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6.10.1 : Besoins en gaz - Biologie

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Les cellules sont cultivées et maintenues à une température appropriée et à un mélange gazeux d'oxygène, de dioxyde de carbone et d'azote dans un incubateur de cellules.

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

Comparer les différentes exigences en gaz de divers microbes

Points clés

  • Les conditions de culture varient considérablement pour chaque type de cellule. La variation des conditions pour un type cellulaire particulier peut entraîner différents phénotypes.
  • Les capnophiles sont des micro-organismes qui se développent en présence de fortes concentrations de dioxyde de carbone.
  • Les diazotrophes sont des micro-organismes qui fixent l'azote gazeux atmosphérique en une forme plus utilisable telle que l'ammoniac.

Mots clés

  • capnophile: Un micro-organisme qui nécessite ou se développe mieux en présence de fortes concentrations de dioxyde de carbone.
  • diazotrophe: Un micro-organisme qui peut fixer l'azote.

Les cellules sont cultivées et maintenues à une température et un mélange gazeux appropriés (typiquement, 37°C et un mélange d'oxygène, de dioxyde de carbone et d'azote) dans un incubateur de cellules. Les conditions de culture varient considérablement pour chaque type de cellule. La variation des conditions pour un type cellulaire particulier peut entraîner différents phénotypes.

Les capnophiles sont des micro-organismes qui se développent en présence de fortes concentrations de dioxyde de carbone. Typiquement, dans une culture cellulaire, la concentration en CO2 est d'environ 5%. Certains capnophiles peuvent avoir un besoin métabolique en dioxyde de carbone, tandis que d'autres rivalisent simplement avec plus de succès pour les ressources dans ces conditions.

Les diazotrophes sont des micro-organismes qui fixent l'azote gazeux atmosphérique en une forme plus utilisable telle que l'ammoniac. Un diazotrophe est un organisme capable de se développer sans sources externes d'azote fixe. Voici quelques exemples de diazotrophes libres :

1) les anaérobies obligatoires qui ne tolèrent pas l'oxygène même s'ils ne fixent pas l'azote. Ils vivent dans des habitats pauvres en oxygène, tels que les sols et les matières végétales en décomposition.

2) Les anaérobies facultatifs qui peuvent croître avec ou sans oxygène, mais ils ne fixent l'azote que de manière anaérobie. Souvent, ils respirent l'oxygène aussi rapidement qu'il est fourni, en maintenant la quantité d'oxygène libre à un faible niveau.

3) Les aérobies qui ont besoin d'oxygène pour se développer, mais leur nitrogénase est toujours affaiblie si elle est exposée à l'oxygène.

4) Les bactéries photosynthétiques oxygéniques génèrent de l'oxygène en tant que sous-produit de la photosynthèse, mais certaines sont également capables de fixer l'azote.

5) Et enfin, les bactéries photosynthétiques anoxygéniques qui ne génèrent pas d'oxygène lors de la photosynthèse car elles n'ont qu'un seul photosystème qui ne peut pas séparer l'eau. De plus, la nitrogénase est exprimée sous limitation en azote.

Certaines plantes supérieures et certains animaux (termites) ont formé des associations (symbioses) avec des diazotrophes. Des exemples de ces diazotrophes comprennent : les rhizobiums qui s'associent aux légumineuses, les plantes de la famille des Fabacées, les frankias et les cyanobactéries qui s'associent aux champignons comme les lichens, aux hépatiques, aux fougères et aux cycas.


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Contenu

Les milieux de croissance les plus courants pour les micro-organismes sont les bouillons nutritifs (milieu nutritif liquide) ou le milieu de bouillon de lysogénie. Les milieux liquides sont souvent mélangés avec de la gélose et versés via un distributeur de milieux stériles dans des boîtes de Pétri pour se solidifier. Ces plaques de gélose fournissent un milieu solide sur lequel les microbes peuvent être cultivés. Ils restent solides, car très peu de bactéries sont capables de décomposer la gélose (à l'exception de certaines espèces des genres : Cytophage, Flavobactérie, Bacille, Pseudomonas, et Alcaligènes). Les bactéries cultivées dans des cultures liquides forment souvent des suspensions colloïdales. [4] [5]

La différence entre les milieux de croissance utilisés pour la culture cellulaire et ceux utilisés pour la culture microbiologique est que les cellules dérivées d'organismes entiers et cultivées en culture ne peuvent souvent pas se développer sans l'ajout, par exemple, d'hormones ou de facteurs de croissance qui se produisent habituellement. in vivo. [6] Dans le cas des cellules animales, cette difficulté est souvent résolue par l'ajout de sérum sanguin ou d'un sérum synthétique de remplacement au milieu. Dans le cas des micro-organismes, de telles limitations n'existent pas, car il s'agit souvent d'organismes unicellulaires. Une autre différence majeure est que les cellules animales en culture sont souvent cultivées sur une surface plane à laquelle elles se fixent, et le milieu est fourni sous forme liquide, qui recouvre les cellules. En revanche, des bactéries telles que Escherichia coli peut être cultivé sur des milieux solides ou liquides.

