

Transport du dioxyde de carbone dans le sang

Les molécules de dioxyde de carbone sont transportées dans le sang des tissus corporels aux poumons par l'une des trois méthodes suivantes : dissolution directement dans le sang, liaison à l'hémoglobine ou transport sous forme d'ion bicarbonate. Plusieurs propriétés du dioxyde de carbone dans le sang affectent son transport. Premièrement, le dioxyde de carbone est plus soluble dans le sang que l'oxygène. Environ 5 à 7 pour cent de tout le dioxyde de carbone est dissous dans le plasma. Deuxièmement, le dioxyde de carbone peut se lier aux protéines plasmatiques ou peut pénétrer dans les globules rouges et se lier à l'hémoglobine. Cette forme transporte environ 10 pour cent du dioxyde de carbone. Lorsque le dioxyde de carbone se lie à l'hémoglobine, une molécule appelée carbaminohémoglobine se forme. La liaison du dioxyde de carbone à l'hémoglobine est réversible. Par conséquent, lorsqu'il atteint les poumons, le dioxyde de carbone peut se dissocier librement de l'hémoglobine et être expulsé du corps.

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 (acide carbonique) ↔ HCO 3 + H + (bicarbonate)

L'avantage du système tampon au bicarbonate est que le dioxyde de carbone est « imprégné » dans le sang avec peu de changement au pH du système. Ceci est important car il suffit d'un petit changement dans le pH global du corps pour que des blessures graves ou la mort en résultent. La présence de ce système tampon bicarbonate permet également aux personnes de voyager et de vivre à haute altitude : lorsque la pression partielle d'oxygène et de dioxyde de carbone change à haute altitude, le système tampon bicarbonate s'ajuste pour réguler le dioxyde de carbone tout en maintenant le pH correct dans le corps .


La protéine à l'intérieur (a) des globules rouges qui transporte l'oxygène vers les cellules et le dioxyde de carbone vers les poumons est (b) l'hémoglobine. L'hémoglobine est composée de quatre sous-unités symétriques et de quatre groupes hémiques. Le fer associé à l'hème lie l'oxygène. C'est le fer contenu dans l'hémoglobine qui donne au sang sa couleur rouge.

Il est plus facile de lier une deuxième et une troisième molécule d'oxygène à l'Hb qu'à la première molécule. En effet, la molécule d'hémoglobine change de forme ou de conformation lorsque l'oxygène se lie. Le quatrième oxygène est alors plus difficile à lier. La liaison de l'oxygène à l'hémoglobine peut être tracée en fonction de la pression partielle d'oxygène dans le sang (axe des x) par rapport à la saturation relative en Hb-oxygène (axe des y). Le graphique résultant, une courbe de dissociation de l'oxygène, est sigmoïde ou en forme de S (Figure). Au fur et à mesure que la pression partielle d'oxygène augmente, l'hémoglobine devient de plus en plus saturée en oxygène.

Connexion artistique

La courbe de dissociation de l'oxygène démontre que, à mesure que la pression partielle d'oxygène augmente, plus d'oxygène se lie à l'hémoglobine. Cependant, l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène peut se déplacer vers la gauche ou la droite selon les conditions environnementales.

Les reins sont responsables de l'élimination des ions H+ en excès du sang. Si les reins échouent, qu'arriverait-il au pH sanguin et à l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène ?


Le tubule rénal est une structure longue et alambiquée qui émerge du glomérule et peut être divisée en trois parties en fonction de la fonction. La première partie s'appelle le tubule contourné proximal (PCT) en raison de sa proximité avec le glomérule, il reste dans le cortex rénal. La deuxième partie s'appelle le boucle de Henlé , ou boucle néphritique, car elle forme une boucle (avec descendant et membres ascendants ) qui passe par la moelle rénale. La troisième partie du tubule rénal est appelée la tubule contourné distal (DCT) et cette partie est également limitée au cortex rénal. Le DCT, qui est la dernière partie du néphron, connecte et vide son contenu dans des canaux collecteurs qui bordent les pyramides médullaires. Les canaux collecteurs amassent le contenu de plusieurs néphrons et fusionnent lorsqu'ils pénètrent dans les papilles de la médullaire rénale.

