Échange gazeux
L’échange gazeux est le processus par lequel l’oxygène et le dioxyde de carbone se déplacent entre la circulation sanguine et les poumons. Il s’agit de la fonction principale du système respiratoire et elle est essentielle pour assurer un apport constant d’oxygène aux tissus, ainsi que pour éliminer le dioxyde de carbone afin d’éviter son accumulation.
Cet article abordera les principes de l’échange gazeux, les facteurs affectant le taux d’échange et les conditions cliniques pertinentes.
Physique de la diffusion des gaz
Le mouvement des gaz dans un espace contenu (dans ce cas, les poumons) est aléatoire, mais la diffusion globale entraîne un mouvement des zones de forte concentration vers celles de faible concentration. La vitesse de diffusion d’un gaz est principalement affectée par
- Le gradient de concentration : Plus le gradient est grand, plus le taux est rapide.
- Surface de diffusion : Plus la surface est grande, plus le taux est rapide.
- La longueur du chemin de diffusion : Plus la longueur du chemin est grande, plus la vitesse est lente.
La collision des molécules de gaz avec les parois du récipient entraîne une pression. Celle-ci est définie par la loi des gaz idéaux, donnée par l’équation suivante :
(n représente le nombre de moles, R la constante des gaz (8.314), T la température absolue et V le volume du récipient)
Fig 1 – Équation pour calculer la pression d’un gaz dans un récipientDiffusion des gaz à travers les gaz
Lorsque les gaz diffusent à travers d’autres gaz (comme dans les alvéoles), leur vitesse de diffusion peut être définie par la loi de Graham :
« Le taux de diffusion est inversement proportionnel à la racine carrée de sa masse molaire à pression et température identiques »
En d’autres termes, plus la masse d’un gaz est petite, plus il diffuse rapidement.
Diffusion des gaz à travers les liquides
Lorsque les gaz diffusent à travers les liquides, par exemple à travers la membrane alvéolaire et dans le sang capillaire, la solubilité des gaz est importante. Plus un gaz est soluble, plus il diffuse rapidement.
La solubilité d’un gaz est définie par la loi de Henry, qui stipule que :
« La quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à sa pression partielle au-dessus du liquide ».
Si l’on suppose que les conditions de température et de pression de tous les gaz restent fixes (comme c’est grossièrement le cas dans les alvéoles), alors ce sont les différences inhérentes entre les différents gaz qui déterminent leur solubilité.
Le dioxyde de carbone est intrinsèquement plus soluble que l’oxygène, et diffuse donc beaucoup plus rapidement que l’oxygène dans le liquide.
La loi de Fick
La loi de Fick nous donne un certain nombre de facteurs qui affectent la vitesse de diffusion d’un gaz à travers un fluide :
- La différence de pression partielle à travers la barrière de diffusion.
- La solubilité du gaz.
- La surface de section transversale du fluide.
- La distance dont les molécules ont besoin pour diffuser.
- Le poids moléculaire du gaz.
- La température du fluide – pas importante dans les poumons et peut être supposée être de 37oC.
Dans les poumons, alors que l’oxygène est plus petit que le dioxyde de carbone, la différence de solubilité signifie que le dioxyde de carbone diffuse environ 20 fois plus vite que l’oxygène.
Cette différence entre la vitesse de diffusion des différentes molécules est compensée par la grande différence des pressions partielles de l’oxygène, créant un gradient de diffusion plus important que celui du dioxyde de carbone.
Cependant, cela signifie que dans les états pathologiques qui altèrent la capacité des poumons à ventiler adéquatement avec de l’oxygène, l’échange d’oxygène est souvent compromis avant celui du dioxyde de carbone.
Diffusion de l’oxygène
La pression partielle de l’oxygène est faible dans les alvéoles par rapport au milieu extérieur. Cela est dû à la diffusion continue de l’oxygène à travers la membrane alvéolaire et à l’effet de dilution du dioxyde de carbone qui entre dans les alvéoles pour quitter le corps.
Malgré cela, la pression partielle est toujours plus élevée dans les alvéoles que dans les capillaires, ce qui entraîne une diffusion nette dans le sang. Une fois qu’il a diffusé à travers les membranes alvéolaires et capillaires, il se combine avec l’hémoglobine. Cela forme l’oxyhémoglobine qui transporte l’oxygène vers les tissus respirants via la circulation sanguine.
