Biochimie du Système Respiratoire : Fiche de Révision

Le système respiratoire est une interface vitale entre l'organisme et l'environnement, traitant plus de 10 000 litres d'air filtrés chaque jour. Sa biochimie est cruciale pour la survie.

01. Introduction & Bases Minérales

L'appareil respiratoire est une interface critique qui déploie des mécanismes anatomiques, dynamiques, moléculaires et immunologiques pour filtrer massivement l'air.

Fonctions Principales

• Échanges Gazeux (Hématose): Apport de O₂ et élimination de CO₂.

• Régulation du pH (Homéostasie): Contrôle de l'équilibre acido-basique via le CO₂.

• Phonation & Olfaction: Communication et sens.

• Métabolisme Pulmonaire: Synthèse de surfactant, activation/inactivation de substances.

Éléments Minéraux : Macro-éléments

• Na⁺ / K⁺: Potentiel de membrane, transport épithélial pulmonaire.

• Ca²⁺: Contraction muscles bronchiques, sécrétion (mucus, surfactant), battement ciliaire.

• Mg²⁺: Cofacteur enzymatique, bronchodilatateur naturel.

• Cl⁻: Hydratation du mucus (canal CFTR), effet Hamburger.

• HCO₃⁻: Tampon principal, dépliement mucines, transport CO₂.

Éléments Minéraux : Micro-éléments

• Fer (Fe): Transport O₂ (hémoglobine), cytochromes, catalase.

• Cuivre (Cu) & Zinc (Zn): Cofacteurs de la Superoxyde Dismutase (SOD), défense antioxydante.

• Manganèse (Mn): Cofacteur de Mn-SOD (mitochondriale).

• Sélénium (Se): Constituant de la Glutathion Peroxydase (GPx).

• Iode (I): Hormones thyroïdiennes, maturation pulmonaire (fœtus).

Électrolytes Sanguins (Repères et Rôles)

02. Anatomie Fonctionnelle

L'air inspiré est conditionné et acheminé par l'arbre trachéo-bronchique vers les alvéoles.

Composition de l'Air & Pressions Partielles (Niveau de la Mer)

• N₂: 78.08% (593 mmHg)

• O₂: 20.95% (159 mmHg), puis 104 mmHg en alvéolaire.

• CO₂: 0.04% (0.3 mmHg), puis 40 mmHg en alvéolaire.

• Vapeur d'Eau: 47 mmHg (air humidifié à 37°C).

La Loi de Dalton () régit les pressions partielles. L'humidification dilue les gaz, réduisant leur PO₂. Le poumon filtre 70-100 m² de surface d'échange.

Divisions Fonctionnelles

• Zone Conductrice: Nez, pharynx, larynx, trachée, bronches (espace mort anatomique).

• Zone Respiratoire: Bronchioles respiratoires, canaux et sacs alvéolaires (siège des échanges gazeux).

Arbre Trachéo-bronchique

• Trachée & Bronches souches: Cartilage en fer à cheval (conduit rigide).

• Bronches segmentaires: Cartilage fragmenté, muscle lisse de Reissessen.

• Bronchioles: Absence de cartilage, riches en muscle lisse (zone de résistance).

• Épithélium: Pseudostratifié cilié avec cellules caliciformes (sécrétion mucus).

• Fonctions: Conduction aérienne, conditionnement de l'air (37°C, humidification), filtration particulaire.

Poumon Périphérique & Alvéoles

• Pneumocytes de Type I: Très aplaties, 95% de la surface, échanges gazeux.

• Pneumocytes de Type II: Cuboïdes, 5% de la surface, synthétisent le surfactant, régénération.

• Barrière Alvéolo-Capillaire: Ultra-fine (< 0.5 µm) pour une diffusion rapide.

• Architecture Alvéolaire: 70-100 m² de surface d'échange.

• Pores de Kohn: Ouvertures inter-alvéolaires, permettent la ventilation collatérale, évitent l'atélectasie.

Mécanisme des Échanges Gazeux Alvéolaires

1. Ventilation: Arrivée de l'air riche en O₂ ().

2. Diffusion: O₂ de l'alvéole vers le capillaire ; CO₂ en sens inverse (20x plus soluble).

3. Transport: O₂ lié au fer de l'hème (). CO₂ sous forme de bicarbonate et carbaminé.

4. Perfusion: Sang oxygéné () vers le cœur.

La Loi de Fick () décrit la diffusion des gaz.