Le réseau capillaire qui prend sa source dans les artères rénales alimente le néphron en sang qui doit être filtré. La branche qui pénètre dans le glomérule est appelée la artériole afférente . La branche qui sort du glomérule est appelée la artériole efférente . Au sein du glomérule, le réseau de capillaires est appelé lit capillaire glomérulaire. Une fois que l'artériole efférente sort du glomérule, elle forme le réseau capillaire péritubulaire , qui entoure et interagit avec des parties du tubule rénal. Dans les néphrons corticaux, le réseau capillaire péritubulaire entoure le PCT et le DCT. Dans les néphrons juxtamédullaires, le réseau capillaire péritubulaire forme un réseau autour de la boucle de Henle et est appelé le vasa recta .


Variation du système circulatoire chez les animaux

Le système circulatoire varie de systèmes simples chez les invertébrés à des systèmes plus complexes chez les vertébrés. Les animaux les plus simples, tels que les éponges (Porifera) et les rotifères (Rotifera), n'ont pas besoin d'un système circulatoire car la diffusion permet un échange adéquat d'eau, de nutriments et de déchets, ainsi que de gaz dissous, comme le montre la figure 21.3. une . Les organismes plus complexes mais qui n'ont encore que deux couches de cellules dans leur corps, comme les gelées (Cnidaria) et les gelées en peigne (Ctenophora) utilisent également la diffusion à travers leur épiderme et en interne à travers le compartiment gastro-vasculaire. Leurs tissus internes et externes sont baignés dans un environnement aqueux et échangent des fluides par diffusion des deux côtés, comme illustré à la figure 21.3 b . L'échange de fluides est assisté par la pulsation du corps de la méduse.

Graphique 21.3. Les animaux simples constitués d'une seule couche cellulaire telle que (a) l'éponge ou seulement quelques couches cellulaires telles que (b) les méduses n'ont pas de système circulatoire. Au lieu de cela, les gaz, les nutriments et les déchets sont échangés par diffusion.

Pour les organismes plus complexes, la diffusion n'est pas efficace pour recycler efficacement les gaz, les nutriments et les déchets à travers le corps, par conséquent, des systèmes circulatoires plus complexes ont évolué. La plupart des arthropodes et de nombreux mollusques ont un système circulatoire ouvert. Dans un système ouvert, un cœur battant allongé pousse l'hémolymphe à travers le corps et les contractions musculaires aident à déplacer les fluides. Les crustacés plus gros et plus complexes, y compris les homards, ont développé des vaisseaux de type artériel pour pousser le sang dans leur corps, et les mollusques les plus actifs, tels que les calmars, ont développé un système circulatoire fermé et sont capables de se déplacer rapidement pour attraper leurs proies. Les systèmes circulatoires fermés sont une caractéristique des vertébrés, cependant, il existe des différences significatives dans la structure du cœur et la circulation sanguine entre les différents groupes de vertébrés en raison de l'adaptation au cours de l'évolution et des différences anatomiques associées. La figure 21.4 illustre les systèmes circulatoires de base de certains vertébrés : poissons, amphibiens, reptiles et mammifères.

Graphique 21.4. (a) Les poissons ont les systèmes circulatoires les plus simples des vertébrés : le sang circule de manière unidirectionnelle du cœur à deux chambres à travers les branchies, puis le reste du corps. (b) Les amphibiens ont deux voies circulatoires : une pour l'oxygénation du sang à travers les poumons et la peau, et l'autre pour transporter l'oxygène vers le reste du corps. Le sang est pompé à partir d'un cœur à trois chambres avec deux oreillettes et un seul ventricule. (c) Les reptiles ont également deux voies circulatoires, cependant, le sang n'est oxygéné que par les poumons. Le cœur est à trois chambres, mais les ventricules sont partiellement séparés, de sorte qu'un mélange de sang oxygéné et désoxygéné se produit, sauf chez les crocodiliens et les oiseaux. (d) Les mammifères et les oiseaux ont le cœur le plus efficace avec quatre chambres qui séparent complètement le sang oxygéné et désoxygéné, il ne pompe que du sang oxygéné à travers le corps et du sang désoxygéné vers les poumons.

