Chapitre 1 : Le système respiratoire








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titreChapitre 1 : Le système respiratoire
date de publication11.08.2018
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Chapitre 1 : Le système respiratoire
INTRODUSTION :
Le système respiratoire interagit / s’associe au système cardio-vasculaire dans le but de fournir de l’O2 pour former de l’ATP et éliminer le CO2.

C6 H12 6O2 donne 6CO2 + 6H2O + 38 ATP.

Processus d’apport d’O2 et dégradation de CO2.

La ventilation pulmonaire : il y a une entrée et une sortie d’air dans les poumons.

Diffusion alvéolo-capillaire : échange des gaz entre le compartiment pulmonaire et les vaisseaux sanguins.

Le système respiratoire assure ces deux processus.

Transport des gaz : assuré par el sang (O2 et CO2 dans le sang).

Le système cardio-vasculaire assure ce processus.

Respiration interne : passage des gaz du compartiment sanguin vers les différents tissus.

Les poumons ont aussi une fonction de dégradation de certaines substances. Rôle de filtre par rapport à certaines substances toxiques puis rôle de réservoir sanguin.
I / Mécanique ventilatoire.
Deux grands acteurs rentrent dans le système respiratoire :

- Les muscles ventilatoires et l’appareil pulmonaire = appareil respiratoire.

L’appareil respiratoire = poumons et voie aérienne = système circulatoire pulmonaire.

Sans vaisseaux sanguins pas d’échange possible. Les artères se divisent. Les plus petits vaisseaux sont appelés capillaires.

Il existe différentes générations de bronches. Exemple du polycopié : 23 générations différentes.

Les échanges gazeux se font à niveau de la 17 ème génération. Pas d’échange possible au niveau de la trachée. Cette zone s’appelle la zone de conduction (la trachée).


  1. Muscles ventilatoires




    1. : Muscles inspiratoires


- Le diaphragme est le principal muscle respiratoire. Il a la forme d’une coupole, très fin, c’est un muscle squelettique. Il délimite la cavité thoracique et abdominale. Muscle innervé par des nerfs phrénique. Pour le contracter il doit être stimulé. Il se contracte régulièrement, pas de longue phase de repos. Il a un émidiaphragme gauche et droite.

Muscle cyclique, 50 % de fibre I, 25 % de fibre 2a et 25 % de type 2b.

Le diaphragme est fatiguable. Quand il se contracte il s’abaisse. Le contenu abdominal est refoulé vers le bas. Augmentation du volume de la cage thoracique.

- Les intercostaux externe, il soulève les côtes, augmente aussi le volume de la cage thoracique.

Il y a aussi des inspirateurs accessoires, c a d intervient dans un effort. Les scalènes soulèvent les deux premières côtes. Les sterno-cléïdo-mastoïdien soulèvent le sternum. Le but des muscles inspirateurs c’est d’augmenter le volume de la cage thoracique.

Le diaphragme s’abaisse d’environ d’un cm lors de la ventilation au repos. Pendant l’effort il peut s’abaisser jusqu’à 10 cm.


    1. : Muscles expiratoires

Pour une ventilation de repos les muscles inspiratoires se contracte, l’inspiration est donc active.

Pour une ventilation de repos l’expiration est passive elle est le résultat de la relaxation des muscles inspiratoires.

Seule l’expiration forcée implique une activité des muscles expiratoires.

Les muscles abdominaux augmente la pression abdominale et refoule le diaphragme vers le haut.

Les intercostaux internes diminuent le volume de la cage thoracique car ils ont tendance à la refermer.


  1. Pression de la cavité thoracique


Patm = Pression atmosphérique = 760 mmHg

La pression respiratoire se calcul par rapport à la Patm.

Si on a une pression au dessus de 760 on dira que celle-ci est positive si elle est en dessous on dira qu’elle négative.

La pression dans la cage thoracique est égal à 0 pour 760 mmHg.

La plèvre à pour rôle de coller les poumons à al cage thoracique.

C’est parce que les poumons sont distendus que l’air peut rentrer. Les deux feuillets de la plèvre glisse l’un sur l’autre. Ils ne se séparent pas. Le liquide intra-pleural créer une forte pression. Exemple de deux vitres coller avec la pression de l’eau.

