Faculté de Médecine Département de Pharmacie
Mme SENOUCI S
Physiologie de la fonction respiratoire I-Introduction L’appareil respiratoire est l’ensemble des organes dont la fonction est d’assurer la respiration qui permet les échanges gazeux entre l’air et le sang.. Les organes de l’appareil respiratoire comprennent : les voies respiratoires ont pour fonction de purifier, d’humidifier et de réchauffer l’air inspiré. Elles sont tapissées par une muqueuse.
II-Les voies aériennes Sont divisées en voies aériennes supérieures et voies aériennes inférieures a- Les voies aériennes supérieures comprennent les fosses nasales et les sinus paranasaux, le pharynx , le larynx Les cavités nasales ou fosses nasales permettent la filtration, le réchauffement et l’humidification de l’air inspiré. .Réchauffement : l’air est réchauffé jusqu’à la température corporelle (37°C) pour éviter le refroidissement du corps. - Humidification Rajout de vapeur d’eau pour éviter le dessèchement de l’épithélium d’échange. -Filtration Pour que les virus et les bactéries n’atteignent pas les alvéoles. Les sinus paranasaux sont des cavités situées dans les pièces osseuses de la face qui s’ouvrent dans les fosses nasales - Le pharynx Le pharynx relie les cavités nasales et buccale au larynx et à l'oesophage ⇒ passage de l'air (→ larynx) et des aliments (→ oesophage).
se divise en trois régions: Le nasopharynx il se trouve derrière les cavités nasales et s'étend jusqu'au plan du palais mou ne reçoit que de l'air.
L'oropharynx Il est situé derrière la cavité orale et s'étend vers le bas, du palais mou jusqu'à la hauteur de l'os hyoïde au niveau de la cavité buccale ⇒ reçoit l'air inspiré et les aliments avalés
Le laryngopharynx
Il prend naissance à la hauteur de l'os hyoïde et relie l'oesophage au larynx Au cours de la déglutition ⇒ priorité des aliments ⇒ interruption temporaire du passage de l'air.
- Le larynx Le larynx est un conduit des voies aériennes pures, mais aussi l’organe de la phonation. Il est composé d’un squelette cartilagineux, de ligaments , de membranes et de muscles. Il est tapissé d’une muqueuse. Son organisation anatomique lui permet de fermer l'entrée de la trachée lors de la déglutition du bol alimentaire et de l'ouvrir lors de la respiration Fonctions du larynx : Conduction de l'air dans la trachée. Déviation des aliments dans l’œsophage. Phonation (= présence des cordes vocales).
b-Les voies aériennes inférieures sont composées de la trachée et de l’arbre bronchique jusqu’aux alvéoles pulmonaires La trachée et les bronches La trachée est constituée des 16 à 20 anneaux cartilagineux . Cette structure annulaire existe jusqu’au niveau des bronchioles. Le muscle trachéal est innervé par les nerfs végétatifs, sympathiques responsables de la dilatation et parasympathique responsable de la constriction -La bronche principale droite est de direction plus verticale (environ 30° par rapport à l’axe vertical) que la bronche principale gauche (environ 60° par rapport à l’axe vertical Chacune des bronches se ramifient en bronches lobaires, puis en bronches segmentaires, puis en bronchioles. Au total, il existe jusqu’à 23 divisions avant les alvéoles pulmonaires.
Fig: Voies aériennes:Trachée + 2 bronches + bronchioles
-Les poumons, entourés de la plèvre, sont les deux organes parenchymateux où se produisent les échanges gazeux entre l’atmosphère et la circulation pulmonaire ou petite circulation
III-Physiologie de la fonction respiratoire La respiration est une fonction qui assure la production d’énergie indispensable au fonctionnement cellulaire à partir de la dégradation de molécules organiques appelées nutriments, elle se traduit de deux façons : La ventilation pulmonaire qui permet l’entrée de l’air lors de l’inspiration et sa sortie lors de l’expiration. La respiration cellulaire qui correspond à l’utilisation du dioxygène de l’air pour libérer l’énergie contenue dans les aliments. II) Appareil respiratoire L’appareil respiratoire remplie sa fonction essentielle de respiration à travers : 1- la mécanique ventilatoire : la ventilation pulmonaire permet de renouveler l’air dans les alvéoles. Le cycle respiratoire est constitué de l’inspiration et l’expiration. 2- Respiration externe : échange gazeux entre le sang des capillaires pulmonaires et les cavités aériennes pulmonaires ⇒ diffusion de l'O2 vers le sang et du CO2 vers les cavités aériennes 3- le transport des gaz par le sang acheminement de l'O2 vers les cellules et du CO2 vers les poumons. 4-Respiration interne : échange gazeux entre le sang des capillaires systémiques et les cellules ⇒ diffusion de l'O2 vers les cellules ⇒ diffusion du CO2 vers les capillaires.
