Année universitaire 2008-2009

S2 - UNITE 3

PHY O51

Physiologie des grandes fonctions (I)

-14CM + 8h TD-

LICENCE STAPSMarseille/Gap

Enseignante pour les CM: Joëlle Barthèlemy

CHAPITRE 2CHAPITRE 2

LE SYSTEME RESPIRATOIRELE SYSTEME RESPIRATOIRE

Les systèmes cardiovasculaire et respiratoire assurent ensemble une fourniture efficace d’oxygène aux tissus

en même temps qu’ils permettent l’élimination du dioxyde de carbone.

Ce transport implique au moins 4 processus distincts :

1/ La ventilation pulmonaireLa ventilation pulmonaire

2/ La diffusion La diffusion alvalvééoloolo--capillairecapillaire

3/ Le transport des gazLe transport des gaz

4/ Les Les ééchanges gazeux pchanges gazeux péériphriphéériquesriques

I. INTRODUCTION

II. LA VENTILATION PULMONAIRE

I. INTRODUCTION

A.Anatomo-physiologie du système respiratoire :

les organes de la respiration

nezbouche

épiglotte

bronches

bronchioles

5/ Arborisation bronchique

6/ Alvéoles

1/ Nez + fosses nasales

2/ Pharynx

3/ Larynx4/ Trachée

7/ Poumons

poumon droit

poumon gauche

épiglotte

pharynx

larynx

trachéebronche

caviténasale

diaphragme cavitépleurale

1/ Nez et fosses nasales1/ Nez et fosses nasales

2/ Pharynx2/ Pharynx

Anatomie des voies aAnatomie des voies aéériennes supriennes supéérieures : rieures : de lde l’’entrentréée (nez ou bouche) jusque (nez ou bouche) jusqu’’au larynxau larynx

Anatomie des voies aAnatomie des voies aéériennes infriennes inféérieures : rieures : du larynx aux alvdu larynx aux alvééolesoles

3/ Le larynx3/ Le larynx : structure complexe formée d’éléments cartilagineux et de tissus musculaire

5/ L5/ L’’arborisation bronchiquearborisation bronchique

La trachée se sépare en 2 bronches principales ou primaires ou souches qui pénètrent chacune dans un poumon.

Dans les poumons, elles se subdivisent en multipliant leurs ramifications….

4/ La trach4/ La trachééee : constituée d’arceaux de cartilage

� bronchioles terminales (environ 1 million)

C’est l’arborisation bronchique

Les propriétés anatomo-physiologiques des organes de la zone de conduction (du nez aux bronchioles) leur confèrent

différentes fonctions parmi lesquelles : la conduction de l’air, son réchauffement ou son refroidissement, son humidification,

son épuration.

Épithélium cilié des bronches et de la trachée

Les bronchioles terminales se terminent par des sacs alvéolaires dont la paroi présente de minuscules renflements

sphériques : les alvles alvééolesoles

6/ Les alv6/ Les alvééolesoles

La paroi La paroi alvalvééoloolo--capillairecapillaire

Les alvéoles = Lieu des échanges gazeux.

Surface totale = environ celle d’un terrain de tennis

Une surface considérable offerte aux échanges gazeux.

Les 2 poumonsLes 2 poumons sont logés et suspendus dans la cage thoracique.

Ils comportent les voies respiratoires inférieures et du tissu conjonctif élastique : le stroma.

Ils sont divisés en lobes :

3 pour le droit, 2 pour le gauche.

Poumon gauche 2 lobes

Poumon droit 3 lobes

7/ Les poumons7/ Les poumons

Le stroma

Chaque poumon est entouré par une cavité : cavité pleurale,délimitée par une membrane : la plèvre,

remplie de liquide

Cavité pleurale remplie de

liquide

Les poumons comportent 2 types de circulation :

���� La circulation pulmonaire

assure le transfert et le transport des gaz.