Si il n’y a plus cette pression les poumons ne sont plus solidaires de la cage thoracique ce qui peut entraîner des problèmes de santé.

Il y a une relation entre la pression pulmonaire et la pression intra-pleurale. Même si la pression intra-alvéolaire varie légèrement avec le cycle respiratoire, il s’équilibre toujours avec la pression atmosphérique.

La pression pleurale est toujours inférieure à la pression atmosphérique.


  1. Inspiration et expiration : processus


Processus mécanique qui repose sur les variations de volume de la cage thoracique. Ces variations vont être à l’origine d’écoulement de gaz et de l’air selon les gradients de pression c a d haute pression vers basse pression.
3-1 : Loi de Boyle Mariotte.
A température constante :

P = k fois 1/V

P : pression

K : constante

V : volume

Si le volume augmente la pression diminue.
3-2 : Inspiration
Mécanisme :

Au repos : inspiration → action des muscles → augmentation du volume de la cage thoracique → plèvre → augmentation du volume pulmonaire c’est la loi de Boyle Mariotte.

Si on augmente le volume de la cage thoracique la pression intra pulmonaire diminue donc la pression est négative et inférieur à la pression atmosphérique ;

Comme déséquilibre de pression il y a une entrée d’air ce qui correspond à l’inspiration. La plèvre colle les poumons à la cage thoracique.
3-3 : Expiration
Mécanisme :

Expiration de repos → relaxation des muscles inspiratoires → diminution du volume de la cage thoracique → fait grâce à la plèvre → diminution du volume pulmonaire → fait grâce à la loi de Boyle Mariotte → augmentation de la pression intrapulmonaire et donc sortie d’air pour équilibrer les pressions.


  1. Ventilation pulmonaire et facteurs physiques


4-1 : Propriétés élastiques des poumons
4-1-1 : courbe pression volume
Un poumon est sousmis à la pression variable ; On regarde ce qui ce passe au niveau du volume.

Si on diminue la pression autour du poumon pour des valeurs inférieures à la pression atmosphérique le volume du poumon augmente. Si on augmente la pression autour du poumon pour des valeurs supérieures à la pression atmosphérique le volume du poumon diminue.

C’est du à une propriété élastique. Celle-ci n’étant pas pour autant parfaite.

Le volume des poumons n’est jamais nul, il reste toujours de l’air dans les poumons.
4-1-2 : la compliance
C’est la capacité qu’à le poumon à se distendre. C’est la pente de la relation pression volume.

La compliance varie selon différents facteurs : le vieillissement, les maladies (exemple : oedeme pulmonaire). Si la cage thoracique fléxique ça joue sur la compliance.
4-3 : Résistances des voies aériennes
4-3-1 : débit gazeux s’écoulant dans un tube.
Quand un gaz s’écoule dans un tube il y a une différence de pression entre les extrémités. Le débit d’écoulement va avoir différentes formes :

- Flux laminaire : flux s’écoule selon des couches parallèles. Bas débit d’écoulement.

- Transitionnel : pour les débit moyen

- Turbulent : pour les hauts débits.
Loi de Poiseuille pour les flux laminaires : le débit d’écoulement d’un gaz soit V (point) = à la différence de pression entre l’atmosphère (pression à la bouche) et la divisé par le résistance des voies aériennes.

V (point) = différences P / R
4-3-2 : résistance des voies aériennes.
Cette résistance décroît avec la génération des bronches. C’est au niveau des bronches moyennes qu’elle est la plus élevée. Le diamètre des bronches terminales sont très petits ceci sera compensés par leurs surnombres.

Le système bronchique n’est pas un système figé.

Il existe des facteurs qui vont modifier la résistance en modulant le diamètre des bronches :

- Le volume pulmonaire : plus le VP est grand plus la résistance des voies aériennes diminuent.

Chaque fois que les poumons se distendent ils vont exercer une traction radiale sur les bronches (ces dernières étant enchâssées dans les poumons). Ca les étire dans le sens de l’ouverture.

