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L 1- S2

Physiologie Respiratoire

Aurélien Pichon et Fabrice Favret

Adapté de C. Caillaud

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PHYSIOLOGIE DE L'APPAREIL RESPIRATOIRE

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1. Anatomie fonctionnelle du système respiratoire

1.1 Le poumon � Situation : dans la cage thoracique.Extrémité supérieure du poumon = apex.Extrémité inférieure = base

� stroma. Tissu conjonctif élastique.� Les poumons sont suspendus dans leur cavité pleurale.

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Poumon gauchePoumon droit

Diaphragme

Plèvre

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1.2 La plèvre

� La plèvre : séreuse[1] qui a deux feuillets feuillet pariétal feuillet viscéral.

� Entre les deux feuillets : cavité pleuraleliquide pleural

[1] Séreuse :

�membranes sur les cavités antérieures fermées du corps. �Deux feuillets : pariétal + viscéral � Sécrète un liquide (sérosité) lubrifiant (permet le glissement l'un sur l'autre en éliminant au maximum les frictions)

�

Altérations de la plèvre :�Inflammation : pleurésie

� glissement des deux feuillets difficile

�Pneumothorax : décollement des deux feuillets

� Poumon se « dégonfle »

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1.2 La plèvre

�

�Pneumothorax : décollement des deux feuillets

� Poumon se « dégonfle »

- la zone de conduction :espace mort anatomique. (150 ml)

1.3 Relation structure-fonction du système respiratoire

Anatomie :� le nez, � le larynx, le larynx� la trachée, � les bronches (1ère à 14ème génération).

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Poumon droit

Trachée

Pharynx

Bronche primaire droite

LarynxCarina

Cavité buccale

Cavité nasale

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Au niveau du nez :- glandes muqueuses[1] (qui sécrètent du mucus)- glandes séreuses (lysozyme).- muqueuse très vascularisée : réchauffement de l'air.

[1] Muqueuse : Membrane tapissant les cavités du corps qui s'ouvrent àl'extérieur.

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MucusArtère pulmonaire

Alvéole

Muqueuse bronchique

AlvéoleCapillaire

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Larynx, pharynx et trachée :- L'épithélium cilié : piège les particules

L’Arbre bronchique supérieur (générations 0-15) reçoit un air :

� réchauffé,� débarrassé de la plupart des impuretés� saturé en vapeur d'eau (vascularisation).

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Importance du conditionnement de l’air chez l’athlète endurant :

Exercice intense : énorme quantité d’air àconditionner

�Dessiccation des voies aériennes�Inflammation : muqueuse gonflée,

bronches irritées

�Toux�Asthme d’exercice

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Débits

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- la zone respiratoire :� bronchioles avec des alvéoles.� au niveau des alvéoles : échanges gazeux

barrière alvéolo-capillaire� Épithélium alvéolaire� Endothélium capillaire� Interstitium

Epithélium alvéolaire :�pneumocytes de type I �pneumocytes de type II : surfactant

�

Bronchiole terminale

Bronchioles respiratoires

Alvéoles

300 millions d’alvéolesSurface alvéolaire : plusieurs m2

Sacs alvéolaires

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Pneumocyte deType I

Pneumocyte deType II

Alvéoles

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Structure de la barrière (ou membrane) alvéolo-capillaire

alvéole

capillaires

��

Structure de la barrière (ou membrane) alvéolo-capillaire

alvéole

capillaires

��

alvéole

Endothéliumcapillairehématie

Épithéliumalvéolaire

Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe

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capillaires

Globule rouge

Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe

alvéoles

��

1.4 La vascularisation des poumons

bien comprendre les deux circulations : systémique et pulmonaire.

1.4.1 Circulation pulmonaire :

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� Le sang fraîchement oxygéné repart par les veines pulmonaires.

l'artère pulmonaire contient du sang non hématosé

(pauvre en O2 et chargé de CO2)

la veine pulmonaire contient du sang hématosé. (riche en O2, pauvre en CO2)

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1.4.2 Circulation systémique

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2. Mécanique de la ventilation

Processus entièrement mécanique :

Ventilation pulmonaire : inspiration et expiration

variations de volume

variations de pression

écoulement des gaz.