���� La circulation bronchique

II. LA VENTILATIONII. LA VENTILATION

I. INTRODUCTION

A.A.AnatomoAnatomo--physiologiephysiologie du systdu systèème respiratoire :me respiratoire :les organes de la respirationles organes de la respiration

B. La mB. La méécanique respiratoirecanique respiratoire

1. Principes régissant l’écoulement des gaz

2/ Les variations de volume ⇒ variations de pression

3/ Les gaz s’écoulent des zones de haute pression vers les zones de basse pression jusqu’à équilibre des pressions

1/ Loi de Boyle-Mariotte :

à température constante, la pression d’un gaz est

inversement proportionnelle à son volume

B. La mB. La méécanique respiratoirecanique respiratoire

Variation de la profondeur et de la hauteur

Variation de la largeur

2. Inspiration: processus actif

Variation de la profondeur et de la hauteur

Variation de la largeur

3. Expiration calme : processus passif

Lors de lLors de l’’inspiration et de linspiration et de l’’expiration profondes ou forcexpiration profondes ou forcéées, es, dd’’autres muscles sont impliquautres muscles sont impliquééss

1/ de restaurer la concentration en oxygène du sang à destination des différents organes

2/ d’éliminer le dioxyde de carbone provenant du sang veineux de la circulation systémique

1/ d’approvisionner les tissus en oxygène

2/ d’éliminer le dioxyde de carbone qu’ils produisent

Les échanges de gaz permettent :

���� entre les poumons et le sang

���� entre les tissus et le sang

III. LES ECHANGES DE GAZIII. LES ECHANGES DE GAZ

A. But

La pression partielle des gaz

1/ Pression Totale d’un mélange de gaz = somme des pressions partielles des

constituants du mélange.

2/ Pression Partielle (mmHg) = % du gaz dans le mélange x Pression totale (mmHg)

B. Les mécanismes qui régissent les échanges de gaz

PPatmatmOO22== 21% x 76021% x 760 = 159 mmHg 159 mmHg

PPatmatmCOCO22=0,04% x 760 ==0,04% x 760 = 0,3 mmHg0,3 mmHg

L’air que nous respirons est un mélange de gaz :

- 78,6% d’azote (inerte)

- 20,9 % d’oxygène

- 0,04% de gaz carbonique

+ vapeur d’eau + quantités négligeables d’autres gaz (argon, hélium…)

Pression totale du mPression totale du méélange = pression atmosphlange = pression atmosphéérique rique

soit 760 mmHg soit 760 mmHg

Pour chaque gaz, la différence de pression partielle

entre 2 compartiments engendre un gradient de

pression.

PPppOO22 PPppOO22

PPppCOCO22 PPppCOCO22

B. Les échanges gazeux alvéolo-capillaires

1. La membrane ou barrière alvéolo–capillaire

Alvéole

Au niveau des poumons, les échanges de gaz se font au travers de la membrane alvéolo-capillaire.

2. Les échanges d’O2

PO2 = 105 mm HgPO2 = 40 mm Hg

Sang en provenance des tissus

Sang à destination des tissus

Capillaire pulmonaire

O2Alvéole

PatmO2 =159 mmHg

PO2 = 105 mm Hg

PCO2 = 45mm Hg PCO2 = 40 mm Hg

3. Les échanges de CO2

CO2Alvéole

Sang en provenance des tissus

Sang à destination des tissus

Capillaire pulmonaire

PatmCO2= 0,3 mmHg

PCO2 = 40 mm Hg

4. La capacité de diffusion de l’O2 dans les poumons

Vitesse de diffusion de l’ O2 de l ’alvéole vers le sang

Au repos : 25 ml/min/mmHg

A l ’exercice : � 60 ml/min/mmHg pour 1 consommation d’ O2 de 4 litres

100 ml/min/mmHg pour 1 consommation d’ O2 de 6 litres

� grâce au couplage ventilation et perfusion

C. Les échanges gazeux au niveaux des tissus

1. Les échanges d’O2 et 2. Les échanges de CO2

Bilan

Au niveau des poumons:

O2 (13,9kPa) → sang (5,3kPa)

CO2 (6kPa) → alvéoles (5,3kPa)

Au niveau des tissus:

O2 (13,9kPa) → cellules (< 5,3kPa)

CO2 (>6kPa) → sang (5,3kPa)

