CM1 et CM2
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Physiologie CM1 Le système respiratoire Pour effectuer les réactions métaboliques qui libèrent l’énergie des molécules de nutriments et produire l’ATP (adénosine triphosphate), les cellules doivent constamment utiliser de l’oxygène. Les activités libèrent aussi du gaz carbonique (CO2), ce sont les systèmes cardiovasculaire et respiratoire qui assurent l’absorption de l’oxygène et le rejet du gaz carbonique. Les systèmes cardiovasculaire et respiratoire participent de façon égale à la respiration. Le système respiratoire permet l’échange des gaz, l’absorption de l’O2 et le rejet du CO2. Le système cardiovasculaire transporte les gaz entre les poumons et les cellules par l’intermédiaire du sang. En plus d’assurer les échanges gazeux, le système respiratoire contient également des récepteurs à l’olfaction, filtre l’air inspirée, produit des sons et aide à éliminer les déchets. On appelle respiration, l’échange de gaz entre l’atmosphère, le sang et les cellules. La respiration comporte 4 processus distincts : La respiration pulmonaire (inspiration/expiration) de l’air entre les poumons et l’atmosphère La respiration pulmonaire externe ou diffusion alvéolocapillaire. C4est l’échange de gaz entre les poumons et le sang Le transport de l’O2/CO2 par le sang La respiration interne ou respiration cellulaire qui correspond à l’échange de gaz entre le sang et les cellules. I. Anatomie du système respiratoire Le système respiratoire comprend : - le nez - le pharynx - le larynx - la trachée - les bronches - les poumons (voir figure 1 du poly) Les voies respiratoires supérieurs comprenant le nez et le pharynx Les voies respiratoires inférieurs comprenant le larynx, la trachée, les bronches, et les poumons. Sur le plan fonctionnel, le système respiratoire se divise en 3 zones : la zone conductrice : système de cavité et de tubes reliés qui conduisent l’air dans les poumons et qui comprend le nez, le pharynx, le pharynx, la trachée les bronches, les bronchides. L’air ne fait que transiter. Physiologie La zone respiratoire constituée des parties du système respiratoire ou s’effectuent les échanges gazeux c'est-à-dire les bronchides respiratoires, les canaux alvéolaires, et les alvéoles 1) Le nez Les structures internes du nez ont 3 fonctions spécialisées : - Elles réchauffent, humidifient, et filtrent l’air qui pénètre dans le nez - Il reçoit des stimulis olfactifs - Il procure des caisses de résonances qui modifient le timbre de la voix 2) Le pharynx (ou la gorge) Conduit en forme d’entonnoir. Il sert de conduit permettant le passage de l’air et de la nourriture et constitue une caisse de résonance pour la phonation. 3) Le larynx C’est un court passage reliant la pharynx à la trachée. Situé dans la partie médiane du cou, en avant des vertèbres cervicales C4, C5, C6 . Il renferme les cordes vocales qui sous l’action de l’air vibrent et produisent des ondes sonores dans la colonne d’air du pharynx, du nez, et de la bouche. Plus la pression de l’air est forte, et plus le son est intense. 4) La trachée Voie respiratoire tubulaire mesurant environ 12cm de long. Située devant l’œsophage et s’entend du larynx à la 5ème vertèbre thoracique ou elle se divise en une bronche souche droite et une bronche souche gauche. 5) Les bronches La trachée se divise à l’angle sternal en une bronche souche droite qui se dirige vers le poumon droit et une bronche souche gauche qui se dirige vers le poumon gauche. A l’endroit où la bronche souche pénètre dans le poumon, elle se divise pour former des bronches plus petites, appelées bronches lobaires ou bronches secondaires. Il en existe une pour chaque lobe pulmonaire. Le poumon droit ayant 3 lobes et le poumon gauche en ayant 2. Les bronches lobaires se ramifient ensuite et forment les bronches segmentaires ou tertiaires qui se divisent ensuite en bronchides. Les bronchides se ramifient ensuite pour former les bronchides terminales. Ce réseau de ramification issue de la trachée est appelé arbre bronchique. 