La Plèvre et Cavité

• Double Feuillet Séreux: Pariétale et viscérale, délimitant un espace virtuel.

• Film Liquidien Lubrifiant: Glissement sans friction (-5 cmH₂O de pression pleurale moyenne).

• Pression Pleurale Négative: Solidaire le poumon à la cage thoracique, empêche le collapsus.

• Rôle Mécanique: Transmission des forces musculaires inspiratoires, expansion alvéolaire.

Défense Anatomique & Moléculaire

Défense Anatomique (Première ligne)

• Filtration Nasale: Poils, turbulences (particules >10µm).

• Tapis Roulant Mucociliaire: Cils + mucus (particules fines).

• Réflexe de Toux/Éternuement: Expulsion des irritants.

Défense Dynamique (Clairance Mucociliaire)

1. Piégeage: Mucus (phase gel) capture particules.

2. Moteur: Cils vibratiles (phase sol) battent à 10-15 Hz.

3. Transport: Propulsion du mucus vers le pharynx (4-20 mm/min).

4. Élimination: Déglutition ou expectoration.

Immunité Pulmonaire (Biochimique & Cellulaire)

• Protéines Antimicrobiennes: Lysozyme, lactoferrine, défensines.

• Macrophages Alvéolaires: Cellules phagocytaires résidentes.

• Immunoglobulines A (IgA): Empêchent l'adhésion pathogène.

• Équilibre Protéase/Antiprotéase: Alpha-1-Antitrypsine (A1AT) protège contre l'élastase.

03. Le Mucus Bronchique

Une barrière physique et chimique essentielle (95% d'eau).

Structure Biphasique

• Couche Sol (périciliaire): Fluide, aqueuse, permet le battement ciliaire.

• Couche Gel (superficielle): Viscoélastique (mucines MUC5AC, MUC5B), piège les particules.

• L'équilibre hydrique est vital : la déshydratation bloque les cils (ex: mucoviscidose).

Composition Biochimique

• Eau (95-97%): Fluide essentiel.

• Na⁺ (80-100 mM): Contrôle osmolarité (absorbé par ENaC).

• Cl⁻ (90-110 mM): Contrôle hydratation (sécrété par CFTR).

• HCO₃⁻ (20-30 mM): Tampon pH, expansion mucines.

• Ca²⁺ (3-5 mM): Réticulation mucines, augmente viscosité.

Protéines et Mucines

• MUC5AC (cellules caliciformes): Viscosité immédiate, piège les pathogènes.

• MUC5B (glandes sous-muqueuses): Clairance mucociliaire basale, immunité innée.

• Lysozyme: Enzyme muramidase, lyse les parois bactériennes (Gram+).

• Lactoferrine: Chélation du fer (effet bactériostatique), activité antimicrobienne directe.

Inhibiteurs & Défensines

• Inhibiteurs de Protéases: SLPI (local) et Alpha-1-Antitrypsine (sérique), neutralisent l'élastase.

• Défensines: Peptides cationiques, forment des pores létaux dans les membranes microbiennes.

• L'équilibre protéase/antiprotéase est clé pour éviter la destruction tissulaire (ex: emphysème).

Transport Ionique Transépithélial (Régulation Hydratation)

• Canal ENaC: Absorption de Na⁺, entraîne absorption d'eau.

• Canal CFTR: Sécrétion de Cl⁻ (AMPc-dépendant), clé pour l'hydratation.

• Pompe Na⁺/K⁺ ATPase: Maintient gradient électrochimique.

• Osmose: L'eau suit passivement les ions.

CFTR et Clairance Mucociliaire

• CFTR: Canal chlorure et régulateur HCO₃⁻, inhibe ENaC.

• Assure hydratation et alcanisation du mucus (déploiement mucines).

• Dysfonction CFTR: Déshydratation, mucus visqueux et acide (mucostase).

• Diagnostic: Test de la sueur (Cl⁻ > 60 mEq/L) pour la mucoviscidose.

Mucoviscidose (Fibrose Kystique)

• Génétique: Mutation du gène CFTR (autosomique récessive).

• Physiopathologie: Défaut transport Cl⁻ et eau → mucus visqueux et épais.