Quand le volume des poumons diminuent alors les bronches s’affaissent et leur volume diminue.

Dans la paroi des bronches, il y a des cellules musculaires lisses. Quand elles se contractent elles font varier le diamètre des bronches.

- Le système nerveux autonome / végétatif : régule la contraction des cellules musculaires lisses. Constitué de deux systèmes opposés : - le système parasympathique ou les neurotransmetteurs sont des acétylcholines. La bronchoconstriction contracte les muscles. Elle domine au repos. Elle augmente la résistance des voies aériennes.

- Le système sympathique ou les neurotransmetteurs adrénalines. La bronchodilatation permet la relaxation des muscles lisses des bronches. C’est aussi un signal d’alerte, permet de fuir. Diminue la résistance des voies aériennes.
5) Volume et débit respiratoire.

5-1 : Volume pulmonaire.
On peu mesurer le volume et le débit pulmonaire grâce à une technique générale :

- La spirométrie : permet mesurer le volume pulmonaire. Lors d’une inspiration et d’une expiration courante on mesure le volume courant.

Le volume courant est une quantité d’air inspiré / expiré au cours d’une respiration de repos, environ 0,5 L.

Une inspiration forcée : inspire un volume de réserve respiratoire, correspond à la quantité d’air inspiré avec un effort après une expiration courante Vri = (à peu près) 3 L.

Vri : volume de réserve respiratoire.

VRE : quantité d’ai expiré avec effort après une expiration courante. VRE = 1,2 L.
VC + VRE + VRI correspond à la capacité vitale. Quantité d’air qu’on peut mobiliser par rapport à des inspirations et des expirations forcées.
Il reste toujours de l’air dans les poumons pour ne pas que les alvéoles se ferment définitivement.

Volume résiduel + CV corrrespond à la capacité pulmonaire totale. Elle varie d’un individu à l’autre autour de 6 à 7 litres.
La capacité résiduelle fonctionnelle : VRE + VR.

VRE : quantité d’air qui reste dans les poumons après une expiration courante.
Le VR et le CRF ne sont pas mesuré par la même technique que le VRE, VRI et le VC.
5-2 : Le débit.
V (point) E = débit ventilatoire L/min.

L’indice qui donne la notion de temps c’est la fréquence respiratoire (FR).

V (point) E = VC fois FR

Au repos 12 à 15 mouvements de respirations par minute. Donc le débit ventilatoire est égal à 6 à 8 L / min.

A l’effort VE = 150 L / min. L’expert peut monter à 200.
Le débit ventilatoire au niveau des alvéoles représente la fraction du volume d’air inspiré qui participe aux échanges gazeux.
V (point) A = (VC-VD) fois Fr

VC : volume courant

VD : espace mort anatomique : zone de conduction environ = à 0,15 L.

(0,5 – 0,15) fois 12 = 4,2 L / min.

Seulement 4,2 L / min vont servir pour les alvéoles.
Le VEMS : volume maximal expiré pendant la première seconde d’une expiration forcée.
II / Les échanges gazeux.
1) Loi des gaz parfaits.


    1. : loi des pressions partielles de Dalton.


Définition voir polycopié.

Contenance dans l’air.

N2 : azote, 78 %

02 : 21 %

H2O : varie
La pression partielle de chaque gaz va être proportionnelle au % du gaz ds les mélanges.

A 0 mètre :

Patm : 760 mmHg

PN2 : 760 fois 78 % = 593 mmHg

PO2 : 760 fois 21 % = 159 mmHg
A 8600 mètres :

Patm : 245 mmHg

PO2 : 245 fois 21 % = 52 mmHg.


    1. : loi de Henry.


A l’équilibre, les pressions partiels des gaz vont être équivalentes dans les deux phases (dans la phase gazeuse et liquide).

La direction et le volume des mouvements de gaz vont être déterminés par leur pression partielle dans les deux phases.
2) Composition des gaz dans les voies aériennes supérieurs.
Les voies aériennes se situent au niveau des cavités nasales.

L’air qui rentre dans les voies aériennes va être filtré et humidifié, saturé en vapeur d’eau (exemple : buée quand on souffle).

