cycles de la vie grandes fonctions biologie intégrative...

UE 2.2S1 – Organisation & approche intégrative du vivant. Pr Ivan Tack, Laboratoire de Physiologie, 2012

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Cycles de la vieet

grandes fonctions

Coordonnateurs :J-P. Barthes (IFSI RODEZ)I. Tack (Université Paul SABATIER)

Unité d’Enseignement 2.2.S1 Nos objectifs

Niveaux d’organisation du corps humain : chimique, cellulaire, tissulaire, organique et systémique

Vie et notions de thermodynamique

Homéostasie : concepts et grandes fonctions

Notion de régulation homéostatique

Biologie intégrative et communication cellulaire

Chronobiologie et rythmes de vie

Exemple de fonction homéostatique : la thermorégulation

Pr Ivan TACKLaboratoire de Physiologie - Faculté de Médecine de Rangueil

QU’EST-CE QUE LA PHYSIOLOGIE ?

Science qui étudie le fonctionnement normal d’un organisme vivant ou de ses parties

(dictionnaire Larousse)

Vie

Logique

Etude

Science qui, à partir des lois de la nature,étudie le « comment » du fonctionnement de la vie

Pas le pourquoi :La finalité appartient

à la téléologie…

Ne se réduit pas à une vison « Mécaniste »

(écueil réductionniste)

PHYSIOLOGIEFonctionnement normal

PATHOLOGIE

Dysfonctionnement

Vie et matière : Organisation ducorps humain

Chapitre 1


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DE LA MATIÈRE À LA VIE

Composés organiquesCarbone, hydrogène, oxygène, azote

(96 %)Électrolytes

Calcium, Phosphore, Potassium,Chlore, Sodium…

(4%)Molécules clés du vivant- O2 et H2O- Protéines- Glucides- Lipides- Acides nucléiques

Ces assemblages moléculaires, si complexes soient-ils, ne constituent pas la vie : il leur manque le fonctionnement organisé et la capacité de transmettre cette organisation

LES PIÈCES DU « LEGO™ »…

Ac nucléiques : molécules de l’information- Ac. DésoxyRiboNucléique (ADN), porte l’information (génome) de façon stable (durable) et aisément copiable, stocké au sein du noyau cellulaire- Ac. RiboNucléique (ARN), support intermédiaire de l’information diffusant du noyau vers le cytosol pour permettre la fabrication des protéines (golgi)

Protéines : molécules de structure et d’action- Fabriquées à partir de 20 acides aminés- Rôles crucial : structure, communication intercompartimentale, fonctionnement = transformation de la matière (enzymes)

LES PIÈCES DU « LEGO™ »…

Glucides : molécules énergétique et de protection- Principale source d’énergie chez l’humain (amidons ++)- Circule dans le sang sous forme de glucose (C6H12O6)- Faible stockage (glycogène : foie et muscle)- Complexes à la surface des membranes cellulaires

Lipides simples- Assemblage d’acides gras et d’alcool (glycérol)- Stockage optimal de l’énergie (adipocytes) sous forme de triglycérides (produits par le foie)

Phospholipides : clefs de la compartimentalisation »- Molécules amphiphiles (hydrophile/hydrophobes)- Forment des barrières structurantes et isolantes- Contribuent au maintien de concentrations moléculaires différentes de part et d’autre des membranes

RELATION STRUCTURE / FONCTION

Cellules

1014 cellules, 5 types :- Epithéliales- Musculaires- Nerveuses- Conjonctives- Sanguines (Hématies)

OrganismeFonctionnement coordonné +++Systèmes de communication :Nerveux, endocrinien et immunitaire

Assemblages

- Tissus : cellules de propriétés similaires- Organes : combinaisons de tissus différents- Systèmes : ensemble de tissus de même structure- Appareils : ensemble d’organes destinés à une même fonction


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Un modèle du vivant :Notions de

thermodynamique

Chapitre 2 UN MODÈLE DU VIVANT

Définition thermodynamique : Stade hautement organisé de la matière

VIE : « Ensemble des phénomènes communs aux êtres organisés et qui constituent leur mode d’activité propre, de la naissance à la mort »(dictionnaire Larousse)