• Conséquence cellulaire: Déshydratation surface épithéliale → échec clairance mucociliaire.

• Diagnostic biologique: Test de la sueur (Cl⁻ > 60 mmol/L).

• Manifestations: Respiratoires (toux chronique, infections), Digestives (insuffisance pancréatique), infertilité masculine.

04. Le Surfactant Pulmonaire

Complexe lipoprotéique (90% lipides) des pneumocytes de type II.

Définition & Rôles Majeurs

• Composition: 90% lipides (phospholipides), 10% protéines spécifiques (SP-A, B, C, D).

• Réduction Tension Superficielle: Empêche le collapsus alvéolaire (loi de Laplace: P = 2T/r).

• Stabilisation Alvéolaire: Uniformise les pressions, augmente la compliance pulmonaire.

• Défense Innée: Opsonisation (SP-A/SP-D), maintien de la sécheresse alvéolaire.

Composition Lipidique

• DPPC (Dipalmitoylphosphatidylcholine): 40-50%, saturé, réduction tension superficielle maximale.

• PC Insaturée: 20-30%, fluidité du film.

• Phosphatidylglycérol (PG): 8-10%, anionique, marqueur de maturité pulmonaire fœtale.

• Lipides Neutres: Cholestérol (modulation viscosité).

Protéines SP-A et SP-D (Collectines Hydrophiles)

• Structure: Famille des collectines (collagène-lectines), domaines de reconnaissance des glucides (CRD).

• Reconnaissance Pathogène: Lient PAMPs, agglutination, opsonisation.

• Modulation Immunitaire: Régulent l'inflammation.

Protéines Hydrophobes SP-B & SP-C

• SP-B: Indispensable, promeut la formation du film et l'éjection des lipides non-DPPC. Déficit létal.

• SP-C: Stabilise le film à bas volume pulmonaire.

Synthèse et Sécrétion du Surfactant (Dans pneumocyte de type II)

1. Synthèse: Lipides (DPPC) et apoprotéines (SP-A, B, C, D) dans le RER/Golgi.

2. Stockage: Corps lamellaires denses (LB).

3. Sécrétion: Exocytose, formation de la myéline tubulaire.

4. Fonction: Adsorption à l'interface air-liquide → film tensioactif.

Régulation Hormonale (Maturation Pulmonaire)

• Glucocorticoïdes (Cortisol): Inducteur clé, stimule synthèse phospholipides et protéines.

• Hormones Thyroïdiennes & Catécholamines: Synergie avec cortisol, stimulation de la sécrétion.

• Inhibiteurs: Insuline (hyperinsulinisme fœtal) et androgènes.

Métabolisme et Recyclage du Surfactant

1. Exocytose: Pneumocytes II sécrètent les corps lamellaires.

2. Dégradation: Film fragilise → vésicules inactives. Demi-vie ~10-20h.

3. Clairance: 80% recapté par pneumocytes II, fraction par macrophages.

4. Réutilisation: Lipides recaptés resynthétisés. Système très économe.

Détresse Respiratoire du Nouveau-né (Maladie des Membranes Hyalines)

• Urgence vitale par déficit en surfactant (immaturité pulmonaire).

• Facteur de risque: Prématurité < 34 SA.

• Physiopathologie: Collapsus alvéolaire, hypoxie réfractaire.

• Prise en charge: Surfactant exogène, CPAP, corticothérapie anténatale.

05. Alpha-1-Antitrypsine (A1AT)

(52 kDa), glycoprotéine de la famille des Serpines, synthétisée principalement par les hépatocytes.

Rôle & Mécanisme d'Action

• Anti-protéase majeure: Inhibe irréversiblement l'élastase neutrophile.

• Mécanisme: "Piège suicide" → l'A1AT présente un leurre (Met358), l'élastase l'attaque, l'A1AT change brutalement de conformation et piège l'enzyme inactive.

• Équilibre Protéase/Antiprotéase: L'A1AT protège le tissu pulmonaire contre l'autodigestion. Un déséquilibre mène à l'emphysème.

Déficit en Alpha-1-Antitrypsine

• Génétique: Gène SERPINA1 (chromosome 14), autosomique codominante.

• Variants PI: PiMM (normal), PiZZ (déficit sévère, 10-15% activité), PiSZ (risque intermédiaire).