6) Les poumons Ce sont des organes pairs situés dans la cavité thoracique. Ils sont séparés l’un de l’autre par le cœur. 2 feuillets de membrane séreuse, collectivement appelés membrane pleurale entoure et protège chaque poumon. Le feuillet externe appelé plèvre pariétale est attaché à la paroi de la cavité thoracique. Le feuillet interne appelé plèvre viscérale recouvre les poumons. Entre les plèvres viscérales et pariétales, il existe un petit espace appelé cavité pleurale qui contient un liquide lubrifiant sécrété par les plèvres. Il empêche les frictions entre les deux plèvres et leur permet de glisser l’une sur l’autre lors de la respiration. Chaque poumon est divisé en lobe et chaque lobe est doté de sa propre bronche lobaire. La bronche souche droite donne naissance à 3 bronches lobaires et la bronche souche gauche, à 2 bronches lobaires. Physiologie Chaque segment broncho-pulmonaire des poumons est divisé en un grand nombre de lobules. Un segment broncho-pulmonaire est un segment de tissu pulmonaire alimenté par une bronche segmentaire. Chaque lobule est entourée de tissu conjonctif élastique et contient un vaisseau lymphatique, une artériole, une veinule, et une branche d’une bronchiole terminale. Les bronchioles terminales se divisent en branches microscopiques appelées bronchides respiratoires. Les bronchides terminales se ramifient en canaux alvéolaires. On compte de 2 à 12 canaux par bronche. De nombreuses alvéoles et sacs alvéolaires sont disposés autour de la circonférence des canaux alvéolaires. Les sacs alvéolaires sont constitués de 2 à plusieurs alvéoles qui partagent une même ouverture. Les échanges gazeux entre les poumons et le sang s’effectuent par la diffusion à travers les parois des alvéoles et des capillaires. L’ensemble des couches à travers lesquels diffusent les gaz respiratoires constituent la membrane alvéo-capillaire. Cette membrane comprend : Une couche de pneumocytes de types I et II accompagnée de macrophages alvéolaires libres qui constituent la parois des alvéoles (pneumocytes + macrophages) Une membrane basale épithélial située sous la parois alvéolaire. Un »e membrane basale capillaire qui est souvent fusionnée à la membrane basale épithéliale. Les cellules endothéliales du capillaire. La minceur de la membrane alvéolocapillaire permet une diffusion rapide des gaz respiratoires on estime que les poumons contiennent 30 millions d’alvéoles fournissant ainsi une surface d’échange d’environ 70m2. II. physiologie de la respiration Nous allons décrire les 4 processus impliqués dans la respiration, à savoir la respiration pulmonaire, la diffusion alvéolocapillaire, le transport de l’O2 et du CO2, les échanges gazeux tissulaires a. La ventilation pulmonaire C’est le processus par lequel l’air entre et sort des poumons. L’air est aspiré du nez ou de la bouche vers les poumons en fonction des besoins. La respiration nasale à certains avantages sur la respiration buccale : par la respiration nasale, l’air est réchauffée et humidifiée lorsqu’il passe au travers des cavités nasales, l’air tourbillonne dans les cavités nasales entraînant l’adhérence des poussières à la muqueuse nasale pour être ensuite éjectée et éviter les risque d’irritation et d’infections respiratoires. Du nez et de la bouche, l’air traverse ensuite le pharynx, le larynx, la trachée, les bronches, et les bronchioles avant d’atteindre les unités fondamentales du système respiratoire. Physiologie