Alvéole - STAPS Toile libre

Année universitaire
2008-2009
LICENCE STAPS
Marseille/Gap
S2 - UNITE 3
PHY O51
Physiologie des grandes fonctions (I)
-14CM + 8h TDEnseignante pour les CM: Joëlle Barthèlemy
CHAPITRE 2
LE SYSTEME RESPIRATOIRE
I. INTRODUCTION
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 pulmonaire
mouvement es gaz dans et hors des poumons.
2/ La diffusion alvéolo-capillaire
échange de gaz entre les poumons et le sang.
3/ Le transport des gaz
O2 et CO2 par le sang
4/ Les échanges gazeux périphériques
le passage des gaz des capillaires aux tissus
I. INTRODUCTION
II. LA VENTILATION PULMONAIRE
La ventilation pulmonaire est le processus par lequel l'air
entre et sort des poumons.
Avant d'arriver à la zone des échanges gazeux, l'air traverse
les voies aériennes...
A. Anatomo-physiologie du système respiratoire :
les organes de la respiration
nez
bouche
1/ Nez + fosses nasales
2/ Pharynx
épiglotte
3/ Larynx
4/ Trachée
5/
Arborisation
bronchique
bronches
7/ Poumons
bronchioles
6/ Alvéoles
Anatomie des voies aériennes supérieures :
de l’entrée (nez ou bouche) jusqu’au larynx
1/ Nez et fosses nasales
cavité
nasale
pharynx
larynx
trachée
bronche
épiglotte
poumon
droit
- Résistance à l'écoulement del'air > à celle
de la bouche
- Epuration (les propriétés du muqus nasal
permet l'ârret de poussière au niveau des
cilles nasaux.
- Réchauffement / Refroidissement (selon la
témpérature extérieure)
- Humidification (l'air humide est mieu toléré
dans les voies inférieure)
2/ Pharynx
diaphragme
cavité
pleurale
poumon
gauche
- Tube musculaire strié il relie les
cavités nasales et la bouche au larynx
et à l'oesophage.
- Abrite les amygdales.
Anatomie des voies aériennes inférieures :
du larynx aux alvéoles
3/ Le larynx : structure complexe formée d’éléments
cartilagineux et de tissus musculaire
- Génère les sons grâce à l'action des cordes vocales et de l'ouverture plus ou moins
grande de la glotte.
- Fait communiquer voies respiratoires supérieures et inférieures.
- Protège les voies respiratoires inférieures (fermeture par l'épiglotte quand
déglutition, plus reflexe de tous).
4/ La trachée : constituée d’arceaux de cartilage
(de 16 à 20, diamètre : 2cm , L : 12cm)
5/ L’arborisation 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….
bronchioles
terminales
=> bronches
secondaires
puis
(environ
tertiaires 1...million)
jusqu'au 23ème
ordre.
=> bronchioles terminales (
environ 1 million)
C’est l’arborisation
bronchique
La zone de conduction [ du nez (1) aux bronchioles (5) ]
Les propriétés anatomo-physiologiques des organes de la zone
des propriétés anatomo-physiologiques qui permettent la réalisation de
de conduction (du nez aux bronchioles) leur confèrent
différentes fonctions : conduction de l'air, réchauffement ou refroidissement,
différentes fonctions parmi lesquelles : la conduction de l’air,
humidification, épuration.
son réchauffement ou son refroidissement, son humidification,
son épuration.
Épithélium cilié des bronches et de la
trachée
6/ Les alvéoles
Les bronchioles terminales se terminent par des sacs
alvéolaires dont la paroi présente de minuscules renflements
sphériques : les alvéoles = structures de la zone respiratoire.
La paroi alvéolo-capillaire
Paroi de fibres élastiques => l'alvéole augmente son
diamètre pendant l'inspiration et le diminue pendant l'
expiration.
Capillaires pulmonaires au
sein de la paroi => paroi
alvéolo-capillaire.
Les alvéoles : éléments fonctionnels fondamentaux des poumons.
Les alvéoles = Lieu des échanges gazeux.
Une surface considérable offerte aux échanges gazeux.
Surface totale = environ celle d’un terrain de tennis
+ de 300 millions d'alvéoles par poumons / + de 0.3 mm² par alvéole)
Remarque : Le nombre des alvéoles est determiné définitivement à la
naissance c'est leur taille qui augmente ( => 18 ans)
7/ Les poumons
Les 2 poumons sont logés et suspendus dans la cage thoracique.