Comme illustré à la figure 21.4 une Les poissons ont un seul circuit pour la circulation sanguine et un cœur à deux chambres qui n'a qu'une seule oreillette et un seul ventricule. L'oreillette recueille le sang qui est revenu du corps et le ventricule pompe le sang vers les branchies où se produisent les échanges gazeux et le sang est réoxygéné, c'est ce qu'on appelle circulation branchiale. Le sang continue ensuite à travers le reste du corps avant de revenir à l'oreillette, c'est ce qu'on appelle circulation systémique. Ce flux sanguin unidirectionnel produit un gradient de sang oxygéné à désoxygéné autour du circuit systémique du poisson. Le résultat est une limite de la quantité d'oxygène qui peut atteindre certains organes et tissus du corps, réduisant la capacité métabolique globale des poissons.

Chez les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères, le flux sanguin est dirigé dans deux circuits : l'un à travers les poumons et le retour vers le cœur, appelé circulation pulmonaire, et l'autre dans tout le reste du corps et de ses organes dont le cerveau (circulation systémique). Chez les amphibiens, les échanges gazeux se produisent également à travers la peau pendant la circulation pulmonaire et sont appelés circulation pulmocutanée.

Comme le montre la figure 21.4 b , les amphibiens ont un cœur à trois chambres qui a deux oreillettes et un ventricule plutôt que le cœur à deux chambres du poisson. Les deux oreillettes (cavités cardiaques supérieures) reçoivent le sang des deux circuits différents (les poumons et les systèmes), puis il y a un certain mélange du sang dans le cœur ventricule (cavité cardiaque inférieure), ce qui réduit l'efficacité de l'oxygénation. L'avantage de cet arrangement est qu'une pression élevée dans les vaisseaux pousse le sang vers les poumons et le corps. Le mélange est atténué par une crête dans le ventricule qui détourne le sang riche en oxygène à travers le système circulatoire systémique et le sang désoxygéné vers le circuit pulmocutané. Pour cette raison, les amphibiens sont souvent décrits comme ayant double circulation.

La plupart des reptiles ont également un cœur à trois chambres similaire au cœur des amphibiens qui dirige le sang vers les circuits pulmonaire et systémique, comme le montre la figure 21.4 c . Le ventricule est divisé plus efficacement par un septum partiel, ce qui entraîne moins de mélange de sang oxygéné et désoxygéné. Certains reptiles (alligators et crocodiles) sont les animaux les plus primitifs à présenter un cœur à quatre chambres. Les crocodiliens ont un mécanisme circulatoire unique où le cœur dirige le sang des poumons vers l'estomac et d'autres organes pendant de longues périodes de submersion, par exemple, tandis que l'animal attend une proie ou reste sous l'eau en attendant que la proie pourrisse. Une adaptation comprend deux artères principales qui partent de la même partie du cœur : l'une transporte le sang vers les poumons et l'autre fournit une route alternative vers l'estomac et d'autres parties du corps. Deux autres adaptations comprennent un trou dans le cœur entre les deux ventricules, appelé foramen de Panizza, qui permet au sang de passer d'un côté du cœur à l'autre, et un tissu conjonctif spécialisé qui ralentit le flux sanguin vers les poumons. Ensemble, ces adaptations ont fait des crocodiles et des alligators l'un des groupes d'animaux les plus évolutifs sur terre.

Chez les mammifères et les oiseaux, le cœur est également divisé en quatre chambres : deux oreillettes et deux ventricules, comme illustré à la figure 21.4 . Le sang oxygéné est séparé du sang désoxygéné, ce qui améliore l'efficacité de la double circulation et est probablement nécessaire au mode de vie à sang chaud des mammifères et des oiseaux. Le cœur à quatre chambres des oiseaux et des mammifères a évolué indépendamment d'un cœur à trois chambres. L'évolution indépendante d'un trait biologique identique ou similaire est appelée évolution convergente.