Matière

Organisée

Programme

Mort

Naissance

TransmissionReproductionÉNERGIE

LOIS PHYSICO-CHIMIQUES FONDAMENTALES

…Règles de fonctionnement de d’assemblage

Lois de la Thermodynamique

- Premier principe : conservation de l’énergie« L’énergie / la matière ne peut être créée ni perdue, elle se transforme »

- Second principe : équilibre thermodynamiqueLa vie correspond à une série d’états stationnaires (steady-states) maintenus par des transferts d’énergie

ORGANISME déséquilibre

ENVIRONNEMENT

L’ENVIRONNEMENT, GÉNÉRATEUR D’INSTABILITÉ

MATIÈRE- Aliments, boissons, O2- Sueurs, urines, selles, CO2

INFORMATIONFormes d’énergie captées par les organes des sens :

visuelle, auditive, olfactive, gustative, tactile

ÉNERGIE- Chimique potentielle- Thermique- Mécanique


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Homéostasie :concepts et grandes

fonctions

Chapitre 3

Variationenvironnementale

Impa

ct p

hysi

olog

ique

0 +

+

Zoneoptimale

Adaptation aux variations environnementales

Variationenvironnementale

Impa

ct p

hysi

olog

ique

0 +

+

Zoneoptimale

Instauration d’un équilibre(steady-state)

Ajustement proportionnel

État d’équilibre(instable !)

ENVIRONNEMENT

PRINCIPE DE BASE DE L’HOMÉOSTASIE

Entrées Sorties

Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire

Détection

Intégration

Réponse

CONCEPT DE MILIEU INTÉRIEUR

Liquide organique dans lequel vit l'individu tout entier etqui contient toutes les substances qui doivent le nourrir(1857). Ce fluide permet aux organismes d'êtreindépendants à l'égard des conditions extérieures. Milieunutritif, mais aussi épurateur, il est soumis à desrégulations (neurohumorales) qui en ajustent lesparamètres en liaison avec le monde

Claude Bernard1813-1878


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CONCEPT D’HOMÉOSTASIE

Maintient à l’état stable des volumes, de lacomposition et des propriétés physico-chimiques du milieu intérieur et, parextension, des compartiments liquidiens del’organisme

Walter CANNON1871-1945

LES FONCTIONS D’HOMÉOSTASIEAppareil respiratoireÉchanges O2 / CO2

Appareil digestifEntrées d’eau, électrolytes

et de nutriments

Appareil circulatoireTransport et distributiond’ O2 / CO2 et de matière

Appareil urinaireExcrétion des « déchets »

et « excédents »

Système tégumentaireIsolation d’avec lemilieu extérieurAppareil locomoteur

Statique, mobilité,thermorégulation,

Ca, phosphates, HCO3 (os)

Système nerveuxRelation / Information et

coordination

Système endocrineRelation / Information et

coordination

Système immunitaireRelation / Information et

coordination

Appareil reproducteur« maintien de l’espèce »

Notion de régulation homéostatique

Chapitre 4

État d’équilibre(instable !)

ENVIRONNEMENT

NOTION DE BOUCLE DE CONTROLE

Entrées Sorties

Maintient de l’équilibre vital à l’échelon cellulaire

Détection

Intégration

Réponse


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PRINCIPE DE LA BOUCLE DE RÉTROCONTRÔLE

Pas de changements atteint

Variablecontrôlée

Systèmede détection point de consigne

Signal d’erreur

EffecteurCorrection

non atteint

Réponse

RÉTRO-CONTRÔLE NÉGATIF D’UNE SECRETION ENDOCRINE

Glandeendocrine

organecible

(+)

Hormone

(-)

Point deconsigne :

atteint/dépassé

Réponse(+)

Stimulation

Entraîne une réponse correctrice jusqu’à ce que le paramètre identifié atteigne le point de consigne. A partir de ce moment-là, la réponse correctrice est inhibée/ supprimée parce que la correction est suffisante

RÉTROCONTRÔLE POSITIF ET RISQUE DE CERCLE VICIEUX

(+)

(+)