Ils comportent les voies respiratoires inférieures et du tissu
conjonctif élastique : le stroma.
Le stroma
Ils sont divisés en lobes :
3 pour le droit, 2 pour le gauche.
Poumon droit
3 lobes
Poumon gauche
2 lobes
Chaque poumon est entouré par une cavité : cavité pleurale,
délimitée par une membrane : la plèvre,
remplie de liquide
Son rôle : transmettre aux poumons les mouvements de
la cage thoracique tout en évitant les frictions.
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
assure la nutrition des bronches et bronchioles par les artères
bronchiques qui émergent de l'aorte.
I. INTRODUCTION
II. LA VENTILATION
A. Anatomo-physiologie du système respiratoire :
les organes de la respiration
B. La mécanique respiratoire
La ventilation s'effectue par les variations de volume de la
cage thoracique; c'est un processus entièrement mécanique.
B. La mécanique respiratoire
1. Principes régissant l’écoulement des gaz
1/ Loi de Boyle-Mariotte :
à température constante, la
pression d’un gaz est
inversement proportionnelle
à son volume
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
2. Inspiration: processus actif
Variation de la profondeur et
de la hauteur
Variation de la largeur
Volume de la cage thoracique augmente => Pression diminue
3. Expiration calme :
processus passif
Variation de la profondeur et
de la hauteur
Variation de la largeur
Volume de la cage thoracique diminue => Pression augmente
Lors de l’inspiration et de l’expiration profondes ou forcées,
d’autres muscles sont impliqués
III. LES ECHANGES DE GAZ
A. But
Les échanges de gaz permettent :
entre les poumons et le sang
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
entre les tissus et le sang
1/ d’approvisionner les tissus en oxygène
2/ d’éliminer le dioxyde de carbone qu’ils
produisent
B. Les mécanismes qui régissent les échanges de gaz
La pression partielle des gaz
Pression
Totale
d’un mélange
de égale
gaz =à la somme
1/ La pression1/
Totale
exercée
par un mélande
de gaz est
des pressions
exerées
parpressions
chacun des partielles
constituantsdes
du mélange.
somme
des
constituants du mélange.
2/ La pression de chaque constituant = Pression Partielle est directement
2/ Pression Partielle (mmHg) = % du gaz dans le
proportionelle au pourcentage du gaz dans le mélange.
mélange x Pression totale (mmHg)
Loi de Dalton :
Pression partielle (mm Hg = mercure) d'un gaz est la pression exercée par
ce gaz dans le mélange = % x Pression total (mm Hg)
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 mélange = pression atmosphérique
soit 760 mmHg
PatmO2= 21% x 760 = 159 mmHg
PatmCO2=0,04% x 760 = 0,3 mmHg
Pour chaque gaz, la différence de pression partielle
entre 2 compartiments engendre un gradient de
pression.
PpO2
PpO2
PpCO2
PpCO2
B. Les échanges gazeux alvéolo-capillaires
1. La membrane ou barrière alvéolo–capillaire
Au niveau des poumons, les échanges de gaz se font au travers de la membrane alvéolo-capillaire trés
Aupar
niveau
poumons,
échanges
dedegaz
se font
au
fines ,constituée
la paroides
des alvéoles
et lesles
résaux
trés denses
capillaires
pulmonaires
qui les
entourent.
travers de la membrane alvéolo-capillaire.
Alvéole
Pour chaque gaz la différence
de pression partielle entre l'
alvéole et le capillaire crée un
gradient de pression à travers
la barrière, gradient qui régit
les échange gazeux entre les
poumons et le sang.
2. Les échanges d’O2
=> PO2 = 159 mm Hg à la Patm standart => 105mm Hg
dans les alvéoles où l'air inspiré se mélange avec l'air
alvéolaire contenant du CO2 et de vapeur d'eau.
Sang en provenance
des tissus
PO2 = 40 mm Hg
Sang à destination
des tissus
Capillaire pulmonaire
O2
Alvéole
=> différence de pression =>
gradient de pression
=> l'O2 diffuse du milieu
alvéolaire vers les capillaires
=> le sang se charge en O2 au
fur et à mesure qu'il circule
dans les capillaires.