Rapport kPa et mmHg : 7.5

3. La DAV O2

20 ml O2 pour 100 ml de sang

15-16 ml O2 pour 100 ml de sang

CaO2-CvO2 : 4-5ml O2 pour 100 ml de sang

Au repos

CHAPITRE 2CHAPITRE 2

LE SYSTEME RESPIRATOIRELE SYSTEME RESPIRATOIRE

II. LA VENTILATION

I. INTRODUCTION

III. LES ECHANGES DE GAZ

IV. LE TRANSPORT DES GAZ

1. Le transport de l’oxygène

- Sous forme dissoute dans le plasma : 2 à 5 % (peu car l’oxygène se dissout mal dans l’eau)

- Sous forme combinée à l’hémoglobine (Hb) dans les globules rouges (majoritaire : 95 à 98%)

���� Rôle de la pression partielle en oxygène

La vitesse à laquelle l’Hb capte ou libère l’oxygène dépend de plusieurs facteurs.

���� Effets de la PCO2 et du pH sur la courbe de dissociation de l’hémoglobine

���� Rôle de la température

- Sous forme dissoute dans l’eau : ~7 %.

C’est cette forme qui détermine la pression partielle en gaz carbonique du sang.

2. Le transport du gaz carbonique

- Sous forme liée à Hb : ~ 23 %Hb + CO2 HbCO2 [carb(amino)hémoglobine]

� [CO2] sang ==> � [H2CO3] ==> � pH

� [CO2] sang ==> � [H2CO3] ==> � pH

-Sous forme d’ions hydrogénocarbonates (HCO3-) : ~ 70%

CO2 + H2O H2CO3

Anhydrase carbonique

Acide carbonique

H2CO3 H+ + HCO3-

Ion bicarbonate

Acide carbonique

instable

H+ + HbO2 HHb + O2cellules

Effet Bohr

Au niveau des tissus

Au niveau des tissus

Au niveau des poumons

CHAPITRE 2CHAPITRE 2

LE SYSTEME RESPIRATOIRELE SYSTEME RESPIRATOIRE

II. LA VENTILATION

I. INTRODUCTION

III. LES ECHANGES DE GAZ

IV. LE TRANSPORT DES GAZ

V. LES PARAMETRES DE LA VENTILATION

1. La ventilation statique

Spirogramme

VC 500 mlVRI 3100 ml

VRE 1200 ml

VR 1200 ml

CVF = Capacité Vitale Fonctionnelle =VC+VRI+VRE = 4800 ml

CRF = Capacité Résiduelle Fonctionnelle=VRE+VR=2400 ml

CP = Capacité Pulmonaire (totale) =VC+VRI+VRE+VR = 6000ml

2. La ventilation dynamique

�������� Ventilation maximale par minuteVentilation maximale par minute

Au repos : * chez un individu adulte sain :

160 L/min chez un homme

110 L/min chez une femme

*chez un athlète entraîné la Vmax peut atteindre 400 L/min (VRI+VRE>>>)

A l’effort: les individus n’atteignent, même pour des exercices très intenses, que 65-75% de leur Vmax

1. La ventilation statique

Au repos : environ 6 L/min (12*0,5)

A l’effort: il est d’autant plus élevé que

l’intensité de l’exercice est importante

���� Débit ventilatoireC’est la ventilation par minute c’est à dire le volume d’air déplacé par unité de temps.

�VE = Fr x VC

Il varie aussi au cours de l’anticipation et de la

récupération.

de la capacité vitale, de l’état de santé, des dimensions corporelles (taille, poids, surface cutanée), de l’âge, du

niveau d’entraînement…

Le débit ventilatoire maximal est aussi fonction:

*120-140 L/min chez le sujet non entraîné (40-45*3,5)

*240 L/min chez le sujet entraîné (60*4)

*fréquence respiratoireAu repos : 12-16 resp/minA l’effort : � avec l’intensité de l’exercice : 40-45 resp/min, jusqu’à 60 chez l’entraîné

*volume courant

Au repos : 500ml

A l’effort : jusqu’à 65-75% de la capacité vitale (4,8l) soit

environ 3,5l et même + de 4l chez l’entraîné

Repos Activitémodérée

Activitéintense

�VE = Fr x VC

*débit ventilatoire et consommation d’oxygèneVE � proportionnellement à la consommation d’O2 jusqu’à* 60% environ de la capacité maximale d’effort pour les sujets non entraînés* 80% pour les entraînésAu-delà, VE augmente plus que VO2 : l’hyperventilation rend la respiration peu économique

