Échanges et transport des gaz respiratoires

Échanges et transport des gaz respiratoires

Les échanges respiratoires

L’oxygène nécessaire aux cellules est prélevé dans le milieu extérieur, tandis que le gaz carbonique, déchet de la respiration, y est rejeté. Ce processus constitue les échanges respiratoires.

Chez les plantes, les échanges respiratoires ont lieu au niveau des feuilles ; ils se font, par simple diffusion, par de petits pores appelés stomates. Chez les animaux unicellulaires (protozoaires), de structure très simple (spongiaires, cnidaires) ou de très petite taille (certains vers), les gaz diffusent directement entre le milieu et chaque cellule de l’animal. Chez les autres animaux, les échanges d'oxygène et de gaz carbonique se font au niveau d'organes respiratoires, trachées, poumons ou branchies. Chez les amphibiens, une grande partie des échanges a lieu à travers la peau.

Chez l'homme au repos, 250 ml d'oxygène sont consommés chaque minute, et 200 ml de dioxyde de carbone sont produits ; au cours d'un effort, ces valeurs sont multipliées par environ 10.

Systèmes de transport

Chez la plupart des animaux, il existe un système de transport des gaz entre la surface respiratoire qui assure les échanges avec le milieu extérieur, et les cellules de l’organisme – qui en sont parfois très éloignées. Ce transport dans l’organisme est le plus souvent assuré par le sang. Chez les invertébrés qui ne respirent pas avec des trachées, ce rôle est rempli par l’hémolymphe (l’équivalent du sang chez les invertébrés) – chez les invertébrés à trachées (insectes notamment), ce sont les trachées elles-mêmes qui apportent l’oxygène aux cellules.

■Les pigments respiratoires

Le sang et l’hémolymphe contiennent des pigments spécialisés dans le transport des gaz respiratoires, qui ont une très forte affinité pour l’oxygène. Il en existe de nombreux types, mais tous ont en commun une structure protéique, à laquelle sont associés des ions métalliques (fer, cuivre). Chez les invertébrés, ces pigments sont en solution dans le liquide, tandis que chez les organismes plus complexes, ils sont contenus dans des cellules.

L’hémoglobine des vertébrés est incluse dans les globules rouges (hématies) du sang, auxquels elle donne leur couleur rouge. C’est une protéine de forme à peu près sphérique, de 5,5 nm de diamètre. Elle est composée de sous-unités protéiques (quatre le plus souvent) qui contiennent chacune un atome de fer, qui a la propriété de fixer l'oxygène de l'air ou celui dissous dans l'eau, et de l'abandonner au voisinage de ces cellules. Chez de nombreux crustacés et mollusques, le pigment, l'hémocyanine, dissous dans l'hémolymphe, contient des atomes de cuivre.

■Le transport du dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone étant très soluble dans l'eau (30 fois plus que l'oxygène), aucun problème réel de transport ne se pose : il diffuse rapidement des tissus qui le produisent vers le sang, d'où il est entraîné vers les poumons. Au niveau des alvéoles pulmonaires, la concentration de ce gaz dans l'air est relativement faible, et il est donc facilement libéré.

Malgré cela, le dioxyde de carbone n'est pas seulement transporté sous forme dissoute. En effet, il peut se combiner avec l'eau pour former des ions bicarbonate (HCO−3), et cette transformation est accélérée à l'intérieur des hématies par une enzyme, l'anhydrase carbonique. Ces ions représentent en fait la forme la plus abondante du dioxyde de carbone véhiculée par le sang. Enfin, le dioxyde de carbone peut se combiner avec le groupement amine (–NH2) des protéines et, en particulier, avec celui de l'hémoglobine.

Ainsi, auprès des cellules, les hématies se chargent du gaz carbonique produit par ces dernières, qu'elles relarguent ensuite au niveau des surfaces respiratoires.

Les facteurs modifiant le transport d'oxygène

Certains facteurs modifient et régulent l'association entre le pigment et l'oxygène. En effet, il est important que le pigment puisse, ponctuellement, capter des quantités de gaz plus importantes et libérer rapidement les molécules dans les tissus qui en ont besoin. Parmi ces facteurs influençant l'affinité des pigments pour l'oxygène, on trouve le pH, la température et le 2,3-diphosphoglycérate (DPG). Un pH acide affaiblit la liaison avec l'oxygène et, si l'on considère que le CO2, lorsqu'il se dissout dans le sang, abaisse le pH, le sang veineux peut libérer l'oxygène qu'il contient.

La température diminue également l'affinité des pigments. Au niveau physiologique, cette propriété est importante, car les tissus actifs – comme les muscles lors d'un effort – ont une température plus élevée : leur demande en oxygène, et donc sa libération à leur niveau, peut être satisfaite plus rapidement. Le DPG a une action comparable à celle de la température au niveau de l'association oxygène/hémoglobine. Les hématies d'un fœtus ayant une concentration en DPG plus faible que celle des hématies de la mère, l'affinité de l'hémoglobine fœtale pour l'oxygène est plus importante. Cette propriété explique le sens de l'échange d'oxygène de la mère vers l'enfant.

Le phénomène de respiration dans les œufs

Aucun mouvement respiratoire ne peut être observé chez un œuf et, pourtant, celui-ci respire. Le mécanisme en jeu est particulier : le passage de l'air se fait à travers les milliers de pores microscopiques de la coquille, selon les règles de la diffusion.

Lorsque la teneur en oxygène de l'œuf est plus basse que celle de l'atmosphère, l'oxygène entre spontanément. De même, lorsque le taux de dioxyde de carbone interne s'élève, celui-ci s'échappe de l'œuf. Collé contre la membrane interne de la coquille, l'allantochorion (équivalent du placenta des mammifères) est un feuillet richement vascularisé, au niveau duquel s'effectuent les échanges gazeux avec l'extérieur ; les gaz sont diffusés dans l'embryon par la circulation sanguine. Chez l'embryon de poulet, dont l'incubation dure 21 jours, l'allantochorion est déjà constitué le 5e jour. La respiration pulmonaire commence le 19e jour, avec la période périnatale.

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