III) Ventilation pulmonaire et volumes circulants La ventilation pulmonaire : elle est assurée par des phénomènes mécaniques qui Consistent :
Des modifications de volume du thorax à l’inspiration et à l’expiration. Des variations de pression à l’intérieur du poumon qui sont immédiatement compensées par l’entrée à l’inspiration et par la sortie à l’expiration d’un certain volume d’air. L’inspiration est un phénomène entièrement actif, musculaire, qui met en contribution un très grand nombre de muscles dont le plus important est le diaphragme
Fig:volume du thorax à l’inspiration et à l’expiration. Les mécanismes intervenant au cours de l'inspiration sont : a) la contraction du diaphragme .b) le soulèvement (augmentation) de la cage thoracique par contraction des muscles scalènes et des muscles intercostaux externes et c) le soulèvement de la cage thoracique par d'autres muscles accessoires. Les mécanismes intervenant au cours de l'expiration sont : a)les mouvements des muscles de la paroi abdominale qui poussent le diaphragme vers le haut ; b) l'abaissement (diminution) de la cage thoracique, mouvement passif dû à la pesanteur et à l'élasticité et c) relâchement des muscles intercostaux Inspiration normale ==> phénomène actif : contraction du diaphragme et des muscles intercostaux qui élèvent les côtes. Expiration normale ==> phénomène passif : relâchement des muscles précédent. · La ventilation est le renouvellement de l’air à l’intérieur de l’appareil respiratoire par cycles continus. · La respiration normale est involontaire et inconsciente. Les mouvements d’inspiration et d’expiration forcée sont volontaires. IV-Spirométrie spirométrie est de contrôler la fonction ventilatoire en mesurant les volumes d’air mobilisés par les mouvements respiratoires et les débits ventilatoires. Ce test permet de déterminer, de manière relativement simple, les paramètres de différentes capacités pulmonaires, les volumes pulmonaires et les débits d'air (inspiration, expiration)
Fig:Spirométrie Atlas de poche de physiologie Médecine Science Flammarion) Volumes d’’air échangés · Volume courant ==> volume d’air inspiré puis expiré au cours de chaque mouvement respiratoire. Au repos volume de 0,5 L chez l’adulte., Inspiration forcée ==> volume d’air supplémentaire d’environ 2,5 L. C’est la réserve inspiratoire. Expiratoire forcée ==> volume d’air supplémentaire d’environ 2 L. C’est la réserve expiratoire. · Volume réserve inspiratoire + volume courant + volume réserve expiratoire = capacité vitale (environ 5L) · Volume résiduel (environ 1,5 L) · Le rythme respiratoire (ou fréquence respiratoire) correspond au nombre de mouvements respiratoires par minute. En moyenne 40 à 50 mouvements/mn à la naissance 14 mouvements/mn chez l’adulte Épreuves fonctionnelles et débits -Ventilation – minute, volume total d’air inspiré ou expiré en 1 minute lors d’une ventilation normale. VENTIL/MIN = FC (fréquence respiratoire) x VC 12 x 0.5 6 l/min Ordre de grandeur de la ventilation minute – repos : 6 L/min – marche : 15 L/min – marche rapide : 30 L/min – montée d'escaliers : 30 à 40 L/min – vélo intensif : 60 à 100 L/min – course d'endurance : 60 à 100 L/min
-Volume expiratoire maximal seconde = VEMS, volume d’air maximum expiré en 1 seconde après une inspiration forcée. Il diminue en cas de trouble obstructif. VEMS= 80% de CV. Rapport de Tiffeneau, rapport entre le VEMS et la CV. VEMS / CV > 0.7. -DEP (débit expiratoire de pointe), débit d’air maximum expiré lors d’une expiration forcée, après une inspiration forcée. DEP = 500 à 600 l/min IV) Les échanges gazeux respiratoires. Les échanges gazeux alvéolo-capillaires Ces échanges se font entre l’air amené jusqu’aux alvéoles par la ventilation et le sang amené jusqu ‘aux capillaires par la circulation pulmonaire. Ils portent essentiellement l’oxygène et le gaz carbonique, l’oxygène passant de l’air alvéolaire vers les capillaires, le gaz carbonique diffusant en sens inverse