• Double Mécanisme:

  1. Perte de fonction (Poumon): Manque d'A1AT → destruction alvéolaire (emphysème panlobulaire).

  2. Gain de fonction toxique (Foie): Accumulation de polymères d'A1AT mutée dans les hépatocytes (hépatopathie, cirrhose).

• Thérapie: Sevrage tabagique, perfusion IV d'A1AT purifiée, transplantation.

06. Le Liquide Pleural

Formation du Liquide Pleural

• Filtration pariétale: Des capillaires de la plèvre pariétale (circulation systémique).

• Équilibre de Starling: Pression hydrostatique > Pression oncotique → sortie de liquide.

• Résultat: Film liquide fin (0.1-0.2 mL/kg), pauvre en protéines (< 1.5 g/dL).

• Élimination: Drainage lymphatique via les stomates de la plèvre pariétale.

Liquide Pleural : Exsudat vs Transsudat

Critères de Light (pour un exsudat si au moins un des critères):

• Ratio Protéines Pleurales / Sériques > 0.5

• Ratio LDH Pleural / Sérique > 0.6

• LDH Pleural > 2/3 de la limite supérieure de la normale sérique

Analyse Biochimique du Liquide Pleural (Exemples)

• Glucose < 60 mg/dL: Infection, Empyème, Cancer.

• pH < 7.20: Empyème compliqué, urgence drainage.

• Triglycérides > 110 mg/dL: Chylothorax (aspect laiteux).

• ADA > 40 U/L: Tuberculose Pleurale.

• Pseudochylothorax: Apparence laiteuse due au Cholestérol (> 2 g/L), chronique.

07. L'Hémoglobine

Tétramère (HbA), 64 kDa, transporte 4 molécules d'O₂.

Structure de l'Hémoglobine

• Quaternaire: Tétramère de 4 chaînes (2 , 2 pour HbA).

• Groupe Hème: 1 par sous-unité, fer ferreux () fixe l'O₂ réversiblement.

• Interfaces: stable, mobile (changement conformation).

• États T et R: Forme T (Tendu, faible affinité, désoxy), forme R (Relâché, haute affinité, oxy).

Types d'Hémoglobine

• HbA (Adulte): , >95%, affinité modulable, régulation par 2,3-DPG.

• HbA2 (Mineure): , 2-3%, augmente dans bêtathalassémies.

• HbF (Fœtale): , haute affinité pour O₂ (moins de liaison au 2,3-DPG), permet le transfert placentaire.

Fixation de l'Oxygène (Coopérativité Sigmoïde)

1. État T (Tendu): Faible affinité, 1ère O₂ fixe lentement.

2. Rupture: O₂ tire le fer, brisant les ponts salins.

3. Transition T → R: Basculement vers l'état Relâché.

4. État R (Relâché): Affinité augmente exponentiellement, saturation rapide. C'est l'effet coopératif.

Régulation Allostérique (Facteurs modulant l'affinité pour O₂)

• pH (Effet Bohr): Acidité (↓pH) → Déplacement à droite → ↓ Affinité (libération O₂ aux tissus).

• CO₂: ↑CO₂ → Déplacement à droite → ↓ Affinité.

• 2,3-Diphosphoglycérate (2,3-DPG): Se lie au centre du tétramère , stabilise la forme T, déplace la courbe à droite.

• Température: Hyperthermie → Déplacement à droite.

Pouvoir Oxyphorique & Contenu Artériel en O₂ (CaO₂)

• 1.34 mL O₂/g Hb (Pouvoir Oxyphorique de Hüfner).

• O₂ combiné (98%), O₂ dissous (2%).

Saturation de l'Hémoglobine (SaO₂)

• Plateau (> 60 mmHg PaO₂): SaO₂ reste élevée (>90%), sécurité de chargement pulmonaire.

• Pente (< 60 mmHg PaO₂): Chute massive de SaO₂, libération O₂ aux tissus, zone critique.

• P50: PO₂ à 50% de saturation (Ref: 27 mmHg), indicateur de l'affinité (P50 élevée = affinité diminuée).

Hémoglobines Anormales

• Drépanocytose (HbS): Mutation Glu6Val sur chaîne . Polymérisation de HbS désoxygénée → GR en faucille → hémolyse + vaso-occlusion.

• Thalassémies (): Défaut quantitatif de synthèse d'une chaîne de globine. Excès de l'autre chaîne → précipitation intracellulaire → anémie, hémolyse.

