1 – Anatomie du système respiratoire
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Le système Respiratoire Introduction Comme nous l’avons vu au cours précédent, l’oxygène est un élément essentiel à la vie. Il est indispensable pour produire de l’énergie nécessaire à toute activité sportive. Il est donc primordial que les muscles soient bien alimentés en O2 pour fonctionner correctement, notamment dans les efforts prolongés. Toutefois, les dégradations métaboliques qui accompagnent son utilisation produisent du dioxyde de carbone qui s’avère toxique pour les cellules. L’apport de l’organisme en O2 et l’élimination du dioxyde est déterminé par le système respiratoire. C’est ensuite le système cardio vasculaire qui en assure le transport jusqu’aux organes et muscles. Comprendre le système qui permet l’oxygénation des muscles… Nous allons d’abord étudier l’anatomie de l’appareil respiratoire, puis les différentes étapes de la respiration et des échanges gazeux avant d’étudier la régulation de ces processus. Nous verrons ensuite comment les limites du système respiratoire déterminent les performances dans les sports à dominante bio-énergétiques. Rappel : L’anatomie est la description des organes et des muscles. La physiologie est l’étude de leur fonctionnement. Voici le sommaire du cours sur le système respiratoire… 1 – ANATOMIE DU SYSTEME RESPIRATOIRE 2 – LA VENTILATION PULMONAIRE 3 - LA DIFFUSION ALVEOLO-CAPILLAIRE 4 – LE TRANSPORT DE L’OXYGENE ET DU DIOXYDE DE CARBONE Et la suite…… 5 – LES MECANISMES DE REGULATION DE LA VENTILATION 6 – LA RESPIRATION ET LE METABOLISME ENERGETIQUE 7 – LES FACTEURS LIMITANTS DE LA PERFORMANCE AU NIVEAU RESPIRATOIRE Vidéos sur l’appareil respiratoire L’appareil respiratoire http://http://www.youtube.com/watch?v=SdCfaCUOdmI Le fonctionnement des poumons : http://www.youtube.com/watch?v=JtyH06hVOUM&NR= 1 Le trajet de l’air au travers des bronches : http://www.youtube.com/watch?v=Qtvajby5uNc&feature =related 1 – Anatomie du système respiratoire Le système respiratoire est composé de l’arbre respiratoirenommé ainsi car il représente un arbre à l’envers- et des poumons. L’arbre respiratoire est constitué : des voies aériennes supérieures (le nez et l’arrière-nez appelé le naso-pharynx, la bouche et l’arrière-bouche appelé oropharynx et le larynx qui est le carrefour situé entre la bouche et l’œsophage). de la trachée qui est un gros conduit constitué d’une vingtaine d’anneaux cartilagineux (le cartilage est un élément à la fois rigide et flexible). Elle permet le passage de l’air vers les poumons. Deux bronches principales desservent ensuite le poumon droit et le poumon gauche. Chacune des bronches se subdivise en arrivant au poumon en bronches lobaires puis segmentaires. Puis elles se subdivisent en bronches de plus en plus petites. Anatomie des poumons Les poumons sont constitués : des bronchioles sont fines comme des cheveux et se terminent par de minuscules sacs plein d’air appelées alvéoles pulmonaires. des alvéoles pulmonaires qui sont au nombre de 200 millions représente une surface de 100 à 200 m2 si elles étaient étalées. Lors de l’inspiration, ce sont ces petits sacs qui se gonflent puis qui se vident lors de l’expiration. Les alvéoles sont entourés sur leurs parois de vaisseaux sanguins très fins : les capillaires. C’est à travers de leur paroi que se font les échanges gazeux. L’O2 passe dans le sang. La plèvre Le poumon droit est constitué de trois lobes, le gauche de deux. La face interne du poumon gauche présente un emplacement où se loge le cœur. La plèvre est une mince membrane qui tapisse, à la fois, la paroi intérieure du thorax et le côté externe des poumons. Entre les deux feuillets de la plèvre, une infime quantité de liquide permet aux poumons de glisser doucement à l’intérieur de la cage thoracique. L’excès de liquide est appelé pleurésie. 