Les caractéristiques qui favorisent ces échanges Ces gaz peuvent facilement traverser la paroi des alvéoles car : -la paroi des alvéoles est très mince - La surface de contact entre l’ensemble des alvéoles et des capillaire est très importantes (200m2) ce qui va permettre beaucoup d’échange - le sang circule abondamment (8000l/j) dans de petits vaisseaux sanguins les capillaires. - Ces capillaires très fins sont appliqués conte la paroi très fines des alvéoles ce qui va faciliter les échanges. Principes de la diffusion LOI DE DALTON « La pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions partielles exercées par chaque gaz. » La pression partielle d’un gaz est la pression exercée par un gaz dans un mélange de gaz, elle est proportionnelle à sa concentration relative (= A%) dans le mélange. P. Partielle = P. Totale x A/100 EX : P. Atmosphérique = 760 mm Hg = P. Totale, Air = 80% N2 et 20% O2 donc P. Part. N2 = 760 x 80/100 = 608 mm Hg P. Part. O2 = 760 x 20/100 = 152 mm Hg et P. Atm = 608 + 152 = 760 mm Hg PO2 ≈ 40 mm Hg dans le sang désoxygéné des artères pulmonaires, PO2 ≈ 104 mm Hg dans les alvéoles, ⇒ le gradient de pression partielle est élevé (= 64 mm Hg), ⇒ diffusion rapide de l'O2 des alvéoles au sang des capillaires pulmonaires, ⇒ établissement de l'équilibre à PO2 ≈ 104 mm Hg dans le sang capillaire pulmonaire Pour le gaz carbonique PCO2 ≈ 45 mm Hg dans le sang désoxygéné des artères pulmonaires, PCO2 ≈ 40 mm Hg dans les alvéoles, Le gradient de pression est faible mais la solubilité du CO2 est grande. Il y a donc une bonne diffusion du CO2 du sang vers l’air alvéolaire. Dans ce cas-ci, c’est la solubilité qui est la principale responsable du passage gazeux. Le passage des gaz est rapide et dure jusqu’à ce que les pressions partielles s’équilibrent. L’air alvéolaire étant constamment renouvelé par la ventilation, les pressions partielles des gaz y
restent constantes et c’est donc le sang qui atteint les valeurs en O2 et en CO2 de l’air alvéolaire avec PaO2 100 mm Hg et PaCO2 40 mm Hg -LOI DE HENRY Selon cette loi : Plus un gaz donné est concentré dans le mélange gazeux ⇒ plus il se dissout en grande quantité dans le liquide. Au point d'équilibre, les pressions partielles d'un gaz sont les mêmes dans les 2 phases (= gazeuse et liquide).
Un gaz diffuse toujours – d’une zone de pression partielle élevée vers une zone de pression partielle plus basse jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint
Fig: Mouvements des gaz dans l’organisme
V-Transport des gaz respiratoires : rôle de l’hémoglobine. L'Hémoglobine est composée de : Hémoglobine: 2 chaînes alpha et 2 chaînes beta 4 hèmes
Chaque hème contient un atome de Fe pouvant fixer un O2 Donc, chaque Hb peut fixer 4 O2 Chaque globule rouge contient ~ 280millions molécules d’hémoglobines 4 chaînes polypeptidiques, 4 hèmes (= chacun lié à 1 chaîne polypeptidique), 4 atomes de fer (= chacun lié à 1 hème) sous forme d'ion ferreux Fe2+ (= Fe II).
Transport d’O2 : il se dissout dans le plasma dès sa diffusion dans le sang et se fixe sur la molécule d’hémoglobine. Cette combinaison est réversible. En effet, l’hémoglobine peut se fixer ou restituer l’O2 (c’est l’oxyhémoglobine). Une molécule d’hémoglobine peu transporter jusqu’à 4 molécules d’O2. Plus elle est saturée en O2 plus sa couleur est vive. 98% d’O2 est transporté par l’hémoglobine (2% est dissous) L'O2 se lie aux atomes de Fer ⇒ 1 molécule d’Hémoglobine peut donc se combiner à 4 molécules d'O2. L'équation de la liaison/ dissociation de l'O2 s'écrit : Poumons HHb + O2
HbO2 + H+ Tissus
Hb réduite (= désoxyHb)
oxyHb
Transport de CO2 : plus soluble que l’O2. 10% du CO2 est transporté sous forme dissoute dans le sang. Une partie reste sous cette forme, l’autre se fixe sur l’hémoglobine = carbhémoglobine. Mais la majeure partie (+ de 80%) se fixe à l’eau pour former du bicarbonate (H2CO3). Le CO2 est transporté dans le sang (= des tissus aux poumons) de 3 façons : -Sous forme de CO2 dissous dans le plasma. ≈ 7 à 8% du CO2 total. -Sous forme de carbhémoglobine HbCO2 (= carbaminohémoglobine) dans les hématies. ≈ 20 à 30% du CO2 total. CO2 + Hb
HbCO2 (carbhémoglobine).