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2.1 Pression dans la cavité thoracique

Pb = 760 mmHg

P intra alvéolaire 756 mmHg

P intra pleurale 752 mmHg

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La pression intra-pleurale : - 4 / -3 mmHg

Adhérence

P atm

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DiaphragmeIntercostaux(Abdominaux)

le plus important est le diaphragme :- capacité oxydative très importante.

75% de fibres résistantes à la fatigue.

- vascularisation très importante.

2.2 Les muscles respiratoires

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2.3 Les variations de pression pendant la respiration

Amplitude de la respiration

Pression intra-pulmonaire

Pression intra-pleurale

��

Au repos le diaphragme est relâchéContraction du diaphragme : volume thoracique augmente

2.4 Inspiration

��

l’augmentation du volume de la cage thoracique

� Pressionloi pression/volume : la pression

alvéolaire diminue

l'air pénètre dans les poumons.

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Amplitude de la respiration

Pression intra-pulmonaire

Pression intra-pleurale

��

�

2.5 Expiration

Amplitude de la respiration

Pression intra-pulmonaire

Pression intra-pleurale

�

2.5 Expiration

Relaxation du diaphragme : volume thoracique diminue

��

2.6 Les volumes et débits respiratoires2.6.1 Volumes et capacité

Méthode de mesure : spirométrie

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La courbe obtenue : temps/volume (millilitres)

1000

5000

6000

4000

3000

2000

Volume courant 500 ml

Volume de réserve inspiratoire 3100 ml

Volume de réserve expiratoire 1200 ml

Volume résiduel 1200 ml

CapacitéVitale

4800 ml

CapacitéInspiratoire

3600 ml

Capacitérésiduelle

Fonctionnelle2400 ml

��

Volume courant(VC, VT)

500 ml

Quantité d'air inspirée ou expirée àchaque respiration au repos

Capacité vitale (CV)

4800 ml

Quantité maximale d'air qui peut être expirée après un effort inspiratoire maximal

Volume de réserve inspiratoire (VRI)

3100 ml

Quantité d'air qui peut être inspirée avec un effort après une inspiration courante

Volume de réserve expiratoire (VRE)

1200 ml

Quantité d'air qui peut être expirée avec un effort après une expiration courante

Volume résiduel (VR)

1200 ml

Quantité d'air qui reste dans les poumons après une expiration forcée

��

Capacitéinspiratoire (CI)

3600 ml

Quantité maximale d'air qui peut être inspirée après une expiration normale CI = Vc + VRI

Capacitérésiduelle fonctionnelle (CRF)

2400 ml

Volume d'air qui reste dans les poumons après une expiration courante : CRF = VR + VRE

Capacitépulmonaire totale (CPT)

6000 ml

Quantité maximale d'air contenue dans les poumons après une inspiration maximale : CPT = VC + VRI + VRE + VR

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2.6.2 Les débits

La ventilation

����E(l/min) = VC(l) x FR(min-1

)

Homme adulte repos: ����E = 0,5 x 12 = 6 l.min-1

Homme adulte exercice: ����E = 1,5 x 30 = 45 l.min-1

����Emax = 140 l.min-1

temps

repos

exercice

� Vc et � FR

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Début de l’expiration

VEMS =4,03 l(84% de CV)

VEMS : volume maximal expiré pendant la première seconde d’une expiration forcée

Début de l’expiration

Obstruction (asthme)Normal

VEMS = 1,53 l(45% de CV)

1 sec 1 sec

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3. Les échanges gazeux3.1 Propriétés des gaz

1ère lettre P : pressionV : volumeV : débitsF : fraction

•

2ème lettre : indique le lieuA : alvéolea : sang artérielv : sang veineuxI : air inspiré

PAO2 : pression partielle de l’oxygène dans l’air alvéolaire

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Loi de Dalton

Patmos. = PAtmO2 + PAtmCO2 + PAtmN + PAtmH2O

�

Exemple :Exemple :-au niveau de la mer :