2 – La ventilation pulmonaire : Les systèmes respiratoires et cardio-vasculaires assurent ensemble une fourniture efficace de l’oxygène à tout l’organisme. De plus, ils permettent le transport de l’O2 et du dioxyde de carbone. Ce transport implique au moins quatre processus distincts : La ventilation pulmonaire est le mouvement des gaz dans et hors des poumons. La diffusion alvéolo-capillaire qui est l’échange des gaz entre les poumons et le sang. Le transport de l’O2 et du dioxyde de carbone par le sang vers les cellules puis vers le cœur Le passage des gaz du secteur capillaire vers le secteur tissulaire CAD les échanges gazeux périphériques. La respiration pulmonaire Le premier de ces processus est aussi appelé respiration pulmonaire car il concerne les mouvements des gaz entre l’organisme et le milieu extérieur par l’intermédiaire des poumons et du sang. Une fois passés dans le sang, les gaz peuvent voyager à travers tout le corps vers les différents tissus et organes. Le quatrième temps de la respiration commence. Ces échanges gazeux entre le sang et les tissus sont appelés respiration cellulaire. C’est le système circulatoire qui assure la liaison entre la respiration pulmonaire et la respiration cellulaire. La ventilation pulmonaire La ventilation pulmonaire est le processus par lequel l’air entre et sort des poumons. L’air est aspiré par le nez et par la bouche vers les poumons. La respiration nasale présente l’avantage de réchauffer et d’humidifier l’air inspiré lors de son passage dans les cavités nasales. Le trajet de l’O2 dans l’arbre respiratoire Du nez et de la bouche, l’air traverse le pharynx, le larynx, la trachée, les bronches et les bronchioles, avant d’atteindre les alvéoles où s’effectuent les échanges gazeux. Les poumons sont protégés des côtes par la plèvre, ce qui réduit les frictions lors des mouvements respiratoires. L’inspiration L’inspiration est un phénomène actif faisant intervenir le diaphragme et les muscles intercostaux externes. Les côtes et le sternum se déplacent sous l’action des muscles intercostaux externes. Les côtes se soulèvent vers le dehors (comme une anse de seau, augmentant le diamètre latéral du thorax) et le sternum se soulèvent vers l’avant( comme le levier d’une pompe à eau en augmentant le diamètre antéro-postérieur du thorax). L’inspiration (suite) Dans le même temps, le diaphragme se contracte et s’abaisse, poussant le contenu de la cavité abdominale vers le bas (augmentation du diamètre vertical du thorax) . Lors d’un exercice épuisant demandant une expiration forcée, l’inspiration est réalisée grâce à la mobilisation d’autres muscles comme les scalènes, les sterno-cléido-mastoïdiens et les pectoraux. Leurs contractions permettent une élévation plus importante des côtes. L’expiration L’expiration est un procédé passif résultant de la relaxation des muscles inspiratoires et du retour élastique du tissu pulmonaire. Le relâchement des muscles inspiratoires permet une élévation intrapulmonaire et oblige à l’expiration. Au repos, la pression pulmonaire est égale à la pression atmosphérique. Lorsque les muscles inspiratoires se contractent, les poumons gonflent, ce qui se traduit par une pression pulmonaire inférieure à la pression atmosphérique. En conséquence, lors de l’inspiration, l’air pénètre dans les poumons pour équilibrer les pressions. A la fin de l’inspiration, le thorax est dilaté, avec une pression pulmonaire égale à la pression atmosphérique. Le relâchement des muscles inspiratoires baisse le volume thoracique et donc la pression pulmonaire devient supérieure à la pression atmosphérique. 