Donc la pression partielle en eau augmente ce qui conduit une diminution de la pression en O2 (150mmHg). Car pression totale est toujours la même.
3- Composition des gaz dans les alvéoles.
Il y a une diminution de la pression partiel en O2 dans les alvéoles : 100 mmHg alors que dans les voies aériennes il y en a 150 mmHg.

Ce résultat s’explique par deux phénomènes :

- Approvisionnement en O2 par la ventilation alvéolaire.

- Soustraction de l’O2 par le sang des capillaires. L’O2 sera emporté par le sang.
La pression alvéolaire en CO2 c’est 40 mmHg. Ce résultat s’explique aussi par deux processus :

- Apport du CO2 par le sang des capillaires.

- Elimination du CO2 par la ventilation alvéolaire.
Si on a une mauvaise ventilation alvéolaire ça jouera sur la Pa en O2 et en CO2.
4- La diffusion à travers la membrane alvéolo – capillaire
4-1 : membrane alvéolo – capillaire : description.
C’est la barrière entre les alvéoles et les capillaires. C’est cette barrière que devront franchir le CO2 et l’O2. Elle est constituée des parois de l’alvéole et du capillaire.
4-2 : lois de la diffusion
Cette diffusion se fait selon la loi de Fick : V (avec point) gaz = S / E * D (P1 – P2)

S : surface d’échange

E : épaisseur du tissu

Le reste : différence de pression entre le compartiment 1 et le 2.

Elle varie d’un gaz à l’autre du faite de sa structure.

Lorsqu’il y a une grande surface et une petite épaisseur il y a une bonne diffusion.

Le CO2 à un coefficient de diffusion 20 * plus important que celui de l’O2.
4-3 : captation de l’O2 le long du capillaire pulmonaire.
Il y a une diffusion du milieu à plus haute pression jusqu’au milieu à basse pression.

Pour les capillaires : PO2 = 40 mmHg PCO2 = 100 mmHg

Le sang veineux est pauvre en O2 alors que le sang artériel est riche en O2.

Pour équilibrer ces différences de pression l’O2 sera diffusé des alvéoles aux capillaires.

Le sang s’enrichit en O2 au niveau des alvéoles.

Voir polycopié page. 35 - 36.

Le temps de contact est déterminé par le débit cardiaque.

La PO2 des capillaires augmente en 0,3 secondes.

A l’exercice le débit cardiaque augmente alors le temps de contact diminue. Mais même à l’exercice maximum le PO2 des capillaires à le temps d’atteindre 100 mmHg en 0,3 secondes. Elle l’atteint toujours à O,3 secondes.

Même si le débit cardiaque augmente, le temps de transit ne passera pas en dessous des 0,3 secondes.
4-4 : transfert du CO2 à travers le capillaire pulmonaire.
Dans le sang veineux, PCO2 = 46 mmHg

Dans les alvéoles, PCO2 = 40 mmHg

Le CO2 est éliminé à chaque expiration. Il y a une différence de pression inverse à celle de l’O2.

Le CO2 ira des capillaires aux alvéoles.

Cette diffusion est toujours dépendante de la loi de Fick.

La PCO2 diminue en moins de 0,15 seconde.

Voir polycopié page. 37 - 38

Au repos le temps de transit est de 0, 75 sec et à l’exercice il est de 0, 45 sec.

La pression à donc largement le temps de diminuer.

Le CO2 se diffuse dans un temps assez bref car son coefficient de diffusion est important.
Remarque : dans les veines et les artères circule du sang à la fois riche et pauvre en O2 et en CO2.

Sang veineux : PO2 = 40 mmHg

PCO2 = 46 mmHg

Sang artériel : PO2 = 100 mmHg

PCO2 = 40 mmHg
5 – Diffusion dans les tissus (échanges gazeux sang tissu).
Se fait aussi selon la loi de Fick entre les compartiments sanguins et les cellules des tissus.

PO2 dans le muscle squelettique diminue car de l’O2 a été consommé à cause de la contraction. PO2 = 46 mmHg.

L’O2 va vers le muscle et le CO2 va vers le sang car dans le muscle on a une basse pression en O2 et dans le sang une basse pression de CO2.