CHAPITRE 2CHAPITRE 2LE SYSTEME RESPIRATOIRELE SYSTEME RESPIRATOIRE

II. LA VENTILATION

I. INTRODUCTION

III. LES ECHANGES DE GAZ

IV. LE TRANSPORT DES GAZ

V. LES PARAMETRES DE LA VENTILATION

VI. LA REGULATION DE LA VI. LA REGULATION DE LA VENTILATIONVENTILATION

1. Mécanismes nerveux de la respiration

La respiration repose sur l’activité de neurones situés au niveau du tronc cérébral (bulbe rachidien + pont).

Ces neurones sont organisés en groupes, disposés en réseaux avec un

générateur central du rythme respiratoire.

Les neurones du générateur central du rythme respiratoire se dépolarisent en spontanément de manière rythmique.

Au niveau du bulbe rachidien

Au niveau du pont

Le centre pneumotaxique

�inhibition du centre apneustique

Le centre apneustique

� activation du centre inspiratoire

�inhibition du centre inspiratoire

2. Facteurs influençant la respiration

L’activité des neurones des centres respiratoires du tronc cérébral est modulée par des stimuli de différentes natures: mécanique, chimique et nerveuse…

� la respiration peut s’ajuster

parfaitement aux besoins de l’organisme.

���� Réflexes déclenchés par des agents irritants

Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la fréquence respiratoires :

Des récepteurs de tension, appelés mécanorécepteurs, localisés au niveau des alvéoles, assurent une rétroaction négative sur le centre respiratoire.

���� Réflexe de Hering-Breuer

���� Réflexes déclenchés par des agents irritants

Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la fréquence respiratoires :

���� Réflexe de Hering-Breuer

���� Influence des centres nerveux supérieurs

���� Influence des centres nerveux supérieurs (suite)

Modifier sa respiration pour parler, siffler, chanter ou la

bloquer volontairement implique la communication des centres corticaux avec les

neurones du centre inspiratoire et/ou

directement avec les muscles respiratoires.

Centres corticaux

���� Facteurs chimiques

Les variations des concentrations, dans le sang artériel, de

différents paramètres chimiques sont détectées par des

chimio- ou chémo- récepteurs périphériques (carotidiens et

aortiques/plasma) et centraux (cerveau/LCR) qui sont à

l’origine de modifications de l’amplitude et de la fréquence

respiratoires.

���� Réflexes déclenchés par des agents irritants

Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la fréquence respiratoires :

���� Réflexe de Hering-Breuer

���� Influence des centres nerveux supérieurs

���� Influence de la pression partielle du gaz carbonique

���� Facteurs chimiques

Les chémorécepteurs centraux

Quand la PCO2 artérielle �, le CO2 traverse la barrière hémato-encéphalique assez rapidement et active les chémorécepteurs centraux…

==> hyperventilation qui élimine le gaz carbonique, évitant ainsi une du pH.

[CO2] sang ==> [H2CO3] ==> � pH ==> ventilation pulmonaire : hypoventilation pouvant aller jusqu’à l’apnée

Inversement:

Acidose ==> pH ==> Stimulation du centre respiratoire pour éliminer l’acide carbonique du sang sous forme de CO2 et H2OInversement� pH ==> Inhibition du centre respiratoire

���� Influence du pH

L’action des chémorécepteurs centraux est complétée par celle des chémorécepteurs périphériques présents au

niveau de la crosse de l’aorte et des carotides.

���� Influence de la pression partielle de l’oxygène

� PO2 (hypoxie)

==> � ventilation (hyperventilation)

==> � capture O2

==> � PO2 mais aussi � élimination CO2

==> � PCO2 (hypocapnie)

==> � pH

==> hypoventilation

- Le cortex moteur qui provoque une augmentation anticipatrice du débit ventilatoire.

- Les afférences d’origine musculaire, tendineuse et articulaire qui stimulent les centres respiratoires au

début de l’effort.

- L’augmentation de la température corporelle qui stimule directement les neurones du centre respiratoire,

notamment lors d’un exercice prolongé.

���� Autres facteurs de contrôle

Bilan