Une distinction importante entre les types de milieux de croissance est celle des milieux définis et non définis. [1] Un milieu défini aura des quantités connues de tous les ingrédients. Pour les micro-organismes, elles consistent à apporter des oligo-éléments et des vitamines nécessaires au microbe et notamment des sources de carbone et d'azote définies. Le glucose ou le glycérol sont souvent utilisés comme sources de carbone et les sels ou nitrates d'ammonium comme sources d'azote inorganique. Un milieu indéfini contient des ingrédients complexes, tels que l'extrait de levure ou l'hydrolysat de caséine, qui sont constitués d'un mélange de nombreuses espèces chimiques dans des proportions inconnues. Les milieux non définis sont parfois choisis en fonction du prix et parfois par nécessité – certains micro-organismes n'ont jamais été cultivés sur des milieux définis.

Un bon exemple de milieu de croissance est le moût utilisé pour faire de la bière. Le moût contient tous les nutriments nécessaires à la croissance des levures et, dans des conditions anaérobies, de l'alcool est produit. Lorsque le processus de fermentation est terminé, la combinaison de microbes moyens et dormants, maintenant la bière, est prête à être consommée. Les principaux types sont

  • médias culturels
  • média minimal
  • médias sélectifs
  • médias différentiels
  • moyens de transport
  • indicateur média

Médias culturels Modifier

Les milieux de culture contiennent tous les éléments dont la plupart des bactéries ont besoin pour leur croissance et ne sont pas sélectifs. Ils sont donc utilisés pour la culture générale et l'entretien des bactéries conservées dans les collections de cultures de laboratoire.

Un milieu indéfini (également appelé milieu basal ou complexe) contient :

  • une source de carbone telle que le glucose
  • l'eau
  • divers sels
  • une source d'acides aminés et d'azote (par exemple, bœuf, extrait de levure)

Il s'agit d'un milieu non défini car la source d'acides aminés contient une variété de composés dont la composition exacte est inconnue.

Un milieu défini (également appelé milieu chimiquement défini ou milieu synthétique) est un milieu dans lequel

Exemples de milieux nutritifs :

Média minimal Modifier

Un milieu défini qui contient juste assez d'ingrédients pour soutenir la croissance est appelé "milieu minimal". Le nombre d'ingrédients qui doivent être ajoutés à un milieu minimal varie énormément selon le micro-organisme cultivé. [7] Les milieux minimaux sont ceux qui contiennent le minimum de nutriments possibles pour la croissance des colonies, généralement sans la présence d'acides aminés, et sont souvent utilisés par les microbiologistes et les généticiens pour cultiver des micro-organismes « de type sauvage ». Les milieux minimaux peuvent également être utilisés pour sélectionner pour ou contre des recombinants ou des exconjugants.

Le support minimal contient généralement :

  • une source de carbone, qui peut être un sucre comme le glucose, ou une source moins riche en énergie comme le succinate
  • divers sels, qui peuvent varier selon les espèces de bactéries et les conditions de croissance, ils fournissent généralement des éléments essentiels tels que le magnésium, l'azote, le phosphore et le soufre pour permettre aux bactéries de synthétiser des protéines et des acides nucléiques
  • l'eau

Les milieux minimaux supplémentaires sont des milieux minimaux qui contiennent également un seul agent sélectionné, généralement un acide aminé ou un sucre. Cette supplémentation permet la culture de lignées spécifiques de recombinants auxotrophes.


Attributs d'espace

Les types d'espace de laboratoire humide sont uniques en ce sens qu'ils doivent accueillir des connexions simultanées et séparées de ventilation et de services publics au niveau des modules de laboratoire individuels pour assurer à la fois la fiabilité et la précision des résultats ainsi que la sécurité des occupants dans tout l'espace. Les caractéristiques typiques des types d'espace de laboratoire humide comprennent la liste des éléments d'objectifs de conception applicables, comme indiqué ci-dessous. Pour une liste complète et des définitions des objectifs de conception dans le contexte de la conception de l'ensemble du bâtiment, cliquez sur les titres ci-dessous.

Accessible

Tout nouveau projet de laboratoire doit tenir compte de la conformité ABA/Section 504/ADA, des normes ADA 2010 pour la conception accessible publiées par le ministère de la Justice et de toutes les directives d'accessibilité nationales ou locales qui peuvent s'appliquer. Voici les principales considérations pour une conception accessible dans les laboratoires :

  • Fournir des systèmes de mobilier adaptables et des surfaces de travail à hauteur réglable pour accueillir les personnes en fauteuil roulant.
  • Fournir une hotte ADA dans chaque laboratoire. Une hotte ADA est conçue avec un châssis qui s'ouvre verticalement et horizontalement.
  • Fournir un évier de hauteur ADA (34 po) pour chaque laboratoire.
  • Fournir un poste de travail/zone de rédaction ADA dans chaque laboratoire.
  • Choisissez des poignées de douche d'urgence qui peuvent être relevées pour arrêter le débit. Installez des étagères coulissantes dans les armoires du bas.
  • Installez un extincteur léger à portée d'un poste de travail handicapé.