PO2 = 105 mm Hg
PatmO2 =159 mmHg
PO2 = 105 mm Hg
=> Le sang qui arrive des
capillaires pulmoanires est
pauvre en O2
=>PO2 = mm Hg
3. Les échanges de CO2
Sang en provenance
des tissus
PCO2 = 45mm Hg
=> Le sang qui perfuse l'alvéole à une
PCO2 = 45mm Hg.
=> Dans l'alvéole la PCO2 = 40 mm
Hg car l'air atmosphérique se
mélange avec du CO2 présent dans l'
air alvéolaire.
=> différence de pression =>
gradient de pression
=> le CO2 diffuse des capillaires
vers le milieu alvéolaire
=> le sang se décharge en CO2, au
fur et à mesure qu'il circule dans les
capillaires
Sang à destination
des tissus
Capillaire pulmonaire
CO2
Alvéole
PCO2 = 40 mm Hg
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
Elle n'est pas limitative de la
capacité de performance (chez
l'individu sain).
Elle diminue à partir de 20 ans,
et diminué cher les fumeurs.
C. Les échanges gazeux au niveaux des tissus
1. Les échanges d’O2 et 2. Les échanges de CO2
n
a
l
i
B
Au niveau des poumons:
O2 (13,9kPa) → sang (5,3kPa)
CO2 (6kPa) → alvéoles (5,3kPa)
Rapport kPa et mmHg : 7.5
Au niveau des tissus:
O2 (13,9kPa) → cellules (< 5,3kPa)
CO2 (>6kPa) → sang (5,3kPa)
3. La DAV O2
= La différence artério-veineuse en O2
Au repos
15-16 ml O2
pour 100 ml
de sang
20 ml O2
pour 100 ml
de sang
20 ml O2
pour 100 ml
de sang
5 ml O2 pour
100 ml de sang
La DAV en O2 au CaCO2 CvO2 augmente avec l'
intensité de l'exercice.
Elle est fonction du
métabolisme oxydatif.
CaO2-CvO2 : 4-5ml O2 pour 100 ml de sang
CaO2 - CvO2 : 15 ml O2 pour 100 ml de sang
A l'exercice
Elle est influencé par
différents facteurs tels :
- la concentration en
oxygène
- le débit sanguin, mais
aussi comme nous le verrons
plus loin
- les conditions locales (
température, concentration
en CO2, pH sanguin) qui
influencent la liaison
hémoglobine-oxygène.
CHAPITRE 2
LE SYSTEME RESPIRATOIRE
I. INTRODUCTION
II. LA VENTILATION
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%)
Hémoglobine :
Une molécule d'hémoglobine comporte :
- 2 chaînes alpha et chaînes bêta
- 4 hèmes
Chaque hème contient un atome de Fer
pouvant fixer de façon réversible un
atome d'O2 => chaque Hémoglobine peut
fixer 4 O2.
Hb + O2
HbO2
Remarque : dans les muscles l'O2 est transporté par une protéine semblable : la myoglobine.
La vitesse à laquelle l’Hb capte ou libère l’oxygène dépend de
plusieurs facteurs.
Rôle de la pression partielle en oxygène
Si PO2 augmente :
Fixation de 1 O2 =>
facilite la fixation des
3 autres.
Si PO2 diminue :
Libération de 1 O2 =>
facilite la libération des
3 autres.
Effets du pH :
Effets de la PCO2 et du pH sur la courbe de
dissociation de l’hémoglobine
Augmentation de pH => augmentation de l'affinité de O2 avec Hb => diminution de la libération d'O2
Au niveau des poumons : la fixation de l'oxygène par l'Hb est favorisée => saturation
Augmentation de l'activité => augmentation du CO2 => diminution du pH => augmentation de la libération O2
Au niveau des tissus actifs la diminution du pH accélère la libération de l'oxygène de l'Hb (effet Bohr)
Rôle de la température
2. Le transport du gaz carbonique
- Sous forme dissoute dans l’eau : ~7 %.
C’est cette forme qui détermine la pression partielle en
gaz carbonique du sang.
- Sous forme liée à Hb : ~ 23 %
Hb + CO2
HbCO2 [carb(amino)hémoglobine]
L'association du CO2 à l'Hb est favorisée lorsque l'Hb est réduite (pas
associée à l'O2), situation qui prévaut au niveau des tissus.