Glandeendocrine

Organecible

HormoneBOUM !Réponse

La réponse au stimulus initial renforce ce stimulus et amplifie la réponse jusqu’à saturation du système ou, le plus souvent, induction d’une situation de rupture…

Exemple : Rétro-contrôle positif de la sécrétion d’ocytocine pendant l’accouchement


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Bases de la communication

cellulaire

Chapitre 5

• L’organisme humain comporte environ 1014 cellules

• Survie de l’assemblage échanges d’informations :

Relation avec le non-soi

Maintien de l’intégrité de l’organisme : prolifération,

différenciation et organisation cellulaire

Stabilité du milieu intérieur (« homéostasie »), dans toutes les conditions physiologiques

RÔLES DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE

SYSTÈMES DE COMMUNICATION CELLULAIRE

• Trois systèmes de communication :

Immunitaire (soi/non soi)

Nerveux (environnement

/organisme)

Endocrine (intégrité, homéostasie, reproduction)

Endocrine, au sens étymologique : « sécrétion interne »

Stress/Agression« macroscopique »

Agression« microscopique »

SNC

SendSim

SNC : syst. nerveux centralSNA : syst. nerveux autonomeSNP : syst. nerveux périph.Send : syst. endocrineSim : syst. immunitaire

SNPSNA

Concepts d’hormone et de glande endocrine

Communication endocrine : basée sur la sécrétion par des cellules « glandulaires » d’une substances chimique qui est déversée dans le sang et agit à distance sur des cellules cibles équipées d’un récepteur spécifique à cette substance. Cette substance est dénommée « hormone ».

Différentes formes de sécrétion endocrine :• Glandes endocrines• Cellules endocrines isolées disséminées dans un tissu• Neurones produisant des neuro-hormones• Cellules non endocrine sécrétrices d ’hormones…

NB : désignait initialement une substance activatrice ; Starling 1905 (sécrétine)


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Modes alternes de communication endocrine

Communication autocrine et paracrine :• Via le fluide interstitiel• Substances « autacoïdes »

(cytokines + facteurs vaso-actifs)• Pas d’action endocrine

(concentrations circulantes 10-14 – 10-15 M)

Limites de la communication endocrine

Communication autocrine et paracrine :• Facteurs locaux dont la concentration circulante peut atteindre des valeurs efficaces en situation pathologique• Certaines hormone exercent aussi une action loco-régionale type facteur de croissance…

Communication endocrine et métabolites :• Certains nutriments (glucose) ou produits de métabolisme (proton, CO2) agissent comme des molécules signal après diffusion par voie humorale…mais ils n’ont pas de récepteur spécifique et agissent à forte concentration

Com

mun

icat

ion

apoc

rine

et

phér

omon

es

Phéromones : molécules informatives agissant hors de l’organismeChez les mammifères : sécrétions apocrines (glandes sudorales…) détectée par syst. olfactif syst. limbique (émotion + comportement sexuel)

Récepteur (R)

Hormone (H)

Amplification(récepteur trans-membranaire)

Action génomique(récepteur nucléaire)

Les hormones agissent via des récepteurs

Reconnaissance de l’hormone Formation du complexe HR Transduction du signal

HR

Hormone = 1ier messager

Second messager Action


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Principe du fonctionnement des récepteurs

Hormone hydrophile(premier message)

Récepteur

Hormones liposoluble(premier messager)

Membranecellulaire

Second messager /Système d’amplification

Protéine effectriceEffets transitoires

HRE ARNm

Protéines

Membranenucléaire

Effets prolongés

R

Propriétés des principaux types d’hormones

Stéroïdes

Oui

Nulle à très faible

Diffusion à travers lamembrane plasmique

Oui

Heures

Noyau et/ou cytosol

Stimulation/inhibition dela transcription par le complexe récepteur-

hormone

Heures à jours

Caractéristiques

Rétrocontrôle sa synthèse

Mise en réservede l’hormone

Mécanisme deSécrétion

Protéinesde transport

Demi-vieplasmatique

Récepteurs

MécanismeD’action

Durée d’action

Iodothyronines

Oui

Importante (stock pour1 mois)