Le nouveau laboratoire d'immersion biomédicale accessible de l'Université Purdue comprend un laboratoire humide et utilisera un espace flexible dans le Discovery Learning Research Center.
Photo reproduite avec l'aimable autorisation de l'Université Purdue. Crédit photo : Andrew Hancock

Esthétique

  • Surfaces: Les surfaces résilientes font partie intégrante de la conception de type d'espace de laboratoire humide. Utilisez de la peinture époxy pour les murs du laboratoire et les revêtements de sol en vinyle monolithiques, sans couture et résistants aux produits chimiques avec une base à gorge intégrale et une finition en mylar.

Fonctionnel / Opérationnel

Modules de laboratoire séparés: Un espace de laboratoire humide est généralement divisé en modules de laboratoire séparés qui contiennent des connexions contrôlées individuellement au CVC, aux services publics et aux dispositifs de sécurité. Les modules sont définis spatialement par une dalle structurelle du sol au plafond avec un plénum de séparation sous le sol.

CVC constant et fiable: Comme certains équipements et expériences sont sensibles à la température et à l'humidité, des conditions constantes sont nécessaires dans les espaces du laboratoire humide pour garantir que l'équipement peut fonctionner correctement et que les expériences produisent des résultats précis. Les laboratoires sont généralement fournis avec un système de réchauffage terminal à volume variable avec des préfiltres et des post-filtres pour une efficacité de 90 %. En général, les espaces de laboratoire ont une pression positive par rapport aux autres espaces sans retour d'air du laboratoire vers les autres espaces. Pour plus d'informations, voir WBDG CVC hautes performances.

Contrôle de la poussière: Tout comme les expériences et l'équipement peuvent être sensibles aux changements de température et d'humidité, ils peuvent l'être à la poussière et à d'autres particules étrangères. Pour plus d'informations, voir WBDG Systèmes pare-air dans les bâtiments et décontamination de l'air.

Services de gaz/utilitaires: Les connexions aux services publics dans les types d'espace de laboratoire humide peuvent inclure le vide, l'alimentation pneumatique, le gaz naturel, l'O2 et Cie2, et de l'eau distillée. Les raccords et les connexions de chaque module sont connectés au système de distribution du bâtiment pour six systèmes de tuyauterie nominaux.

Hottes: Concevoir des types d'espace de laboratoire humide pour accueillir une hotte de 6'-0" pour chaque module de laboratoire, et fournir une évacuation directe à 100%. Il est également typique de ce type d'espace d'inclure une armoire de stockage ventilée pour les acides et les corrosifs située sous la fumée capot, ainsi que le stockage pour l'équipement d'urgence.

Occupation du laboratoire: La classification du groupe d'occupation pour le laboratoire humide est B2, construction protégée par gicleurs, selon IBC, avec une classe acoustique GSA C1 pour les espaces clos et la classe C2 pour les espaces ouverts.

Sécurisé / Sûr

Concevoir le laboratoire pour répondre aux exigences de résistance aux risques d'origine humaine et naturelle afin d'optimiser la sécurité des occupants et d'éviter la perte de ressources.

  • Quelques moyens de contrôle d'accès, souvent disposés en couches à l'intérieur du bâtiment
  • Un système informatisé de gestion de la sécurité (SMS)
  • Serrures ou dispositifs de quincaillerie de porte spéciaux qui fonctionnent à l'unisson avec le SMS
  • Un moyen de surveiller visuellement les zones sensibles ou sécurisées.

Installez une enceinte de sécurité biologique (ESB) pour permettre de travailler avec des agents pathogènes nocifs ou des tissus infectés sans risque d'infection.

Incendie et sécurité des personnes: Tous les espaces du laboratoire doivent contenir un extincteur d'urgence chimique à main dans une armoire d'équipement d'urgence. Il y a généralement un poste d'alarme incendie à chaque point de sortie et une alarme sonore et visible (stroboscopique) dans chaque espace occupé (sans compter les placards, les salles de stockage ou les portemanteaux). Incluez également des moniteurs de gaz toxiques dans chaque module de laboratoire et une zone de stockage de gaz avec des alarmes sonores et visuelles (stroboscopiques) à l'intérieur et à l'extérieur du laboratoire. Une douche oculaire et une douche déluge doivent être situées à chaque module quad. Pour plus d'informations, voir WBDG Sécurité et sûreté dans les laboratoires.

Durable

  • Intégrez des équipements et des technologies de laboratoire économes en énergie et en eau dans l'espace.
  • Utilisez un éclairage à haute efficacité dans tout l'espace.
  • Concevez avec du bois certifié respectueux de l'environnement, des matériaux recyclés/recyclables et d'autres matériaux de construction écologiques.
  • Fournir un éclairage naturel et une qualité d'air intérieur saine.
  • Pour plus d'informations sur la conception durable dans les laboratoires, voir WBDG Sustainable Laboratory Design and Using LEED® on Laboratory Projects.

Exemple de programme

Le programme suivant est représentatif des types d'espaces des laboratoires humides.