Hémoglobines Toxiques

• Méthémoglobine (MetHb): oxydé en → ne fixe plus O₂. Sang "chocolat". Traitement: Bleu de Méthylène.

• Carboxyhémoglobine (HbCO): CO se lie à l'hème avec affinité 210x > O₂. Sang "rouge cerise". Traitement: Oxygénothérapie 100% (caisson hyperbare).

• Les deux déplacent la courbe vers la GAUCHE (↑ affinité pour O₂ restant), aggravant l'hypoxie tissulaire.

08. Transport des Gaz

Oxygène Dissous (Loi de Henry)

• .

• Seulement 2-3% du transport total d'O₂, mais détermine la et le gradient de diffusion.

• .

Transport du CO₂ (Trois Formes)

1. Dissous (): Détermine la . (Loi de Henry : → CO₂ est 20-24x plus soluble que O₂).

2. Bicarbonates (): Forme majeure. Réaction , catalysée par anhydrase carbonique dans les GR.

3. Composés Carbaminés (): CO₂ lié aux groupements amines de l'hémoglobine ().

Effet Hamburger (Échange Cl⁻/HCO₃⁻)

1. CO₂ diffuse dans le GR, hydraté en et .

2. tamponné par l'hémoglobine réduite.

3. sort vers le plasma, échange contre un pour maintenir l'électroneutralité (via Protéine Bande 3).

Effet Haldane (Coopération O₂ - CO₂)

• Poumons: Oxygénation de l'Hb → Hb libère → formation de expiré.

• Tissus: Désoxygénation de l'Hb → Hb réduite capte → ↑ capacité de transport du .

09. Équilibre Acido-Basique

pH sanguin moyen: 7.40 (7.35-7.45).

Importance du pH Sanguin

• Maintien 7.35-7.45: Crucial pour la structure des protéines, activité enzymatique.

• Production quotidienne d'acides (15 000 mmol/j de CO₂, 70 mmol/j d'acides non-volatils).

• Régulation pulmonaire (Rapide): Élimination du CO₂.

• Régulation rénale (Lente): Contrôle des bicarbonates () et .

Les Systèmes Tampons de l'Organisme

• Tampon Bicarbonate/Acide Carbonique: Principal tampon plasmatique (extracellulaire). Régulé par poumons () et reins ().

• Tampon Hémoglobine/Hémoglobinate: Majeur du sang total (érythrocyte). Groupes imidazole de l'histidine (pKa ).

• Tampon Protéine/Protéinate: Intra et extracellulaire (groupes amines/carboxyles).

• Tampon Phosphate: Cytosol, élimination rénale des .

Équation de Henderson-Hasselbalch

• Le pH est normal si le ratio est de 20:1 (24 / 1.2).

Régulation Pulmonaire et Rénale

10. Pathologies & Conclusion

Gazométrie Artérielle

• Prélèvement: Ponction anaérobie, seringue héparinée.

• Conditionnement: Chasser les bulles d'air.

• Conservation: Analyse immédiate (< 15-30 min) ou dans la glace.

• Mesure directe: pH, , .

• Calculé: , , Excès de Base (BE).

Valeurs de Référence Normales (Artérielles)

• pH: 7.35 – 7.45

• PaCO₂: 35 – 45 mmHg (respiratoire)

• HCO₃⁻: 22 – 26 mmol/L (métabolique)

• PaO₂: 80 – 100 mmHg (Oxygénation)

• SaO₂: 96 – 100 %

• BE: -2 à +2 mmol/L (réserve tampon globale)

Déséquilibres Acido-Basiques et Compensations

• Acidose Respiratoire: pH, PaCO₂. Cause: hypoventilation. Comp: reins ( HCO₃⁻).

• Alcalose Respiratoire: pH, PaCO₂. Cause: hyperventilation. Comp: reins ( HCO₃⁻).

• Acidose Métabolique: pH, HCO₃⁻. Cause: excès d'acide/perte de base. Comp: Poumons (hyperventilation PaCO₂).

• Alcalose Métabolique: pH, HCO₃⁻. Cause: perte d'acide/excès d'alcalins. Comp: Poumons (hypoventilation PaCO₂).

La respiration est la fonction vitale par excellence, un équilibre biochimique permanent entre l'air et le sang.