Protéolyse deThyroglobuline + diffusion

Oui

Jours

Noyau

Stimulation/inhibition dela transcription par lecomplexe récepteur-

hormone

Jours

Peptides et protéines

Oui

Faible à moyenne(quelques heures à 1 jour)

Exocytose des vésiculesSécrétoires

Non / rare (ex : GH)

Minutes à heures

Trans-membranaire

Amplification cytosolique par seconds messagers

ou activité tyrosine-kinase

Minutes à heures

Catécholamines

Oui

Plusieurs jours(medullo-Surrénale)

Exocytose des vésiculesSécrétoires

Non

Secondes

Trans-membranaire

Amplification cytosoliquepar seconds messagers

ou modification dupotentiel de membrane

Hormones hydrophilesHormones lipophiles

Régulation des sécrétions hormonales : exemple du cortisolStress

Physique Emotionnel Chimique Autres

CRH

Pointconsigne

Rythme nycthéméral

Boucle de rétrocontrôleultracourte

Boucle deRétrocontrôle courte(ACTH)

Boucle deRétrocontrôlelongue

Effetsbiologiques Cortisol

ACTHCellule corticotrope

Hypothalamus

Hypophyse(antérieure)

Chronobiologie et rythmes de la vie

Chapitre 6


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Rythme : changement répété de distribution chronologique identique

La perception interne du temps correspond véritablement à un sixième sens…

L’existence de rythmes biologiques permet à l’organisme de s’adapter AVANT que ne survienne un déséquilibre rythmique : permet une anticipation du déséquilibre homéostatique

UN TEMPS POUR CHAQUE CHOSE…

Exemples de réponses temps dépendantes :

Alcool Concentration max à 7h00Effet délétère max > 19h00

Histamine Réponse max (poumon, peau) à minuitPoussière Hyperréactivité bronchique à minuitLidocaïne Effet anesthésique max (dent, peau) vers 16h

RYTHMES BIOLOGIQUES

Rythmes

Ultradiens

Circadiens

Infradiens(Circannuels)

Fréquences

Hautes fréquences : - période < 1 min

Basses fréquences :- période > 1 min

20h < période < 28h

Période environ 1 an

Rôles physiologiques

ECG, EEG, cardiaque, respiratoire

Rythmes endocriniensLa plupart des fonctionsphysiologiques

Rythmes comportementaux :alternance veille / sommeil +++Rythmes endocriniens

Rythmes comportementauxRythmes endocriniens

PACEMAKER CIRCADIEN : NOYAUX SUPRACHIASMATIQUES

NSC

HORLOGE CIRCADIENNE DU NOYAU SUPRACHIASMATIQUE

Protéine issue des gènes Clock

Protéine issue du gène Bmal1

Protéines issues des gènes Cry1 et 2

Protéines issues des gènes Per, Per2 et Per3Phosphorylation des protéines

Cytoplasme

Noyau

Cry

Cry

Cry

Cry

P-1

P-2

P-3

P-1 -3

Cry1-2

Lumière (Per1)

Bmal1

Clock

C B

C BCry

+Diffusion

info lumière

Diffusion du rythme au

SNC


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Principal facteur de synchronisation : la lumière

LUMIÈRENSC

Faisceau rétino-hypothalamique

(glande pinéale)

Mélatonine

Autres facteurs de synchronisation : rythme sociétaux (horaires de travail, ouverture des magasins, repas, vie nocturne, rythme 24/7/365)…

CHRONOPHYSIOLOGIE DES SECRETIONS ENDOCRINES

Exemple : Rythme circadien de l’ACTH et du Cortisol chez un homme adulte sain

VARIATIONS NYCTHÉMÉRALES DE LA MÉLATONINE PLASMATIQUE EN FONCTION DES CLASSES D’ÂGE

PHYSIOPATHOLOGIE DES RYTHMES BIOLOGIQUES

Travail de nuitProblème social (15 % travailleurs)Altération du rythme nycthéméralImpact à moyen / long terme : dépression, tbles cardio-vasculaires, baisse de libido et fécondité, problèmes digestifs (UGD)…

Jet lagDécalage rythme circadien lors des vols transméridiensPlus marqué dans le sens Ouest Est (ex : température centrale)Impact : troubles du sommeil et diminution performance intellectuelles et physique (ex : sportifs avec franchissement > 6 zones perf max après 10 j seulement !)