Un module de planification de laboratoire de 12' de large sur 24' de long, avec des placards utilitaires et de service s'étendant de 3' au-delà de chaque extrémité, la largeur de 12' permet des comptoirs de 24" de profondeur de chaque côté avec des zones de sièges de 24" devant chaque comptoir et un 36 "passerelle au milieu du module et une poursuite de 1'-0" entre les modules

Les modules de laboratoire sont desservis par un couloir pour le personnel de 5' de large à l'extérieur et un couloir de service à double chargement de 6' de large à l'intérieur

Le module de planification de l'axe du bâtiment à la vitre de 48 pi permet une bande de 10 pi de large pour les bureaux, les conférences ou tout autre espace de support le long du périmètre du bâtiment

Le module de planification s'intègre dans une baie à colonnes de 24' par 32', ce qui permet de joindre deux modules pour former une suite de laboratoire de 24' par 24'.

Exemples de forfaits

Le diagramme suivant est représentatif des plans de locataires typiques.

Exemple de critères de construction

Pour GSA, les coûts unitaires pour les types d'espace de laboratoire humide sont basés sur la qualité de construction et les caractéristiques de conception dans le tableau suivant . Cette information est basée sur l'interprétation de référence de GSA et pourrait être différente pour d'autres propriétaires. Portes de chambre noire tournantes, cotes de salle blanche, systèmes de hotte d'extraction supplémentaires, structure stable et contrôle des vibrations, plénum de service interstitiel avec plate-forme de plafond accessible ou structurée, espace protégé, énergie propre et systèmes de tuyauterie supplémentaires, y compris l'eau glacée filtrée typique des laboratoires humides ne sont pas inclus dans le tableau.


Les chloroplastes ressemblent aux mitochondries mais ont un compartiment supplémentaire

Les chloroplastes effectuent leurs interconversions énergétiques par des mécanismes chimiosmotiques à peu près de la même manière que les mitochondries. Bien que beaucoup plus grandes (figure 14-34A), elles sont organisées sur les mêmes principes. Ils ont une membrane externe hautement perméable, une membrane interne beaucoup moins perméable, dans laquelle sont intégrées des protéines de transport membranaire et un espace intermembranaire étroit entre les deux. Ensemble, ces membranes forment l'enveloppe chloroplastique (Figure 14-34B,C). La membrane interne entoure un grand espace appelé stroma, qui est analogue à la matrice mitochondriale et contient de nombreuses enzymes métaboliques. Comme la mitochondrie, le chloroplaste a son propre génome et son propre système génétique. Le stroma contient donc également un ensemble spécial de ribosomes, d'ARN et d'ADN chloroplastique.

14-34

Micrographies électroniques de chloroplastes. (A) Dans une cellule de feuille de blé, un mince bord de cytoplasme contenant des chloroplastes, le noyau et les mitochondries entoure une grande vacuole. (B) Une section mince d'un seul chloroplaste, montrant le chloroplaste (plus.)

Il existe cependant une différence importante entre l'organisation des mitochondries et celle des chloroplastes. La membrane interne du chloroplaste n'est pas repliée en crêtes et ne contient pas de chaînes de transport d'électrons. Au lieu de cela, les chaînes de transport d'électrons, les systèmes photosynthétiques de capture de lumière et l'ATP synthase sont tous contenus dans le membrane thylacoïdienne, une troisième membrane distincte qui forme un ensemble de sacs aplatis en forme de disque, le thylakoïdes (Illustration 14-35). On pense que la lumière de chaque thylakoïde est connectée à la lumière d'autres thylakoïdes, définissant ainsi un troisième compartiment interne appelé le espace thylakoïde, qui est séparé par la membrane thylakoïde du stroma qui l'entoure.

14-35

Le chloroplaste. Cet organite photosynthétique contient trois membranes distinctes (la membrane externe, la membrane interne et la membrane thylakoïde) qui définissent trois compartiments internes distincts (l'espace intermembranaire, le stroma et le thylakoïde (plus. )

Les similitudes et les différences structurelles entre les mitochondries et les chloroplastes sont illustrées à la figure 14-36. La tête de l'ATP synthase chloroplastique, où l'ATP est fabriqué, fait saillie de la membrane thylakoïde dans le stroma, alors qu'elle fait saillie dans la matrice à partir de la membrane mitochondriale interne.

14-36

Une mitochondrie et un chloroplaste comparés. Un chloroplaste est généralement beaucoup plus gros qu'une mitochondrie et contient, en plus d'une membrane externe et interne, une membrane thylakoïde renfermant un espace thylakoïde. Contrairement à la membrane interne en chloroplaste, le (plus. )


Questions de révision

Pour qu'un élément soit considéré comme essentiel, tous les critères suivants doivent être remplis, sauf :

  1. Aucun autre élément ne peut remplir la fonction.
  2. L'élément est directement impliqué dans la nutrition des plantes.
  3. L'élément est inorganique.
  4. La plante ne peut pas terminer son cycle de vie sans l'élément.

Le nutriment qui fait partie des glucides, des protéines et des acides nucléiques, et qui forme des biomolécules, est ________.

La plupart des ________ sont nécessaires à la fonction enzymatique.

Quelle est la principale source d'eau pour les plantes terrestres?