Patmos = 760 mmHg.FairO2 = 21 % = 0,21PairO2 = FairO2 x Patmos

PairO2 = 0,21 x 760 = 159.6 mmHg

-en altitude, 8600 m :Patmos = 245 mmHgPairO2 = 245 x 0,21 = 51,45 mmHg

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Loi de Henry

Alvéoles pulmonaires Capillaires pulmonaires

oxygène

Flux d’oxygèneDioxyde de carbone

Flux de dioxyde de carbone

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3.2 Composition des gaz dans les voies aériennes supérieures

PIO2 = FIO2 x (Patm - PH2O)

PH2O estimé à 47 mmHg

PIO2 = 0,21 x (760 - 47) ~ 150 mmHg

PIO2 : pression partielle de l’oxygène dans l’air inspiré

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3.3 Composition des gaz alvéolaires

PAO2 < PIO2------� pourquoi ?

PAO2 = 104 mmHg

PACO2 = 40 mmHg

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3.3.1 Importance de la ventilation alvéolaire

����E = Vc x frVE1 = 0,5 x 12 = 6 l/min

����A = ����E - (VD x fr) VD : volume de l'espace mort = 0,15 ml

ou VA= (Vt-VD) x Fr = 4,5 l/min

façon dont les alvéoles sont ventilées.

••

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3.4 La diffusion alvéolo-capillaire

3.4.1 La surface de diffusion

le rapport ventilation/perfusion VA/Q.

��������A

Idéal :����A = ����

PvO2= 40 mmHg

PaO2= ? mmHg

PAO2 = 104 mmHg

• •

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En réalité la distribution de ����A et ���� est hétérogène

����

����A�A

����

PaO2 < PAO2

Échanges gazeux non optimaux dans certaines zones

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En moyenne :23 ml d'O2 traversent pour chaque différence de 1 mmHg du gradient de pression alvéolo-

capillaire.

D(A-v)O2 = 104-40 = 64mmHg64 x 23 = 1472 ml d’O2

PaO2 = 98 mmHg

��

La différence de pression entre l'alvéole et le sang artériel est exprimée par :

P(A-a)O2 = 104-98 = 6 mmHg

chez sujet sain jeune au repos

En ce qui concerne le CO2 : PaCO2 = PACO2 = 40 mmHg.

�

3.4.2 L'épaisseur de la membrane

Deux contraintesDeux contraintes ::

- Très fine: 0,5 à 1 micron d'épaisseur

Gaz passent par diffusion

-Très résistanteen particulier à l’exercice : � tension d’étirement

O2

�

3.4.2 L'épaisseur de la membrane

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Un cas d'augmentation de l'épaisseur de la membrane :

l'œdème pulmonaire.

1- Capillaire étiré : jonctions entre cellules deviennent perméables

� fuite d’eau (plasma) hors du capillaire� l’interstitium

2- Capillaire casse : lésions � du sang qui sort des capillaires� l’interstitium

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3- Paroi alvélolaire casse :

� barrière alvéolo-capillaire détruite

� du sang qui sort des capillaires

� interstitium + alvéole : danger

Cela ralentit considérablement le passage de l'O2 : PaO2 �

Exemple d’œdème : altitude, exercice très intense, pathologies cardiaques

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Alvéole

Capillaire pulmonaire

Fuite plasma + sang

dans l’interstitium

Fuite plasma + sang

dans les alvéoles

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PaO2 et P(A-a)O2 : indicateurs de l’efficacitédes échanges gazeux

Stable à l’exercice chez les sujets sains

60

70

80

90

100

110

repos 90 150 210 270 330 R6

PaO

2 (m

mH

g)

Ath-JSed-A

Exercice (W) récupération

chevaux

6065707580859095

100105

R 5 6 7 8 9

vitesse du tapis, m.sec-1 (10% slope)

PaO

2 (m

mH

g)

humains chevaux

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Rupture circulaire de la couche épithéliale