Cécité totalePerte du principal facteur de synchronisation du rythme nycthéméralImpact : passage en « free running rhythm »

SénescenceAltération de l’horloge principale et de la sécrétion de mélatonineImpact : troubles du sommeil et perte du caractère pulsatile des hormones de l’axe hypothalamo-hypophysaire


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Exemple de fonction homéostatique :

la thermorégulation

Chapitre 7 Ectothermes contre endothermes

Température ambiante (°C)

Tem

péra

ture

cor

pore

lle (°

C)

Ectothermes : ° centrale varie parallèlement à celle de l’environnement. Faible niveau de métabolisme et forte conductance thermique (mal isolés) Moindre besoin d’énergie et d’eau. Énergie utilisée pour autre fonction que maintient de l’équilibre thermique Mauvaise adaptation aux milieux froids

Ectothermes

Régulationcomportementale

EndothermesEndothermes : chaleur interne = sous-produit de métabolisme (élevé). °centrale reste stable malgré variations extérieures (maintiennent ° au dessus de celle de l’environnement). Conductance faible car bien isolés

Bonne adaptation au milieux froids, fonctionnement enzymatique optimal malgré les variations thermiques externes Energétiquement très coûteux

Régulation comportementale

Thermogenèse chimique, mécanique, thermolyse

(évaporation)

Maintien la température corporelle

Température ambiante (°C)

Niv

eau

de m

étab

olis

me

°co

rpor

elle

Zone deNeutralitéthermique

Hypothermie Hyperthermie

Métabolisme basal

THERMOGENÈSE THERMOLYSE

Zone neutralité thermique :Air : 22 °C si peu habillé, 27 - 31 °C nu dans l’airEau : 33°C dans l’eau

Température centrale

Dépenses énergétiques

Répartition de la chaleur corporelle

Noyau Noyau

Milieu froid Milieu chaud

Enveloppe

Température centrale :36,0 – 37,5 °C (37,0 ± 0,5°C)• < 35°C : Hypothermie• 33°C : Perte de connaissance• 37,8°C : Fièvre• 41°C : Convulsions• 43°C : Mort

Température cutanée :20 – 40 °C (moy : 33 ± 1°C)


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Principale forme de sortie d’énergie (90 %)

Contribue à la stabilité de la température centrale

Échangée avec le milieu extérieur sous 4 formes :

Radiation (60%): échange entre 2 surfaces de températures différentes via des ondes (électromagnétique) de chaleur.

Convection (15%): échange entre milieux mobiles (tissu cutané / fluide ambiant) de températures différentes

NB : fluide ambiant = air ++ ou éventuellement eau

NB : entre parenthèses, % de la perte thermique cutanée chez un sujet nu. Ces pertes peuvent être diminuées de 30% par le port de vêtements

Sorties d’énergie thermique (1)

Conduction (3%) : échange entre 2 milieux immobiles de température différente, par transfert moléculaire direct de l’E. thermique. Coefficient très variable selon lex matériaux

Évaporation (22%): passage d’état liquide (sueur à la surface de la peau) à état de vapeur. Chaleur latente d’évaporation = 2,425 kJ/g d’eau. Inefficace si atmosphère saturé en humidité : la sueur ruisselle sans dispersion thermique

Remarque : la modulation de tous ces échanges peut-être obtenue via la régulation de l’hémodynamique cutanée qui ajuste notre température de surface

Sortie d’énergie thermique (2)

Production et dépenses d’énergie

Production d’énergie thermique = dépense en terme de bilan thermodynamique Varient de 1 à 20 Deux catégories : Dépenses de « fonctionnement » ou « contingentes » :

- exercice musculaire (thermogenèse accessoire)- thermogenèse alimentaire (assimilation des aliments)- adaptation aux variations de la température ambiante (thermogenèse mécanique ou chimique)