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6.10.1 : Besoins en gaz - Biologie

Un organisme aérobie ou aérobie est un organisme qui peut survivre et se développer dans un environnement oxygéné. Plusieurs variétés d'aérobies existent. Les aérobies obligatoires ont besoin d'oxygène pour la respiration cellulaire aérobie. Dans un processus connu sous le nom de respiration cellulaire, ces organismes utilisent de l'oxygène pour oxyder des substrats (par exemple les sucres et les graisses) afin d'obtenir de l'énergie. Les anaérobies facultatifs peuvent utiliser de l'oxygène, mais ont également des méthodes de production d'énergie anaérobies (c'est-à-dire ne nécessitant pas d'oxygène). Les microaérophiles sont des organismes qui peuvent utiliser de l'oxygène, mais seulement à de faibles concentrations. Les organismes aérotolérants peuvent survivre en présence d'oxygène, mais ils sont anaérobies car ils ne l'utilisent pas comme accepteur terminal d'électrons.

Identité des bactéries aérobies et anaérobies: Les bactéries aérobies différentes se comportent différemment lorsqu'elles sont cultivées en culture liquide : 1) Les bactéries aérobies obligatoires se rassemblent au sommet du tube à essai afin d'absorber une quantité maximale d'oxygène. 2) Les bactéries anaérobies obligatoires se rassemblent au fond pour éviter l'oxygène. 3) Les bactéries facultatives se rassemblent principalement au sommet, car la respiration aérobie est avantageuse (c'est-à-dire énergétiquement favorable) mais comme le manque d'oxygène ne les blesse pas, elles peuvent être trouvées tout au long de l'éprouvette. 4) Les microaérophiles se rassemblent dans la partie supérieure du tube à essai mais pas en haut. Ils ont besoin d'oxygène, mais à une concentration plus faible. 5) Les bactéries aérotolérantes ne sont pas du tout affectées par l'oxygène et sont réparties uniformément le long du tube à essai.

Un organisme anaérobie ou anaérobie est un organisme qui n'a pas besoin d'oxygène pour se développer. Il pourrait éventuellement réagir négativement et même mourir si de l'oxygène est présent. Pour des raisons pratiques, il existe trois catégories : les anaérobies obligatoires, qui ne peuvent pas utiliser l'oxygène pour leur croissance et en sont même blessés. Organismes aérotolérants, qui ne peuvent pas utiliser l'oxygène pour leur croissance, mais en tolèrent la présence. Et enfin, les anaérobies facultatifs, qui peuvent se développer sans oxygène mais peuvent utiliser l'oxygène s'il est présent.

Étant donné que la culture microbienne normale se produit dans l'air atmosphérique, qui est un environnement aérobie, la culture des anaérobies pose un problème. Par conséquent, un certain nombre de techniques sont utilisées par les microbiologistes lors de la culture d'organismes anaérobies, par exemple, la manipulation des bactéries dans une boîte à gants remplie d'azote ou l'utilisation d'autres récipients spécialement scellés.

Boite à gants: Boîte à gants Terra Universal 100

Le système GasPak est un conteneur isolé qui crée un environnement anaérobie par la réaction de l'eau avec des comprimés de borohydrure de sodium et de bicarbonate de sodium pour produire de l'hydrogène gazeux et du dioxyde de carbone. L'hydrogène réagit ensuite avec l'oxygène gazeux sur un catalyseur au palladium pour produire plus d'eau, éliminant ainsi l'oxygène gazeux.


Dioxyde d'azote

Jusqu'à 20 ppm:
(APF = 25) Tout respirateur à adduction d'air fonctionnant en mode à débit continu £
(APF = 50) Tout appareil respiratoire autonome avec un masque complet
(APF = 50) Tout respirateur à adduction d'air avec un masque complet

Entrée d'urgence ou planifiée dans des concentrations inconnues ou des conditions d'IDLH :

(APF = 10 000) Tout appareil respiratoire autonome doté d'un masque complet et fonctionnant en mode de pression à la demande ou autre mode de pression positive
(APF = 10 000) Tout respirateur à adduction d'air doté d'un masque complet et fonctionnant en mode de pression à la demande ou autre mode de pression positive en combinaison avec un appareil respiratoire autonome auxiliaire à pression positive

Échapper:
(APF = 50) Tout respirateur à masque complet purificateur d'air (masque à gaz) avec une cartouche de style menton, montée à l'avant ou à l'arrière, offrant une protection contre le composé préoccupant ¿
Tout appareil respiratoire autonome de type évacuation approprié


Échange de gaz

Le but du système respiratoire est d'effectuer les échanges gazeux. La ventilation pulmonaire fournit de l'air aux alvéoles pour ce processus d'échange de gaz. Au niveau de la membrane respiratoire, où les parois alvéolaires et capillaires se rencontrent, les gaz se déplacent à travers les membranes, l'oxygène entrant dans la circulation sanguine et le dioxyde de carbone sortant. C'est par ce mécanisme que le sang est oxygéné et que le dioxyde de carbone, le déchet de la respiration cellulaire, est éliminé du corps.

Échange de gaz

Afin de comprendre les mécanismes des échanges gazeux dans le poumon, il est important de comprendre les principes sous-jacents des gaz et leur comportement. En plus de la loi de Boyle, plusieurs autres lois sur les gaz aident à décrire le comportement des gaz.

