B8 · Système respiratoire

Échanges gazeux alvéolo-capillaires

Décrire la barrière alvéolo-capillaire et la diffusion des gaz selon leurs pressions partielles. Analyser les rapports ventilation-perfusion et leurs conséquences sur l'hématose.

Physiologie7 min de lecture17 QCM corrigés

Finalité de l’hématose

L’hématose met en relation trois processus successifs :

la ventilation alvéolaire, qui renouvelle le gaz présent dans les alvéoles ;
la perfusion pulmonaire, qui apporte le sang veineux aux capillaires alvéolaires ;
la diffusion, qui permet aux gaz de traverser la barrière alvéolo-capillaire.

La mécanique ventilatoire ainsi que les volumes et débits pulmonaires sont étudiés dans les fiches précédentes. Le transport sanguin de $\ce{O2}$ et de $\ce{CO2}$ , notamment leur liaison à l’hémoglobine, relève de la fiche suivante.

La barrière alvéolo-capillaire

Du compartiment alvéolaire vers l’hématie, les gaz traversent successivement :

le film liquidien recouvrant l’alvéole ;
le cytoplasme très aminci d’un pneumocyte de type I ;
la lame basale épithéliale ;
un interstitium réduit, avec des lames basales souvent fusionnées ;
la lame basale puis le cytoplasme d’une cellule endothéliale capillaire ;
le plasma ;
la membrane de l’hématie.

Cette organisation associe une très grande surface d’échange à une très faible épaisseur. Elle raccourcit la distance de diffusion tout en maintenant deux compartiments distincts : l’air alvéolaire et le sang.

Une augmentation de l’épaisseur de la barrière ralentit les échanges. Une diminution de la surface alvéolaire disponible les réduit également. Ces deux modifications diminuent la capacité globale du poumon à transférer les gaz.

Pressions partielles et sens des échanges

Un gaz diffuse spontanément d’une région où sa pression partielle est élevée vers une région où elle est plus faible. Ce déplacement se poursuit jusqu’à l’égalisation des pressions partielles, si le temps de contact et les propriétés de la barrière le permettent.

Au début du capillaire pulmonaire :

la pression partielle de $\ce{O2}$ est plus élevée dans l’alvéole que dans le sang veineux ; $\ce{O2}$ diffuse donc de l’alvéole vers le sang ;
la pression partielle de $\ce{CO2}$ est plus élevée dans le sang veineux que dans l’alvéole ; $\ce{CO2}$ diffuse donc du sang vers l’alvéole.

Bien que le gradient de pression partielle du $\ce{CO2}$ soit plus faible que celui de $\ce{O2}$ , le $\ce{CO2}$ diffuse efficacement car il est beaucoup plus soluble dans les milieux biologiques.

Loi de diffusion à travers la barrière

Le débit de transfert d’un gaz suit une forme de la loi de Fick : il augmente avec la surface disponible, le gradient de pression partielle et le coefficient de diffusion du gaz, mais diminue lorsque l’épaisseur de la barrière augmente.

La capacité de diffusion résume donc l’effet conjoint de la surface, de l’épaisseur et des propriétés physicochimiques du gaz. Elle diminue si la barrière s’épaissit, si la surface fonctionnelle se réduit ou si le temps de passage du sang dans les capillaires devient insuffisant.

Limitation par la diffusion ou par la perfusion

Un échange est limité par la diffusion lorsque le gaz n’a pas atteint l’équilibre entre l’alvéole et le sang à la fin du capillaire. L’augmentation du débit sanguin ne suffit alors pas à normaliser son transfert, car la traversée de la barrière constitue l’étape limitante.

Un échange est limité par la perfusion lorsque l’équilibre des pressions partielles est atteint précocement. La quantité supplémentaire transférée dépend alors surtout de l’arrivée de nouveau sang maintenant un gradient avec le gaz alvéolaire.