Dépenses énergétiques de « fond » :minimales, incompressibles constantes pour un individu donné= métabolisme basal

Détection et intégration de l’information thermique

Au chaud (décharge max 40°C, fibres C)Au froid (décharge max 25°C, fibres A)Nombre TR froid 5-10x > TR chauds

Hypothalamus

Température de surface

Température du noyau(viscérale)

Activé par ° centrale

Activé par ° centrale

ThermorécepteursDétectent surtout ,

d’autant plus finement que grande surface concernée


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Adaptation au froid et thermogenèse

Hypothalamus postérieur

Température centrale

Thermogenèse musculaireThermogenèse chimique

Métabolismebasal

Thermogenèsegraisse brune

Tonusmusculaire

Frissons

Adaptation au froid

FROID

Intégration hypothalamus postérieur

Tonus musculaire

Vasoconstriction cutanée

Modif comportement vestimentaire

activité physique

métab. basal (adrénaline / H. thyroïdiennes)± Thermogenèse chimique (graisse brune)

Horripilation / chair de poule

Si insuffisantFrissons*

* Contractions rythmiques rapides (10-20x/sec) sans mouvements coordonnés production chaleur x 2 à 5

Adaptation au chaud

CHAUD

Intégration hypothalamus antérieur

Tonus musculaire

Vasodilatation cutanée

Modif comportement vestimentaire

activité physique

Sudation

Variations physiologiques de la température…

• Variation nycthémérale : ° + 0,5°C entre 6h et 18 heures

• Saison : ° en hiver > ° en été

• Genre : femme ° > de 0,2°C en moyenne / homme, mais varie en fonction du cycle (° 0,5°C en seconde partie de cycle et début de grossesse)

• Repas, stress, colère peuvent ° de 0,5°C

• Exercice physique augmente la température


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Variations nycthémérales de la température centrale

37,0

36,5

36,0

Tem

péra

ture

cor

pore

lle c

entr

ale

(°C

)

0 4 8 12 16 20 24

Heure du nycthémère

Été

Hivers

Variations de la température lors d’un exercice physique

Température gastro-intestinale pendant 45 min de course (10 – 12 km/h)chez 9 homme de 20 à 24 ans

Mesure « invasive » de la température

Thermométrie « sanglante »Méthode de référence (thermistance dans l’artère pulmonaire), très précis, permet un monitorage continu. Souvent cathéter (OD ou artère radiale). Réservée à l’anesthésie-réanimation (nécessite une asepsie parfaite)Thermométrie oesophagienneInsertion sonde a thermistance par voie orale ou nasale jusqu’au milieu de l’œsophage en regard de l’artère pulmonaire. Ecart à l’AP < 0,2°C. Inconfortable pour des volontaires mais très précis.

Thermométrie intestinaleIngestion d’une gélule télémétrique àthermistance, proche de mesureoesophagienne, durée 4 à 8h…faussé par ingestion repas/boisson

Thermométrie rectaleAntérieurement utilisé en cliniqueMAIS… change lentement par rapport aux variations de température interne, risque de perforation rectale et contage (stérilisation indispensable)

Mesure non invasive de la température

Thermométrie axillaireFacile mais mauvaise évaluation de la température interne (thermomètre au mercure), influencée ++ par position et conditions environnementales

Thermométrie buccaleZone sublinguale aisément accessible mais influencée par ingestion récente d’aliments ou de boissons et par respiration buccale (mesure : bouche fermée et la langue abaissée pendant trois à quatre minutes…). Risque de contage (étuis jetables)

Thermométrie tympanique (infra-rouge)Utilisation facile, moins de risques que température rectale, très proche de temp. centrale mais moins fiable pour la détection de la fièvre

Plages de température corporelle normale


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Physiopathologie : Fièvre

Infection Inflammation

Macrophages

IL-1… (pyrogènes)

Synthèses Prostaglandines (SNC)

Décalage Pt consigne hypothalamique ()

Réponse type adaptation au froid : Thermogenèse dissipation thermique

Température jusqu’au nouveau point de consigne= fièvre

AINSAspirine

cycles de la vie grandes fonctions biologie intégrative...

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