Lois sur les gaz et composition de l'air

Les molécules de gaz exercent une force sur les surfaces avec lesquelles elles sont en contact, cette force est appelée pression. Dans les systèmes naturels, les gaz sont normalement présents sous la forme d'un mélange de différents types de molécules. Par exemple, l'atmosphère est constituée d'oxygène, d'azote, de dioxyde de carbone et d'autres molécules gazeuses, et ce mélange gazeux exerce une certaine pression appelée pression atmosphérique ((Figure)). Pression partielle (PX) est la pression d'un seul type de gaz dans un mélange de gaz. Par exemple, dans l'atmosphère, l'oxygène exerce une pression partielle et l'azote exerce une autre pression partielle, indépendante de la pression partielle d'oxygène ((Figure)). La pression totale est la somme de toutes les pressions partielles d'un mélange gazeux. La loi de Dalton décrit le comportement des gaz non réactifs dans un mélange gazeux et stipule qu'un type de gaz spécifique dans un mélange exerce sa propre pression ainsi, la pression totale exercée par un mélange de gaz est la somme des pressions partielles des gaz dans le mélange .

Pressions partielles des gaz atmosphériques
Gaz Pourcentage de la composition totale Pression partielle
(mmHg)
Azote (N2) 78.6 597.4
Oxygène (O2) 20.9 158.8
Eau (H2O) 0.4 3.0
Dioxyde de carbone (CO2) 0.04 0.3
Autres 0.06 0.5
Composition totale/pression atmosphérique totale 100% 760.0

La pression partielle est extrêmement importante pour prédire le mouvement des gaz. Rappelons que les gaz ont tendance à égaliser leur pression dans deux régions qui sont connectées. Un gaz se déplacera d'une zone où sa pression partielle est plus élevée vers une zone où sa pression partielle est plus faible. De plus, plus la différence de pression partielle entre les deux zones est grande, plus le mouvement des gaz est rapide.

Solubilité des gaz dans les liquides

La loi d'Henry décrit le comportement des gaz lorsqu'ils entrent en contact avec un liquide, comme le sang. La loi de Henry stipule que la concentration de gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la solubilité et à la pression partielle de ce gaz. Plus la pression partielle du gaz est élevée, plus le nombre de molécules de gaz qui se dissolvent dans le liquide est important. La concentration du gaz dans un liquide dépend également de la solubilité du gaz dans le liquide. Par exemple, bien que l'azote soit présent dans l'atmosphère, très peu d'azote se dissout dans le sang, car la solubilité de l'azote dans le sang est très faible. L'exception à cela se produit chez les plongeurs sous-marins, la composition de l'air comprimé que les plongeurs respirent entraînent une pression partielle de l'azote plus élevée que la normale, ce qui l'oblige à se dissoudre dans le sang en plus grande quantité que la normale. Trop d'azote dans le sang entraîne une maladie grave qui peut être mortelle si elle n'est pas corrigée. Les molécules de gaz établissent un équilibre entre les molécules dissoutes dans le liquide et celles dans l'air.

La composition de l'air dans l'atmosphère et dans les alvéoles diffère. Dans les deux cas, la concentration relative des gaz est l'azote > l'oxygène > la vapeur d'eau > le dioxyde de carbone. La quantité de vapeur d'eau présente dans l'air alvéolaire est supérieure à celle de l'air atmosphérique ((Figure)). Rappelons que le système respiratoire fonctionne pour humidifier l'air entrant, ce qui fait que l'air présent dans les alvéoles a une plus grande quantité de vapeur d'eau que l'air atmosphérique. De plus, l'air alvéolaire contient une plus grande quantité de dioxyde de carbone et moins d'oxygène que l'air atmosphérique. Ce n'est pas surprenant, car l'échange gazeux élimine l'oxygène et ajoute du dioxyde de carbone à l'air alvéolaire. La respiration profonde et forcée modifie la composition de l'air alvéolaire plus rapidement que lors d'une respiration calme. En conséquence, les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone changent, affectant le processus de diffusion qui déplace ces matériaux à travers la membrane. Cela entraînera une entrée d'oxygène et une sortie de dioxyde de carbone du sang plus rapidement.

Composition et pressions partielles de l'air alvéolaire
Gaz Pourcentage de la composition totale Pression partielle
(mmHg)
Azote (N2) 74.9 569
Oxygène (O2) 13.7 104
Eau (H2O) 6.2 40
Dioxyde de carbone (CO2) 5.2 47
Composition totale/pression alvéolaire totale 100% 760.0

Ventilation et perfusion

Deux aspects importants des échanges gazeux dans les poumons sont la ventilation et la perfusion. La ventilation est le mouvement de l'air dans et hors des poumons, et la perfusion est le flux de sang dans les capillaires pulmonaires. Pour que les échanges gazeux soient efficaces, les volumes impliqués dans la ventilation et la perfusion doivent être compatibles. Cependant, des facteurs tels que les effets de la gravité régionale sur le sang, des canaux alvéolaires bloqués ou une maladie peuvent entraîner un déséquilibre de la ventilation et de la perfusion.