-Sous forme d’ions hydrogénocarbonates (HCO3-) : ~ 70%
Anhydrase carbonique
CO2 + H2O
H2CO3
H2CO3
Acide carbonique
H+ + HCO3Ion bicarbonate
[CO2] sang ==> [H2CO3] ==> pH
[CO2] sang ==> [H2CO3] ==> pH
Au niveau des tissus
Acide
carbonique
instable
H+ + HbO2
HHb + O2 cellules
Effet Bohr
Au niveau des tissus
Au niveau des poumons
CHAPITRE 2
LE SYSTEME RESPIRATOIRE
I. INTRODUCTION
II. LA VENTILATION
III. LES ECHANGES DE GAZ
IV. LE TRANSPORT DES GAZ
V. LES PARAMETRES DE LA
VENTILATION
1. La ventilation statique
Spirogramme
VC 500 ml
VR = volume de reserve
VRE = volume de reserve expiratoire
VRI = volume de reserve inspiratoire
VC = volume courant
VRI 3100 ml
VRE 1200 ml
VR 1200 ml
CVF = Capacité Vitale Fonctionnelle =
VC+VRI+VRE = 4800 ml
CP = Capacité Pulmonaire (totale) =
VC+VRI+VRE+VR = 6000ml
CRF = Capacité Résiduelle Fonctionnelle=
VRE+VR=2400 ml
1. La ventilation statique
2. La ventilation dynamique
Ventilation 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
Chez un sujet sain , la ventilation maximal par minute n'est pas
un facteur limiatant de la performance.
Débit ventilatoire
C’est la ventilation par minute c’est à dire le volume d’air
déplacé par unité de temps.
VE = Fr x VC
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
Il varie aussi au cours
de l’anticipation et de la
récupération.
Le débit ventilatoire maximal est aussi fonction:
de la capacité vitale, de l’état de santé, des dimensions
corporelles (taille, poids, surface cutanée), de l’âge, du
niveau d’entraînement…
*120-140 L/min chez le sujet non entraîné (40-45*3,5)
*240 L/min chez le sujet entraîné (60*4)
VE = Fr x VC
*fréquence respiratoire
Au repos : 12-16 resp/min
A 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
Activité
modérée
Activité
intense
*débit ventilatoire et consommation d’oxygène
VE proportionnellement à la consommation d’O2 jusqu’à
* 60% environ de la capacité maximale d’effort pour les sujets
non entraînés
* 80% pour les entraînés
Au-delà, VE augmente plus que VO2 : l’hyperventilation rend la
respiration peu économique
CHAPITRE 2
LE SYSTEME RESPIRATOIRE
I. INTRODUCTION
II. LA VENTILATION
III. LES ECHANGES DE GAZ
IV. LE TRANSPORT DES GAZ
V. LES PARAMETRES DE LA VENTILATION
VI. LA REGULATION DE LA
VENTILATION
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.
Au niveau du bulbe rachidien
Les neurones du générateur central du
rythme respiratoire se dépolarisent en
spontanément de manière rythmique.
Au niveau du pont
Le centre apneustique
activation du centre inspiratoire
Le centre pneumotaxique
inhibition du centre inspiratoire
inhibition du centre apneustique
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.
Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la
fréquence respiratoires :
Réflexes déclenchés par des agents irritants
Réflexe de Hering-Breuer
Des récepteurs de tension, appelés mécanorécepteurs,
localisés au niveau des alvéoles, assurent une rétroaction
négative sur le centre respiratoire.
Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la
fréquence respiratoires :
Réflexes déclenchés par des agents irritants
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
Parmi les facteurs qui influencent l’amplitude et la
fréquence respiratoires :
Réflexes déclenchés par des agents irritants
Réflexe de Hering-Breuer
Influence des centres nerveux supérieurs
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.
Facteurs chimiques
Influence de la pression partielle du gaz carbonique
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.
Inversement:
[CO2] sang ==> [H2CO3] ==> pH ==> ventilation pulmonaire :
hypoventilation pouvant aller jusqu’à l’apnée
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 du pH
Acidose
==> pH
==> Stimulation du centre respiratoire pour éliminer
l’acide carbonique du sang sous forme de CO2 et H2O
Inversement
pH ==> Inhibition du centre respiratoire
Influence de la pression partielle de l’oxygène
PO2 (hypoxie)
==> ventilation (hyperventilation)
==> capture O2
==> PO2 mais aussi élimination CO2
==> PCO2 (hypocapnie)
==> pH
==> hypoventilation
Autres facteurs de contrôle
- 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.
Bilan