L’inspiration C’est un phénomène actif qui fait intervenir le diaphragme et les muscles intercostaux externes. Lors de l’inspiration, les cotes et le sternum se déplace sous l’action des muscles intercostaux externes. Les cotes se soulèvent vers le dehors et le sternum vers l’avant, en même temps, le diaphragme se contracte et s’abaisse poussant le contenu de la cavité abdominale vers le bas. Ces actions augmentent le volume pulmonaire, il en résulte une baisse de pression de l’air à l’intérieur des poumons. La pression intra pulmonaire devient alors inférieure à celle de l’air ambiant qui se précipite alors à l’intérieur des poumons pour réduire cette différence de pression. Lors d’une respiration forcée, l’inspiration est réalisée grâce à l’intervention d’autres muscles (muscles scalènes, sterno-déido-mastoïdiens, pectoraux). Leur contraction permettent une élévation plus importante des cotes que lors d’une respiration normale. Au repos les pressions requises pour la respiration sont très faible. A pression atmosphérique standard (760mmHg), l’inspiration s’accompagne d’une chute de la pression intra pulmonaire de 3mmHgn environ. Lors d’un exercice intense, la pressionpeut descendre de 80 à 100mmHg. CM2 L’expiration Au repos l’expiration est un procédé passif résultant de la relaxation des muscles inspiratoires et tu retour élastique du tissu pulmonaire. En se relâchant, le diaphragme retourne à sa position normale. Les muscles intercostaux externes se relâchent aussi, ramenant les côtes et le sternum à leur position initiale. Le tissu pulmonaire reprend alors sa position initiale, ce qui élève la pression intra pulmonaire et oblige l’expiration. L’expiration forcée est active, les muscles inter-costaux internes se contractent pour chasser l’air des poumons en abaissant les côtes. Les muscles grands dorsaux et les carrés des lombes peuvent aussi intervenir. La contraction des muscles abdominaux augmente aussi la pression intra-abdominale ce qui pousse les viscères contre le diaphragme et accélère sa remontée. Les variations des pressions intra-abdominales et intra-thoraciques facilitent la respiration forcée mais mais accélère le retour veineux b. La diffusion alvéolo-capillaire C’est les échanges de gaz entre les poumons (au niveau des alvéoles) et le sang (au niveau des capillaires pulonaires). Elle permet : - De restaurer la concentration en O2 du sang artériel. - D’éliminer le CO2 du sang veineux. Lors de la ventilation, l’air entre dans les poumons et peut servir aux échanges avec le sang. Le sang provenant des différents organes retourne au cœur droit par les veines caves supérieur ou inférieur, puis gagne les poumons par les artères et les capillaires pulmonaires. Les capillaires forment un réseau très dense tout autour des alvéoles. A ce niveau les globules rouges circulent les plus souvent un par un, ce qui augmente leur temps de contact avec le tissu pulmonaire et améliore l’efficacité des échanges. La membrane ou barrière alvéolocapillaire Les échanges gazeux entre l’air de l’alvéole pulmonaire et le sang se font à travers elle. La membrane se compose de la paroi alvéolaire, de la paroi capillaire et des membranes Physiologie basales. Elle est très fine, de 0,5 a 4 micromètre d’épaisseur. L’air et le sang sont donc en contact étroit sur une vaste surface qui favorise les échanges. Les pressions partielles des gaz L’ai que nous inspirons est un mélange de gaz, selon Dalton, la pression totale d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions partielles exercées par chacun des gaz du mélange. On appelle pression partielle, la pression exercée par chacun d’entre eux en fonction de leur concentration. Composition de l’air : N2 79,04%, O2 20,93%, CO2 