Connexion artistique

La courbe de dissociation de l'oxygène démontre que, à mesure que la pression partielle d'oxygène augmente, plus d'oxygène se lie à l'hémoglobine. Cependant, l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène peut se déplacer vers la gauche ou la droite selon les conditions environnementales.

Les reins sont responsables de l'élimination des ions H+ en excès du sang. Si les reins échouent, qu'arriverait-il au pH sanguin et à l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène ?


Résumé de la section

Le gradient combiné qui affecte un ion comprend son gradient de concentration et son gradient électrique. Les cellules vivantes ont besoin de certaines substances à des concentrations supérieures à celles qui existent dans l'espace extracellulaire. Le déplacement des substances vers le haut de leurs gradients électrochimiques nécessite de l'énergie de la cellule. Le transport actif utilise l'énergie stockée dans l'ATP pour alimenter le transport. Le transport actif de matériaux de petite taille moléculaire utilise des protéines intégrales dans la membrane cellulaire pour déplacer le matériau - ces protéines sont analogues aux pompes. Certaines pompes, qui assurent le transport actif primaire, se couplent directement à l'ATP pour piloter leur action. Dans le transport secondaire, l'énergie du transport primaire peut être utilisée pour déplacer une autre substance dans la cellule et remonter son gradient de concentration.

Les méthodes d'endocytose nécessitent l'utilisation directe d'ATP pour alimenter le transport de grosses particules telles que des macromolécules, des parties de cellules ou des cellules entières peuvent être englouties par d'autres cellules dans un processus appelé phagocytose. Dans la phagocytose, une partie de la membrane s'invagine et s'écoule autour de la particule, finissant par se pincer et laissant la particule entièrement enfermée dans une enveloppe de membrane plasmique. Les vacuoles sont décomposées par la cellule, les particules étant utilisées comme nourriture ou expédiées d'une autre manière. La pinocytose est un processus similaire à plus petite échelle. La cellule expulse les déchets et autres particules par le processus inverse, l'exocytose. Les déchets sont déplacés à l'extérieur de la cellule, poussant une vésicule membraneuse vers la membrane plasmique, permettant à la vésicule de fusionner avec la membrane et de s'incorporer dans la structure membranaire, libérant son contenu à l'extérieur de la cellule.


Quels sont les éléments du corps humain ?

Il existe plusieurs façons de considérer la composition du corps humain, notamment les éléments, le type de molécule ou le type de cellules. La plupart du corps humain est composé d'eau, H2O, les cellules osseuses étant composées de 31 % d'eau et les poumons de 83 %. Par conséquent, il n'est pas surprenant que la majeure partie de la masse d'un corps humain soit constituée d'oxygène. Le carbone, unité de base des molécules organiques, arrive en deuxième position. 96,2% de la masse du corps humain est composé de seulement quatre éléments : l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote.