La pression partielle d'oxygène dans l'air alvéolaire est d'environ 104 mm Hg, alors que la pression partielle de sang oxygéné dans les veines pulmonaires est d'environ 100 mm Hg. Lorsque la ventilation est suffisante, l'oxygène pénètre dans les alvéoles à un débit élevé et la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles reste élevée. En revanche, lorsque la ventilation est insuffisante, la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles chute. Sans la grande différence de pression partielle entre les alvéoles et le sang, l'oxygène ne diffuse pas efficacement à travers la membrane respiratoire. Le corps a des mécanismes qui contrecarrent ce problème. Dans les cas où la ventilation n'est pas suffisante pour une alvéole, le corps redirige le flux sanguin vers les alvéoles qui reçoivent une ventilation suffisante. Ceci est réalisé en resserrant les artérioles pulmonaires qui desservent l'alvéole dysfonctionnelle, qui redirige le sang vers d'autres alvéoles qui ont une ventilation suffisante. Dans le même temps, les artérioles pulmonaires qui desservent les alvéoles recevant une ventilation suffisante vont se vasodilater, ce qui amène une plus grande circulation sanguine. Des facteurs tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et les niveaux de pH peuvent tous servir de stimuli pour ajuster le flux sanguin dans les réseaux capillaires associés aux alvéoles.

La ventilation est régulée par le diamètre des voies respiratoires, tandis que la perfusion est régulée par le diamètre des vaisseaux sanguins. Le diamètre des bronchioles est sensible à la pression partielle de dioxyde de carbone dans les alvéoles. Une pression partielle plus élevée de dioxyde de carbone dans les alvéoles entraîne une augmentation du diamètre des bronchioles, tout comme une diminution du niveau d'oxygène dans l'approvisionnement en sang, permettant au dioxyde de carbone d'être expiré du corps à un taux plus élevé. Comme mentionné ci-dessus, une plus grande pression partielle d'oxygène dans les alvéoles provoque la dilatation des artérioles pulmonaires, ce qui augmente le flux sanguin.

Échange de gaz

Les échanges gazeux se produisent à deux endroits dans le corps : dans les poumons, où l'oxygène est capté et le dioxyde de carbone est libéré au niveau de la membrane respiratoire, et au niveau des tissus, où l'oxygène est libéré et le dioxyde de carbone est capté. La respiration externe est l'échange de gaz avec l'environnement extérieur et se produit dans les alvéoles des poumons. La respiration interne est l'échange de gaz avec l'environnement interne et se produit dans les tissus. L'échange réel de gaz se produit en raison de la simple diffusion. L'énergie n'est pas nécessaire pour déplacer l'oxygène ou le dioxyde de carbone à travers les membranes. Au lieu de cela, ces gaz suivent des gradients de pression qui leur permettent de se diffuser. L'anatomie du poumon maximise la diffusion des gaz : La membrane respiratoire est très perméable aux gaz les membranes respiratoires et capillaires sanguines sont très minces et il y a une grande surface dans les poumons.

Respiration externe

L'artère pulmonaire transporte le sang désoxygéné vers les poumons depuis le cœur, où il se ramifie et devient finalement le réseau capillaire composé de capillaires pulmonaires. Ces capillaires pulmonaires créent la membrane respiratoire avec les alvéoles ((Figure)). Lorsque le sang est pompé à travers ce réseau capillaire, des échanges gazeux se produisent. Bien qu'une petite quantité d'oxygène puisse se dissoudre directement dans le plasma à partir des alvéoles, la majeure partie de l'oxygène est captée par les érythrocytes (globules rouges) et se lie à une protéine appelée hémoglobine, un processus décrit plus loin dans ce chapitre. L'hémoglobine oxygénée est rouge, provoquant l'apparence générale d'un sang oxygéné rouge vif, qui retourne au cœur par les veines pulmonaires. Le dioxyde de carbone est libéré dans le sens inverse de l'oxygène, du sang vers les alvéoles. Une partie du dioxyde de carbone est renvoyée sur l'hémoglobine, mais peut également être dissoute dans le plasma ou est présente sous une forme convertie, également expliquée plus en détail plus loin dans ce chapitre.

La respiration externe se produit en fonction des différences de pression partielle en oxygène et en dioxyde de carbone entre les alvéoles et le sang dans les capillaires pulmonaires.

Although the solubility of oxygen in blood is not high, there is a drastic difference in the partial pressure of oxygen in the alveoli versus in the blood of the pulmonary capillaries. This difference is about 64 mm Hg: The partial pressure of oxygen in the alveoli is about 104 mm Hg, whereas its partial pressure in the blood of the capillary is about 40 mm Hg. This large difference in partial pressure creates a very strong pressure gradient that causes oxygen to rapidly cross the respiratory membrane from the alveoli into the blood.

The partial pressure of carbon dioxide is also different between the alveolar air and the blood of the capillary. However, the partial pressure difference is less than that of oxygen, about 5 mm Hg. The partial pressure of carbon dioxide in the blood of the capillary is about 45 mm Hg, whereas its partial pressure in the alveoli is about 40 mm Hg. However, the solubility of carbon dioxide is much greater than that of oxygen—by a factor of about 20—in both blood and alveolar fluids. As a result, the relative concentrations of oxygen and carbon dioxide that diffuse across the respiratory membrane are similar.