3– La diffusion alvéolo-capillaire La diffusion alvéolo-capillaire correspond aux échanges de gaz entre les poumons et le sang. Elle concerne deux compartiments : les alvéoles et les capillaires pulmonaires. Elle permet : - de restaurer la concentration en oxygène du sang artériel. - d’éliminer le gaz carbonique du sang veineux. Les alvéoles Le sang provenant des différents organes retourne au cœur droit par les veines caves supérieure et inférieure puis gagne les poumons par les artères et les capillaires pulmonaires. Ces derniers forment un réseau très dense tout autour des alvéoles. Ce sont des vaisseaux de calibre minuscule, parfois du diamètre d’un globule rouge. A leur niveau, les globules rouges circulent le plus souvent un par un, ce qui augmente leur temps de contact avec le tissu pulmonaire et améliore l’efficacité des échanges. L’air et le sang pulmonaire sont donc en contact très étroit sur une vaste surface qui s’avère particulièrement favorable aux échanges. La circulation sanguine Le sang qui arrive dans les capillaires pulmonaires est appauvri en oxygène. Au fur à mesure de sa circulation, il se charge en oxygène avant de quitter les poumons et de regagner la circulation systémique. Au repos, la circulation sanguine à travers les poumons est assez lente et inefficace, notamment en raison de la pesanteur. La consommation d’O2 d’un sujet A l’exercice, la consommation d’un sujet normal peut atteindre 45 ml d’O2 par mn et par kilo de poids de corps et plus de 90 ml pour les sportifs de haut niveau spécialisé dans les sports d’endurance (cyclistes, skieurs de fond sont les meilleurs). L’accroissement du flux sanguin pulmonaire associé à l’élévation de la pression artérielle améliorent sensiblement la perfusion des poumons. Les athlètes entraînés dont les capacités aérobie sont très importantes ont des capacités de diffusion de l’oxygène plus élevés. C’est le résultat d’une augmentation du débit cardiaque, d’une augmentation de la surface d’échanges alvéolo-capillaire et d’une réduction des résistances à la diffusion. 4 – Le transport de l’oxygène et du dioxyde de carbone L’oxygène est transporté dans le sang sous deux formes : soit combiné à l’hémoglobine des globules rouges, soit sous forme dissoute dans le plasma ( pour environ 2 %). En conséquence, le sang transporte sous forme liée l’essentiel de l’O2 aux organes. La capacité de transport de l’O2 Chaque molécule d’hémoglobine peut transporter 4 molécules d’O2. La capacité de transport de l’O2 par le sang correspond à la quantité maximale d’O2 que le sang peut transporter. Le facteur primordial est la concentration en hémoglobine. Cette concentration est de 14 à 18 g d’hémoglobine pour 100 ml de sang chez l’homme et 12 à 16 g pour 100 ml chez la femme. Chaque gramme d’hémoglobine peut se combiner avec 1, 34 ml d’oxygène. La capacité maximale d’oxygène par le sang est donc de 16 à 24 ml d’O2 pour 100 ml de sang lorsque le sang est totalement saturé en O2. Le dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone est essentiellement transporté dans le sang sous forme d’ions bicarbonate, ce qui limite l’acidose en évitant la formation d’acide carbonique. Une petite partie est également transporté sous une forme dissoute par le plasma. Les facteurs influençant la fourniture et la consommation d’oxygène : La fourniture d’O2 et la consommation d’O2 dépend essentiellement de trois facteurs : - de la concentration sanguine en oxygène - du débit sanguin - des conditions locales (en milieu humide notamment comme en Guadeloupe). Dès le début d’un exercice, chacun de ces trois facteurs doit s’ajuster pour répondre à l’augmentation des besoins musculaires en O2. L’exercice entraîne une augmentation du débit sanguin musculaire. Plus les muscles actifs sont perfusés, mieux ils prélèvent l’oxygène,(d’où l’importance d’avoir un réseau de capillaires développées au niveau musculaire) ce qui est le cas lorsque le débit sanguin augmente. Enfin, plusieurs facteurs musculaires locaux peuvent intervenir, notamment lorsque la température