Le CO2 n'entre pas en compétition avec l'O2 pour la liaison à l'hème : au contraire, il s'associe à la globine. -Sous forme d'ions bicarbonate HCO3- dans le plasma. 60 à 70% du CO2 total Anhydrase carbonique
CO2 + H2O gaz carbonique
H2CO3
HCO3- + H+ bicarbonate
acide carbonique
Les ions H+ libérés ↓ le pH cytoplasmique des GR
Le CO2 provenant du plasma (= origine : les tissus) est ainsi transformé en ions HCO3- dans les GR, puis les ions bicarbonate diffusent rapidement des GR au plasma, qui les transporte aux poumons. Dans les poumons, les mécanismes sont inversés : la PCO2 passe de 45 à 40 mm Hg
⇒ les ions HCO3- réintègrent les GR, ⇒ les ions HCO3- et H+ s'unissent pour former du CO2 (= sort des GR), ⇒ le CO2 ainsi formé, celui libéré par HbCO2 et celui présent dans le plasma diffuse du sang aux alvéoles selon le gradient de PCO2.
- Lieux des échanges gazeux. Au niveau des cellules : le sang arrive sous forme d’oxyhémoglobine, il les décharge de l’O2 et se charge du CO2 puis repart vers les poumons. Au niveau des poumons : le sang qui arrive aux alvéoles pulmonaires est riche en carbhémoglobine et en CO2 dissous. Il libère le CO2 et l’hémoglobine, se combine à l’O2 inspiré et repart enrichi en oxyhémoglobine vers les cellules - Les échanges se font par diffusion à travers les membranes des capillaires sanguins et des cellules. De part et d’autre des surfaces d’échanges, la pression des gaz est différente et les échanges se font des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. VI- la respiration cellulaire Nous savons que la fonction cellulaire dépend de la présence d’ATP. De plus, nous savons que l’énergie potentielle, libérée par la dégradation des combustibles, sert à la synthèse des ATP dans les mitochondries et que ces réactions nécessitent la présence d’oxygène dans ces dernières. L’ensemble des réactions biochimiques mitochondriales qui sont responsables de la formation des ATP sont appelées "les réactions de la chaîne respiratoire mitochondriale". Les réactions cataboliques de dégradation sont aussi responsables de la formation du CO2 car ces réactions enzymatiques dégradent les combustibles organiques (composées principalement de carbone) jusqu’à l’obtention de ce gaz VII- La régulation de la respiration par le système nerveux : - La régulation respiratoire est contrôlée par le système nerveux et plus particulièrement par le bulbe rachidien et le centre respiratoire du pont. Ces différents neurones vont entraîner une contraction cyclique et automatique des muscles respiratoires. Ces centres nerveux du tronc cérébral assurent les mouvements respiratoires : - Inspiration - Expiration
- Réflexes respiratoires : éternuements, toux, bâillement, inspiration forte
-la différence de pression en CO2 et en O2 ainsi que le pH influe sur la respiration.Ce sont les facteurs les plus importants. Régulation par le pH Système respiratoire joue aussi un rôle dans le contrôle du pH sanguin. [CO2] sang==> [H2CO3] ==> pH [CO2] sang==> [H2CO3] ==> pH Le centre respiratoire est sensible au pH pH ==>Stimulation du centre respiratoire pH ==> Inhibition du centre respiratoire
[CO2] sang==> pH ==> ventilation pulmonaire [CO2] sang==> pH ==> ventilation pulmonaire. En effet lorsque la concentration en CO2 augmente, le CO2 va diffuser dans le liquide cérébrospinal et se transformer en acide carbonique. Cet acide en se dissociant va libérer des ions H+ ce qui stimulera des chémorécepteurs centraux et entraînera une hyperventilation.
Fig:schéma d'un sac alvéolaire
Fig:Les mécanismes intervenant au cours de l'inspiration et l'expiration (PHYSIOLOGIE HUMAINE L’APPAREIL RESPIRATOIRE )