Internal Respiration

Internal respiration is gas exchange that occurs at the level of body tissues ((Figure)). Similar to external respiration, internal respiration also occurs as simple diffusion due to a partial pressure gradient. However, the partial pressure gradients are opposite of those present at the respiratory membrane. The partial pressure of oxygen in tissues is low, about 40 mm Hg, because oxygen is continuously used for cellular respiration. In contrast, the partial pressure of oxygen in the blood is about 100 mm Hg. This creates a pressure gradient that causes oxygen to dissociate from hemoglobin, diffuse out of the blood, cross the interstitial space, and enter the tissue. Hemoglobin that has little oxygen bound to it loses much of its brightness, so that blood returning to the heart is more burgundy in color.

Considering that cellular respiration continuously produces carbon dioxide, the partial pressure of carbon dioxide is lower in the blood than it is in the tissue, causing carbon dioxide to diffuse out of the tissue, cross the interstitial fluid, and enter the blood. It is then carried back to the lungs either bound to hemoglobin, dissolved in plasma, or in a converted form. By the time blood returns to the heart, the partial pressure of oxygen has returned to about 40 mm Hg, and the partial pressure of carbon dioxide has returned to about 45 mm Hg. The blood is then pumped back to the lungs to be oxygenated once again during external respiration.

Hyperbaric Chamber Treatment A type of device used in some areas of medicine that exploits the behavior of gases is hyperbaric chamber treatment. A hyperbaric chamber is a unit that can be sealed and expose a patient to either 100 percent oxygen with increased pressure or a mixture of gases that includes a higher concentration of oxygen than normal atmospheric air, also at a higher partial pressure than the atmosphere. There are two major types of chambers: monoplace and multiplace. Monoplace chambers are typically for one patient, and the staff tending to the patient observes the patient from outside of the chamber ((Figure)). Some facilities have special monoplace hyperbaric chambers that allow multiple patients to be treated at once, usually in a sitting or reclining position, to help ease feelings of isolation or claustrophobia. Multiplace chambers are large enough for multiple patients to be treated at one time, and the staff attending these patients is present inside the chamber. In a multiplace chamber, patients are often treated with air via a mask or hood, and the chamber is pressurized.

Hyperbaric chamber treatment is based on the behavior of gases. As you recall, gases move from a region of higher partial pressure to a region of lower partial pressure. In a hyperbaric chamber, the atmospheric pressure is increased, causing a greater amount of oxygen than normal to diffuse into the bloodstream of the patient. Hyperbaric chamber therapy is used to treat a variety of medical problems, such as wound and graft healing, anaerobic bacterial infections, and carbon monoxide poisoning. Exposure to and poisoning by carbon monoxide is difficult to reverse, because hemoglobin’s affinity for carbon monoxide is much stronger than its affinity for oxygen, causing carbon monoxide to replace oxygen in the blood. Hyperbaric chamber therapy can treat carbon monoxide poisoning, because the increased atmospheric pressure causes more oxygen to diffuse into the bloodstream. At this increased pressure and increased concentration of oxygen, carbon monoxide is displaced from hemoglobin. Another example is the treatment of anaerobic bacterial infections, which are created by bacteria that cannot or prefer not to live in the presence of oxygen. An increase in blood and tissue levels of oxygen helps to kill the anaerobic bacteria that are responsible for the infection, as oxygen is toxic to anaerobic bacteria. For wounds and grafts, the chamber stimulates the healing process by increasing energy production needed for repair. Increasing oxygen transport allows cells to ramp up cellular respiration and thus ATP production, the energy needed to build new structures.

Revue de chapitre

The behavior of gases can be explained by the principles of Dalton’s law and Henry’s law, both of which describe aspects of gas exchange. Dalton’s law states that each specific gas in a mixture of gases exerts force (its partial pressure) independently of the other gases in the mixture. Henry’s law states that the amount of a specific gas that dissolves in a liquid is a function of its partial pressure. The greater the partial pressure of a gas, the more of that gas will dissolve in a liquid, as the gas moves toward equilibrium. Gas molecules move down a pressure gradient in other words, gas moves from a region of high pressure to a region of low pressure. The partial pressure of oxygen is high in the alveoli and low in the blood of the pulmonary capillaries. As a result, oxygen diffuses across the respiratory membrane from the alveoli into the blood. In contrast, the partial pressure of carbon dioxide is high in the pulmonary capillaries and low in the alveoli. Therefore, carbon dioxide diffuses across the respiratory membrane from the blood into the alveoli. The amount of oxygen and carbon dioxide that diffuses across the respiratory membrane is similar.

Ventilation is the process that moves air into and out of the alveoli, and perfusion affects the flow of blood in the capillaries. Both are important in gas exchange, as ventilation must be sufficient to create a high partial pressure of oxygen in the alveoli. If ventilation is insufficient and the partial pressure of oxygen drops in the alveolar air, the capillary is constricted and blood flow is redirected to alveoli with sufficient ventilation. External respiration refers to gas exchange that occurs in the alveoli, whereas internal respiration refers to gas exchange that occurs in the tissue. Both are driven by partial pressure differences.

Questions de révision

Gas moves from an area of ________ partial pressure to an area of ________ partial pressure.


Voir la vidéo: La stoéchiométrie des gaz (Février 2023).