Le monoxyde de carbone est formé par l'oxydation incomplète du carbone. Lorsqu'il est inspiré, il se diffuse rapidement dans la circulation sanguine. Là, il a une affinité 240 fois plus grande pour l'hémoglobine que pour l'oxygène. La carboxyhémoglobine se forme donc préférentiellement. La carboxyhémoglobine se dissocie moins facilement que l'oxyhémoglobine. Par conséquent, la capacité de transport d'oxygène disponible dans le sang est moindre. La courbe de dissociation de l'hémoglobine est déplacée vers la gauche. La réaction de dissociation peut être encouragée par l'administration d'oxygène à 100 % ; la demi-vie est réduite de quatre heures dans l'air à quarante minutes.
Le monoxyde de carbone se lie avidement à d'autres composés contenant de l'hème. La chaîne porteuse d'électrons du cytochrome intracellulaire peut être affectée, ce qui entraîne le "syndrome des cellules malades". Le monoxyde de carbone lié à la chaîne se dissocie jusqu'à 24 heures après l'exposition, ce qui peut entraîner une encéphalopathie post-intoxication.
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