Rupture complète de la barrière alvéolo-capillaire

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4. Le contrôle de la ventilation 4.1 La rythmicité

Système nerveux central : bulbes rachidiens

Neurones inspiratoires� Groupe dorsal (noyau du tractus solitaire)� Activité pacemaquer, génèrent le rythme� Activation :Influx passent par nerfs phrénique et intercostaux : INSPIRATION� Inhibition : relâchement des muscles, EXPIRATION

Rythme = ~14 inspirations / min; Temps inspiratoire : 2 secTemps expiratoire : 3 sec

Eupnée

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Neurones expiratoires� Situation médullaire� Surtout excité lors d’expirations forcées

4.2 modulation par les influences chimiques et nerveuses

� Afférences nerveuse d’origine musculaire ou articulaire� Chémorécepteurs périphériques (�O2, �CO2, �pH)� Récepteurs sensibles à l’étirement du poumon� Chémorécepteurs centraux (�CO2, �pH)

��

Chémorécepteur centraux����CO2, ����pH

Chémorécepteur périphériques���� O2, ����CO2, ����pH

Récepteurs musculaires et articulaires

+

+

+

+/-

+/-

--

Centres respiratoires

Centres supérieursContrôle volontaireAutres récepteurs

Douleur, émotions(hypothalamus)

Récepteurs àl’étirement

�

Apnée : PaCO2 remonte lentement et déclenche trop tard la respiration PaO2 peut � trop bas syncope

Troubles de l’homéostasie

Anxiété hyperventilation

� PaCO2Vasoconstriction cérébraleIschémie cérébraleMalaise

Hyperventilation volontaireNageur, apnéistes Très déconseillé

hyperventilation : � PaCO2 > � PaO2

�

5. Le transport des gaz respiratoires dans le sang5.1 Le transport de l'oxygène

L'oxygène est transporté sous deux formes : � liée à l'hémoglobine dans les globules rouges : 98% de l’O2

� dissoute dans le plasmaseulement 1,5 % = 0.3 ml pour 100 ml de sang

Ce gaz dissous exerce une pression partielle de 104 mmHg.

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5.1.1 Association et dissociation entre l'O2 et l'hémoglobine

L'hémoglobine se trouve dans les globules rouges.

�1

�1�2

�2��

O2

��

L'Hémoglobine :

� composée de 4 chaînes polypeptidique

� des groupements hème : contenant un

atome de fer.

� L'O2 se lie aux atomes de fer

� l'Hb peut donc transporter 4 molécules d'O2.

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SaO2 : quantité d’Hb saturée en O2 (porte 4 molécules d’O2) / quantité totale d’Hb

Cas 1 : Hb saturée : 15

Hb désaturée : 5

SaO2 = (15/15+5)x100 = 75%

Cas 2 : Hb saturée : 20

Hb désaturée : 0

SaO2 = (20/20+0)x100 = 100%

Réaction par laquelle O2 se fixe sur HbHb + O2 <------> HbO2 + H+

��L'Hb est une protéine allostériquePO2

SO2

NormalPCO2 = 40 mmHgpH = 7,4

���� PCO2 ; ���� T°C���� pH

���� pH���� PCO2; ���� T°C Capillaires musculaires

���� pH���� T°C

HbO2 O2 + HHb

Dans les cellules musculaires

(Énergie)

��

La concentration en Hb : �15 g /100 ml de sang chez l'homme�13 g / 100 ml de sang chez la femme

Pouvoir oxyphorique de l'Hb : vol. max. que peut fixer 1 g d'Hb : p.ox = 1,39 ml d'O2

��

Quantité maximale d'O2 que peut fixer l'Hb

contenue dans 100 ml de sang :

QmaxHb = [Hb] x p.ox

= 15 x 1,39 = 20,8 ml d'O2/100ml sang

O2 total transporté :

20,8 + 0,3 = 21,1 ml d'O2/100ml sang

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5.2 Le transport du gaz carbonique