0.03% Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 760mmHg, c’est la pression de référence. Les gaz peuvent se dissoudre dans les milieux liquides de l’organisme comme le plasma. Selon la loi de Henry, la dissolution d’un gaz dans un liquide est fonction de sa pression partielle, de sa solubilité dans le liquide considéré et de sa température. Le coefficient de solubilité d’un gaz dans le sang est constant ainsi que la température du sang. Le facteur essentiel des échanges pour chaque gaz entre l’alvéole et le sang est donc le gradient de pression partiel de ce gaz entre les deux milieux. Les échanges alvéolocapillaires en O2 et en CO2 Pour chaque gaz la différence de pression partielle entre l’alvéole et le capillaire engendre un gradient de pression à travers la barrière alvéolocapillaire. Ce gradient va régler les échanges entre les poumons et le sang, si les pressions partielles étaient égales de chaque coté de la membrane alvéolocapillaire, le gaz serait en équilibre et il n’y aurait aucun échange. ECHANGE EN O2 : dans les alvéoles ou l’air inspiré se mélange avec l’air alvéolaire contenant de la vapeur d’air et du CO2, la pression partielle de l’O2 chute de 159mmHg à 100mmHg. La ventilation pulmonaire assure le mélange air ambiant/ air alvéolaire, et l’aspiration de l’air alvéolaire. Le sang qui arrive dans les capillaires pulmonaire est pauvre en O2, la pression partielle de l’O2 et de 40 à 45mmHg. La différence de pression entre les alvéoles et les capillaires est de 55 à 65mmHg. Ce gradient est favorable à la diffusion de l’O2 du milieu alvéolaire vers le milieu capillaire. C’est donc un sang enrichi qui quitte les poumons pour rejoindre la circulation systémique. La vitesse de diffusion de l’O2 de l’alvéole vers les sang est appelé capacité de diffusion de l’O2. Ex : Au repos pour chaque différence de pression de 1mmHg, environ 23ml d’O2 sont diffusés dans la circulation sanguine en 1min. ECHANGE EN CO2 : Comme pour l’O2, les échanges en CO2 se font en fonction du gradient de pression. Le sang qui perfuse l’alvéole à une pression partielle de CO2 (PCO2) initiale d’environ 45mmHg. Dans l’alvéole, la pression la PCO2 se situe environ à 40 40mmHg. Le gradient de pression entre le capillaire et l’alvéole est faible mais suffisant car la solubilité membranaire du CO2 est supérieure à celle de l’O2. Le CO2 diffuse donc beaucoup plus rapidement à travers la barrière alvéolocapillaire. c. Le transport de l’O2 Cela concerne le transport des gaz par le sang et les échanges avec les tissus. L’O2 est transporté par le sang sous 2 formes : - Sous forme liée, c'est-à-dire combinée à l’hémoglobine (Hb) et aux globules rouges. Physiologie Sous forme dissoute dans le plasma. 1 litre de plasma contient 3ml d’O2. Le volume plasmatique total qui varie entre 3 et 5 litres selon les sujets renferme seulement 9 à 15 ml d’O2 sous forme dissoute, ce qui est insuffisant car l’organisme au repos en exige environ 250 ml d’O2 par minute. Le sang transporte sous forme liée 70 fois plus d’O2 grâce à l’Hb et aux globules rouges. - Chaque molécule d’Hb peut transporter 4 molécules d’O2. On appelle oxyhémoglobine le complexe formé lorsque l’O2 se fixe sur l’Hb. Par opposition l’Hb libre (sans O2 lié) est dit désoxyhémoglobine. La fixation de l’O2 dépend de la PO2 dans le sang et de l’affinité de l’Hb pour l’O2. Une PO2 élevée entraîne une saturation complète de l’Hb alors que pour de faible PO2, l’Hb est loin d’être saturée. Quels facteurs peuvent influencer la saturation de l’Hb, par exemple si l’acidité du sang augmente , l’affinité de l’Hb pour l’O2 et plus faible pour une même PO2. Cet effet du Ph est appelé effet Bohr. Au niveau des poumons, le Ph est généralement élevé ce qui favorise la fixation de l’O2 sur l’Hb. Au