Plus d’informations sur le transport de l’oxygène dans le sang peuvent être trouvées ici.
Pendant l’exercice, le sang passe jusqu’à la moitié du temps normal (une seconde au repos) dans les capillaires pulmonaires en raison de l’augmentation du débit cardiaque qui déplace le sang plus rapidement dans le corps. Cependant, la diffusion de l’oxygène est complète dans la demi-seconde suivant l’arrivée du globule dans le capillaire, ce qui signifie que l’exercice n’est pas limité par les échanges gazeux.
Fig 2 – Diagramme montrant les pressions partielles de l’oxygène et du dioxyde de carbone dans le système respiratoireDiffusion du dioxyde de carbone
La pression partielle du dioxyde de carbone dans les capillaires est beaucoup plus élevée que celle dans les alvéoles. Cela signifie qu’une diffusion nette se produit dans les alvéoles à partir des capillaires. Le dioxyde de carbone peut alors être expiré car la pression partielle dans les alvéoles est également plus élevée que la pression partielle dans le milieu extérieur.
Le dioxyde de carbone est transporté dans le sang de multiples façons ; notamment dissous, associé à des protéines et sous forme d’ions bicarbonate. Des informations complémentaires sur le transport du dioxyde de carbone dans le sang sont disponibles ici.
Barrière de diffusion
La barrière de diffusion dans les poumons est constituée des couches suivantes :
- Epithélium alvéolaire
- Fluide tissulaire
- Endothélium capillaire
- Plasma
- Membrane des globules rouges
Fig 3 – Diagramme montrant les couches constituant la barrière de diffusion dans les poumonsFacteurs qui affectent le taux de diffusion
Il existe de nombreuses propriétés qui peuvent affecter le taux de diffusion dans les poumons. Les principaux facteurs sont les suivants :
- Épaisseur de la membrane – plus la membrane est mince, plus la vitesse de diffusion est rapide. La barrière de diffusion dans les poumons est extrêmement mince , cependant certaines conditions provoquent un épaississement de la barrière, ce qui entrave la diffusion. Exemples :
- Fluide dans l’espace interstitiel (œdème pulmonaire).
- Épaississement de la membrane alvéolaire (fibrose pulmonaire).
- Surface membranaire – plus la surface est grande, plus la vitesse de diffusion est rapide. Les poumons ont normalement une très grande surface pour les échanges gazeux grâce aux alvéoles.
- Les maladies telles que l’emphysème entraînent la destruction de l’architecture alvéolaire, conduisant à la formation de grands espaces remplis d’air appelés bulles. Cela réduit la surface disponible et ralentit la vitesse des échanges gazeux.
- Différence de pression à travers la membrane
- Coefficient de diffusion du gaz
Pertinence clinique – Emphysème
L’emphysème est une maladie chronique et progressive qui entraîne la destruction des alvéoles pulmonaires. Il en résulte une surface fortement réduite pour les échanges gazeux dans les poumons, ce qui entraîne généralement une hypoxie (insuffisance respiratoire de type 1).
Le principal symptôme de l’emphysème est l’essoufflement, cependant les patients peuvent également présenter une respiration sifflante, une toux persistante ou une oppression thoracique. L’emphysème, ainsi que la bronchite chronique, sont les affections qui composent la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Si le tabagisme est la cause la plus fréquente, d’autres facteurs de risque incluent l’exposition à la fumée secondaire, l’exposition à des fumées ou à des poussières professionnelles et le fait de vivre dans des zones à fort taux de pollution.
Le traitement dépend du stade de la maladie (c’est-à-dire du degré de symptômes et d’obstruction des voies respiratoires) mais comprend généralement :
- L’arrêt du tabac.
- Des bronchodilatateurs pour réduire la constriction bronchique.
- Des corticostéroïdes inhalés pour réduire l’inflammation des voies respiratoires.
- Des antibiotiques et des stéroïdes oraux pour les exacerbations de la maladie.
- Oxygénothérapie de longue durée (LTOT) en cas de maladie évolutive grave.
Fig 4 – Poumons emphysémateux.