Dans les conditions physiologiques usuelles, le transfert de $\ce{O2}$ atteint généralement l’équilibre avant la sortie du capillaire. Il peut toutefois devenir limité par la diffusion si la barrière est altérée ou si le temps de transit capillaire est fortement réduit.

Couplage entre ventilation et perfusion

Pour qu’une unité alvéolaire participe efficacement à l’hématose, elle doit recevoir à la fois du gaz et du sang. Leur adéquation est décrite par le rapport ventilation-perfusion.

Lorsque ventilation et perfusion sont proportionnées, le renouvellement des gaz alvéolaires correspond à l’apport sanguin : les gradients nécessaires à l’entrée de $\ce{O2}$ et à la sortie de $\ce{CO2}$ sont maintenus.

Le rapport n’est pas uniforme dans le poumon. Sous l’effet de la gravité, ventilation et perfusion augmentent globalement des régions supérieures vers les régions inférieures, mais la perfusion varie davantage. Le rapport est donc relativement plus élevé dans les régions supérieures et plus faible dans les régions inférieures.

Inégalités du rapport ventilation-perfusion

Rapport faible

Lorsque la ventilation devient insuffisante par rapport à la perfusion, le gaz alvéolaire est moins renouvelé. Sa pression partielle en $\ce{O2}$ diminue tandis que celle en $\ce{CO2}$ augmente. Le sang quittant cette région reste donc insuffisamment oxygéné.

À la limite, si la perfusion persiste alors que la ventilation est nulle, le sang traverse le poumon sans être mis en contact avec du gaz alvéolaire renouvelé.

Dans cette situation limite, $\dot V_A = 0$ et le rapport $\dot V_A/\dot Q$ est nul.

Rapport élevé

Lorsque la ventilation est excessive par rapport à la perfusion, une partie du gaz alvéolaire ne rencontre pas suffisamment de sang pour participer aux échanges. Cette ventilation est alors peu efficace pour l’hématose.

À la limite, si la ventilation persiste alors que la perfusion est nulle, $\dot Q = 0$ et le rapport $\dot V_A/\dot Q$ tend vers l’infini.

Comparaison

Situations limites du rapport ventilation-perfusion

Critère	Court-circuit pulmonaire	Espace mort alvéolaire
Ventilation alvéolaire	nulle	présente
Perfusion	présente	nulle
Rapport $\dot V_A/\dot Q$	nul	tend vers l’infini
Conséquence principale	sang non oxygéné	ventilation sans échange

Conséquences sur l’hématose

Les inégalités de ventilation-perfusion créent des sangs capillaires terminaux de compositions différentes. Leur mélange dans la circulation pulmonaire détermine finalement les pressions partielles artérielles.

Les régions à rapport élevé compensent imparfaitement les régions à rapport faible. En effet, le sang issu d’une région correctement oxygénée ne peut augmenter indéfiniment sa teneur en $\ce{O2}$ , en raison des propriétés de saturation de l’hémoglobine étudiées dans la fiche suivante. Les inégalités marquées du rapport ventilation-perfusion tendent donc surtout à diminuer l’oxygénation artérielle.

Points clés

$\ce{O2}$ et $\ce{CO2}$ diffusent à travers la barrière alvéolo-capillaire selon leurs gradients de pression partielle.
Le débit de diffusion augmente avec la surface, le coefficient de diffusion et le gradient de pression, mais diminue avec l’épaisseur de la barrière.
L’hématose exige le couplage de la ventilation alvéolaire $\dot V_A$ et de la perfusion pulmonaire $\dot Q$ .
Un rapport ventilation-perfusion faible entraîne une oxygénation insuffisante du sang capillaire.
Une ventilation sans perfusion constitue un espace mort, tandis qu’une perfusion sans ventilation constitue un court-circuit pulmonaire.
Les inégalités régionales de ventilation-perfusion sont une cause majeure d’altération de l’oxygénation artérielle.

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