niveau des tissus le Ph est nettement plus faible et facilite la dissociation de l’oxyHb et donc la fourniture en O2 au tissu. La température du sang affecte aussi la courbe de dissociation de l’oxyHb. Toute augmentation de la température du sang augmente l’efficacité de la livraison de l’O2 au tissu. A l’inverse au niveau des poumons, l’inhalation d’air refroidi le sang pulmonaire ce qui accentue l’affinité de l’O2 pour l’Hb et donc sa fixation La capacité de transport de l’O2 par le sang correspond a la quantité maximale d’O2 que le sang peut transporter. Cette capacité est fonction de la concentration en Hb. Cette concentration est d’environ 14 à 18g d’Hb par 100ml de sang chez l’homme est 12 à 16 chez la femme. Chaque g d’Hb peut se combiner avec 1.34 ml d’O2. La capacité maximale de transport d’O2 par le sang est donc de 16 à 14ml pour 100ml de sang (totalement saturé en O2). Lors de son passage au niveau des poumons, le sang est en contact avec l’air alvéolaire durant environ 0.75sec, ce temps est suffisant pour que l’Hb fixe l’O2 avec une saturation de 98%. d. Le transport de l’O2 Le CO2 est le produit du métabolisme cellulaire. Il est transporté dans le sang soit sous forme dissoute soit sous forme d’ion bicarbonate soit fixé à l’Hb 7 à 10% du CO2 libéré par les tissus est dissous dans le plasma. Au niveau des poumons, le CO2 dissous diffuse des capillaires vers les alvéoles. Le CO2 est donc rejeté dans l’air expirer. Dans le sang, la majorité du CO2 (60 à 70%) est transporté sous d’ion bicarbonate. Dans ce milieu, le CO2 et l’eau peuvent se combiner pour donner l’acide carbonique (H2CO3). Cet acide est instable et se dissocie rapidement en ion hydrogène et en ion bicarbonate. CO2+H2O => H2CO3 => H+ + HCO2Les ions H+ se lient ensuite à l’Hb déclanchant l’effet Bohr. La formation d’ion bicarbonate favorise donc la fourniture d’O2. Simultanément l’Hb joue le rôle de tampon liant et neutralisant les ions H+ en péchant dans l’acidification du sang. Lorsque le sang arrive dans les poumons ou la PCO2 est basse, les ions H+ et bicarbonate se lient à nouveau pour former l’acide carbonique qui se dissocie en CO2 et H2O. Le CO2 ainsi formé peut entrer dans l’alvéole et être exhalé. Physiologie Le transport de l’O2 se fait aussi par liaison de ce gaz avec l’Hb. Le complexe formé est appelé carbamino-Hb car le CO2 ne se lie pas à l’hème mais aux acides aminés de la globine. La fixation du CO2 dépend du degrés d’oxygénation de l’Hb et de la PCO2. La désoxyHb se lie plus facilement au CO2 qu’a l’oxyHb et le CO2 est relâché par l’Hb lorsque le PCO2 est faible. Au niveau des poumons ou la PCO2 est basse, le CO2 est rapidement libéré par l’Hb ce qui lui permet de passer dans l’alvéole pour être rejeté. e. Les échanges gazeux tissulaires Les échanges entre le tissus et le sang cappilaire constituent la derniere étape de la respiration. La différence entre les concentrations du sang artériel et veineux est dit différence artério-veineuse en O2. Au repos la concentration en O2 du sang artériel est d’environ 20 ml pour 100ml de sang et celle du sang veineux d’environ 15ml d’O2 pour 100ml de sang. La différence est donc d’environ 4 à 5 ml d’O2 prélevé et utilisé par les tissus. La quantité totale d’O2 prélevé est directement fonction de l’intensité du métabolisme oxydatif. 3 facteurs influent : - la concentration sanguine en O2 - le débit sanguin - les conditions locales ( augmentation de la température locale quand il y a contraction musculaire…) Lors de l’activation du métabolisme oxydatif cellulaire (ou musculaire) le gradient de pression partielle entre les tissus et les capillaires est favorable à la diffusion du dioxyde de carbone vers le secteur sanguin qui transporte ce gaz jusqu’aux poumons.