  1. Oxygène (O) - 65% - L'oxygène et l'hydrogène forment de l'eau, qui est le principal solvant présent dans le corps et est utilisé pour réguler la température et la pression osmotique. L'oxygène se trouve dans de nombreux composés organiques clés.
  2. Carbone (C) - 18,5% - Le carbone possède quatre sites de liaison pour d'autres atomes, ce qui en fait l'atome clé de la chimie organique. Les chaînes carbonées sont utilisées pour fabriquer des glucides, des graisses, des acides nucléiques et des protéines. La rupture des liens avec le carbone est une source d'énergie.
  3. Hydrogène (H) - 9,5% - L'hydrogène se trouve dans l'eau et dans toutes les molécules organiques.
  4. Azote (N) - 3,2% - L'azote se trouve dans les protéines et dans les acides nucléiques qui composent le code génétique.
  5. Calcium (Ca) - 1,5% - Le calcium est le minéral le plus abondant dans l'organisme. Il est utilisé comme matériau structurel dans les os, mais il est essentiel pour la régulation des protéines et la contraction musculaire.
  6. Phosphore (P) - 1,0% - Le phosphore se trouve dans la molécule ATP, qui est le principal vecteur d'énergie dans les cellules. On le trouve aussi dans les os.
  7. Potassium (K) - 0,4% - Le potassium est un électrolyte important. Il est utilisé pour transmettre l'influx nerveux et la régulation du rythme cardiaque.
  8. Sodium (Na) - 0,2% - Le sodium est un électrolyte important. Comme le potassium, il est utilisé pour la signalisation nerveuse. Le sodium est l'un des électrolytes qui aident à réguler la quantité d'eau dans le corps.
  9. Chlore (Cl) - 0,2% - Le chlore est un important ion chargé négativement (anion) utilisé pour maintenir l'équilibre des fluides.
  10. Magnésium (Mg) - 0,1% - Le magnésium est impliqué dans plus de 300 réactions métaboliques. Il est utilisé pour construire la structure des muscles et des os et est un cofacteur important dans les réactions enzymatiques.
  11. Soufre (S) - 0,04 % - Deux acides aminés contiennent du soufre. Les liaisons soufrées contribuent à donner aux protéines la forme dont elles ont besoin pour remplir leurs fonctions. ??

De nombreux autres éléments peuvent être trouvés en quantités extrêmement faibles (moins de 0,01 %). Par exemple, le corps humain contient souvent des traces de thorium, d'uranium, de samarium, de tungstène, de béryllium et de radium. Les oligo-éléments considérés comme essentiels chez l'homme comprennent le zinc, le sélénium, le nickel, le chrome, le manganèse, le cobalt et le plomb.

Tous les éléments présents dans le corps ne sont pas essentiels à la vie. Certains sont considérés comme des contaminants qui semblent ne pas nuire mais ne remplissent aucune fonction connue. Les exemples incluent le césium et le titane. D'autres sont activement toxiques, notamment le mercure, le cadmium et les éléments radioactifs. L'arsenic est considéré comme toxique pour l'homme, mais remplit une fonction chez d'autres mammifères (chèvres, rats, hamsters) à l'état de traces. L'aluminium est intéressant car c'est le troisième élément le plus répandu dans la croûte terrestre, mais son rôle dans le corps humain est inconnu. Alors que le fluor est utilisé par les plantes pour produire des toxines protectrices et a un "apport bénéfique apparent" chez l'homme.