↔ Les échanges se font en fonction du gradient de pression de la plus haute à la plus basse pression.

Voir polycopié page. 39
III / Transport des gaz vers la périphérie
1- Oxygène


    1. : O2 dissous


L’O2 est transporté de deux façon : soit sous forme dissoute ou encore par transport par une hémoglobine.

- Dissoute : loi de henry (voir polycopié page. 29)

Pour chaque mmHg d’O2 il va y avoir 0,003 ml d’O2 dissous dans le plasma.

Le plasma c’est le sang sans les éléments figurés (globules blancs, rouges, plaquettes…).

PO2 = 100 mmHg on a donc 0,3 ml d’O2 dissous.

PO2 (sang veineux) = 40 mmHg on a donc 0,012 ml d’O2 dissous.

Si il y avait juste ce mode de transport d’O2, il faudrait augmenter le battement cardiaque de 15 fois.


    1. : hémoglobine et courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine.


L’hémoglobine ce trouve dans les globules rouges. Elle est composée de l’heme et de la globine (partie protéique). C’est sur l’heme que se fixe l’O2. Elle peut en fixer maximum 4, on parle alors d’hémoglobine saturée. Cette fixation est réversible car l’hémoglobine est un transporteur.

Quand il y a fixation d’O2 on à une nouvelle molécule appelé oxyhémoglobine.

Nous allons voir la courbe de dissociation de cette nouvelle molécule.

Voir polycopier page. 40.

Le % de saturation de l’hémoglobine en O2 dépend de la pression partielle en O2.

L’oxyhémoglobine n’est jamais saturée en totalité.

Quasiment toutes les hémoglobines dans le sang artériel transportent 4 molécules d’O2.

Dans le sang veineux, l’hémoglobine est saturé à environ 75 %.
2- Le CO2
Transporté sous trois modes :

Soit dissous, combiné avec l’hémoglobine, ou encore sous forme de bicarbonate.

Dissous, c’est comme pour l’O2. Environ 7 à 10 % du CO2 est transporté sous forme dissoute.

Lié à une hémoglobine : environ 20 à 30 % du transport du CO2. On parle de carbhémoglobine.

Le bicarbonate c’est le reste. Le CO2 s’associe à l’eau pour former l’acide carbonique qui va se transformer en ion bicarbonate et en proton car cet acide n’est pas stable.

CO2 + H2O Donne H2CO3 Donne HCO3 (-) + H+

La concentration en CO2 définira le sens de réaction.

[H+] définit l’activité d’un milieu, le pH définit l’acidité.

Le pH sanguin neutre est environ = à 7,40.

Quand le sang est acide on parle d’acidose.

Quand le sang est basique on parle d’alcalose.

☺ Il existe un lien entre la valeur de la PCO2 et le pH d’un milieu. Si la PCO2 est importante, sa ira dans le sens de formation du bicarbonate, donc [H+] augmentera et donc pH diminuera (c’est la réaction inverse). Ce qui signifie que plus le pH diminue plus le sang est acide. Vice vera.
IV / Régulation de la ventilation : quelque notion de base

Trois éléments dans le système de ventilation : les récepteurs vont recueillir l’information et qui vont la transmettre ensuite au centre de contrôle, qui va intégrer cette information, pour ensuite envoyer des informations inhibitrices ou excitatrices aux effecteurs qui sont principalement des muscles ventilatoires.

→ Plusieurs types de récepteurs :

♣ Il y a ceux qui sont sensibles aux variations mécaniques que l’on trouve au niveau des poumons, de la cage thoracique, des muscles ventilatoires (contraction, relâchement…).

Les chémorécepteurs : ils sont sensibles à PO2, PCO2 et au pH. On en trouve au niveau de la carotide (récepteurs périphériques), et au niveau du cerveau (récepteurs centraux).

Il y a un contrôle de la ventilation volontaire et involontaire. Involontaire dans le sens ou la respiration est mécanisme inconscient involontaire. C’est le plus important. En revanche on parle de volontaire comme par exemple en cas d’apnée, car on le décide mais très vite les centres involontaires reprennent le dessus car il faut respirer.

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