Le CO2 est présent :1) dissous dans le plasma : 7 à 10 % du CO2

2) complexé avec l'Hb : 20 à 30 % du CO2

3) ss forme d'ion bicarbonate : 60-70 % du CO2

CO2 + H2O <--------> H+ + HCO3-

� dans le plasma� dans le globule rouge : réaction

catalysée par l'anhydrase carbonique

��

5.3 Transport et échange du CO2 et de l'O2

Globule rouge

Plasma sanguin

O2POUMON

HHbH+ + HbO2

HCO3- + H+H2CO3

H2O + CO2

CO2

CO2 dissout dans plasma

O2

O2 dissout dans plasma

CO2

HCO3- + H+H2CO3

H2O + CO2

CO2

Anhydrasecarbonique

HCO3- Cl-

Cl-

�

5.3 Transport et échange du CO2

�

Sang : plasma globules blanc (leucocytes), globules rouges ou érythrocytes

Sang : 8% du poids corporel , ~5 litres

Globule rouge : � Cellules en forme de disque biconcave, 7.5 µm� Contiennent essentiellement l’Hb� Cellule sans noyau� Sans mitochondrie (n’utilisent pas l’O2 transporté)� Cellules très déformables

6. Les globules rouges

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coupe

face

2 µ

7,5 µ

��

6.1 Synthèse des globules rouges

� A partir de cellules souches situées dans la moelle osseuse rouge (os longs)� Plusieurs types de cellules intermédiaires� Durée de vie du GR : 120 jours� Concentration doit être constante � Hématocrite (% de globule rouges) ~45%

Hématopoïèse

Synthèse stimulée par : � anémie , hémorragie, hypoxie

Synthèse régulée par une hormone :� Erythropoïétine = EPO

��

Génèse des globules rougesCellule souche

hémocytoblaste

proérythroblasteérythroblastes normoblastes

réticulocytes

GR

Accumulation d’Hb

Éjection du noyau

Quand % Hb = 34%

Ejection des mitochondries et du noyau

3 à 5 jours

��

Réticulocytes : jeunes globules rouges

Taux de réticulocytes : index du taux de synthèse des globules rouges

Utilisé dans le contrôle anti-dopage

6.1.1 Le contrôle hormonal de l’hémotopoïèse

Une hormone essentielle : L’érythropoïétine (EPO)

Site de synthèse : le rein

��

Hypoxie (���� PaO2 au niveau des capillaires rénaux)���� Importante du nombre de GR (hémorragie)

Reins : libèrent de l’EPO dans le sang

L’EPO stimule la différenciation des cellules souches et la synthèse de GR (et d’Hb)

Jusqu’à ce que l’hématocrite soit rétablie ou que l’apport d’O2 augmente

au niveau des rein (+ de GR)

apport en fer (Hb) et vitamine B12

(divisions cellulaires)

��

6.2 Destin des érythrocytes (GR)

Durée de vie d’un GR : environ 120 jours(pas de noyau = pas de synthèse protéique, pas de

réparation)GR abîmé, vieux

Détruit par des macrophages dans le foie ou la rate

Acides aminés, globine

Retournent dans le sang

Fer (toxique lorsqu’il est libre) est stocké dans le sang sur des protéines (transférine) et dans le foie (ferritine)

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6.3 Le dopage sanguin

Prise d’érythropoïétine

BUT : � le nombre de GR (� hématocrite)

Améliorer le transport de l’oxygène et la performance

Dépistage :� mesure de la concentration plasmatique d’EPO� mesure de l’hématocrite � mesure du taux de réticulocytes

��

40

42

44

46

48

50

52

D0 D4 D11 D18 D25 D30 D32 D37 D44 D53 D60

Hct

(%)

EPOPLA

Injections d’érythropoïétine : 50 U/kg ; Puis 20 U/kg

50 U /kg 20 U /kg

hématocrite

�

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

D0 D4 D11 D18 D25 D30 D32 D37 D44 D53 D60

Ret

icul

ocyt

es (%

)

EPOPLA

50 U /kg 20 U /kg

% réticulocytes