1. INTRODUCTION

L'utilisation des technologies mobiles a donné lieu à de nouvelles façons de renforcer les systèmes de santé. Les applications innovantes de ces technologies se sont transformées en un nouveau domaine de la cybersanté, connu sous le nom de santé mobile (mHealth). Selon l'Observatoire mondial de la cybersanté (GOe), la mHealth est définie comme « une pratique médicale et de santé publique prise en charge par des appareils mobiles, tels que des téléphones mobiles, des appareils de surveillance des patients, des assistants numériques personnels (PDA) et d'autres appareils sans fil » (Organisation mondiale de la santé , 2011 ). L'utilisation accrue des téléphones portables dans le monde a conduit les prestataires de soins de santé à trouver des méthodes plus efficaces de surveillance et de collecte d'informations pertinentes sur les patients (Marcolino et al., 2018) conduisant à une meilleure continuité des soins. La télémédecine est le moyen de fournir des données médicales et des soins de santé via les technologies de télécommunication. Il a le potentiel de fournir des services de santé continus aux patients à distance (Scott Kruse et al., 2018 ). En plus de rapprocher les patients et les médecins, il a également des effets bénéfiques sur l'argent et le temps. Malgré le besoin, la surveillance en soins de santé en est encore à ses balbutiements avec des instruments encombrants et des pratiques cliniques restrictives. Le meilleur exemple serait l'utilisation d'un cathéter placé dans une artère relié à un transducteur pour détecter et mesurer la pression artérielle dans l'unité de soins intensifs. Outre la faible précision de la mesure, le patient est généralement mis sous sédation pour éviter tout mouvement pouvant causer des dommages. Actuellement, il n'existe pas de technologies de détection simples et économiques capables de mesurer la pression en continu et en temps réel sans sacrifier le confort du patient. Pour tirer pleinement parti de la mHealth, de nouvelles méthodes et technologies (en particulier les dispositifs de microsystèmes implantables capables de transférer en continu des données via la télémétrie sans fil) doivent être développées (Mohammadzadeh & Safdari, 2014). La mesure de la pression dans le système circulatoire, l'espace intraoculaire, les compartiments musculaires, les articulations et le cerveau est cliniquement pertinente car ce paramètre physique est un indicateur essentiel pour la détection de nombreuses maladies (Aarnoudse et al., 2007). La pression peut varier en fonction de facteurs externes et internes tels que la pression atmosphérique, la gravité ou encore les simples actions des muscles. Les pressions d'intérêt dans le corps humain vont des pressions ultra-faibles à moyennes (Yu, Kim et Meng, 2014). Les pressions ultra basses mesurent < 1 Pa les pressions subtiles vont de 1 Pa à 1 kPa les basses pressions vont de 1 à 10 kPa et les pressions moyennes vont de 10 à 100 kPa (Mannsfeld et al., 2010 Zang, Zhang, Di, & Zhu, 2015). Les valeurs de pression moyenne ont suscité beaucoup d'intérêt et sont les plages de pression homéostatique de la plupart des fonctions intra-corporelles (Choong et al., 2014 Li & Wang, 2011 Zang et al., 2015). Des capteurs de pression innovants pour des applications dans les soins de santé et le diagnostic médical dans les plages de basse et moyenne pression ont été développés au cours des dernières décennies (Zang et al., 2015 ). Historiquement, les examens de pression mesuraient un seul instantané ne couvrant que quelques secondes (par exemple, la pression artérielle ou le syndrome des loges) à moins qu'une répétition manuelle ne soit effectuée. De plus, le dispositif lui-même peut provoquer des artefacts ou dépendre de la position même lors d'une tentative de surveillance à long terme, comme c'est le cas avec les lignes artérielles (Kaisti et al., 2019 Li, Mark et Clifford, 2009). Par conséquent, la recherche s'est concentrée sur des capteurs de pression qui peuvent fonctionner à l'intérieur du corps pour fournir une surveillance à court ou à long terme. Cependant, de tels capteurs invasifs introduits dans le corps nécessitent des critères d'approbation spécifiques, notamment la biocompatibilité, la fiabilité et l'assurance qualité. La mesure de la pression artérielle a été introduite pour la première fois au 17ème siècle et a depuis fait des progrès significatifs. Cependant, dans la pratique clinique, la procédure de mesure de la pression est basée sur exactement le même principe et parfois sur la même technologie utilisée il y a des siècles. Les mesures de pression sont couramment utilisées dans un large éventail de disciplines dans le domaine de la médecine. Dans la section suivante, une description des capteurs de pression cardiaque, intracrânienne, intraoculaire, orthopédique et vésicale sera fournie plus en détail.


Homéostasie

L'homéostasie signifie que les organismes contrôlent leur environnement interne. L'homéostasie permet à un organisme de répondre aux conditions environnementales externes de manière à maintenir les conditions internes. Lorsque les changements externes dépassent la capacité d'un organisme à s'ajuster ou à compenser, l'organisme meurt.

Les humains dépendent de l'homéostasie pour rester en bonne santé. Les humains ont le sang chaud, ce qui signifie que des mécanismes internes existent pour maintenir la température corporelle interne. Le frisson lorsqu'il fait froid est l'un de ces mécanismes, tandis que la transpiration lorsqu'il fait chaud est un autre mécanisme d'homéostasie. La couche de graisse sous la peau, une autre adaptation pour l'homéostasie, isole pour aider à maintenir la température corporelle tout en offrant un espace de stockage. La graisse sert de stockage d'énergie concentré. D'autres mammifères comme les ours et les baleines ont des couches de graisse plus épaisses en raison de leur plus grand besoin d'isolation et d'énergie stockée.


Voir la vidéo: Diffusion et transport des gaz dans le sang (Janvier 2022).