du corps augmente et en cas d’acidose lactique. Dans ce contexte, ces facteurs facilitent la dissociation de l’oxyhémoglobine, cad la livraison de l’oxygène aux muscles actifs. L’élimination du dioxyde de carbone : L’activation du métabolisme oxydatif musculaire conduit à la production du dioxyde de carbone. Les échanges en dioxyde de carbone au niveau tissulaire répondent aux même lois que l’oxygène. Simplement, il quitte les muscles par les veines systémiques, passe dans le cœur puis est évacué via les artères pulmonaires par les capillaires pulmonaires, au niveau des poumons. 5 – Les mécanismes de régulation de la ventilation Les muscles respiratoires sont activés par des motoneurones eux-mêmes soumis au contrôle des centres respiratoires (inspiratoires et expiratoires) localisés au niveau du bulbe rachidien (encéphale). Ces centres définissent le rythme et l’amplitude de la respiration en envoyant régulièrement des ordres aux muscles respiratoires. Au repos, ces centres envoient un influx aux muscles inspirateurs via les nerfs de la respiration (nerfs phréniques) permettant une respiration à un rythme de 15 à 20 fois/mn. L’évaluation quantitative de la ventilation pulmonaire L’évaluation quantitative de la ventilation pulmonaire est le domaine de la spirométrie : elle se réalise au cours d’épreuves respiratoires à l’aide d’un appareil appelé spiromètre. ► Le volume courant est le volume échangé lors d’une respiration normale au repos : 0,5 litre. ► Le volume de réserve expiratoire est atteint en expiration forcée : 1,5 litre ► Le volume de réserve inspiratoire est atteint en inspiration forcée : 1,5 à 2 litres. ► Le volume total est de 3,5 à 4 litres et peut aller jusqu’à 8 litres chez les sportifs de haut niveau : c’est la capacité vitale. ► Le volume résiduel est le volume d’air que l’on peut rejeter lors d’une expiration forcée. La capacité vitale + le volume résiduel représentent la capacité pulmonaire totale. L’impact du taux de dioxyde sur les centres inspiratoires La respiration n’est pas uniquement sous contrôle nerveux. Les modifications chimiques, notamment les variations de concentration en dioxyde de carbone sont enregistrés par des récepteurs chimiques ( chémorécepteurs) qui donnent l’information aux centres inspiratoires. En conséquence, toute augmentation du taux de dioxyde de carbone ou de baisse du taux d’O2 dans le sang stimule les centres inspiratoires. Le rôle de la volonté sur la respiration Notre volonté permet d’agir sur la respiration. Néanmoins, dans des cas extrêmes comme les apnées prolongées, le contrôle volontaire peut être surpassé par le contrôle involontaire : le centre inspiratoire donne l’ordre d’inspirer et nous oblige à respirer contre notre volonté. Ces mécanismes sont essentiels car l’objectif de la respiration est non seulement de fournir à l’organisme l’oxygène dont il a besoin mais également de maintenir les concentrations en gaz et en pH sanguin (il est neutre à 7.0 : il est dit basique / Il y a acidose lorsqu’il est supérieur à 7 / Tant que le pH est inférieur à 50 % des possibilités max du sujet, il varie peu. La chute du pH sanguin est surtout dû à la mise en jeu du métabolisme anaérobie lactique. La ventilation à l’exercice A l’exercice, l’augmentation de la ventilation se fait en deux phases : une augmentation quasi-immédiate suivie d’une autre plus progressive. Au début de l’exercice, la ventilation augmente immédiatement en réponse à la stimulation des centres inspiratoires générée par l’activité musculaire elle-même. Ensuite, la ventilation augmente plus progressivement en réponse à l’augmentation de température et aux modifications chimiques dans le sang ( + de dioxyde de carbone, lactatémie en hausse). A l’arrêt de l’exercice, alors que la demande énergétique tombe rapidement à sa valeur de repos, la ventilation reste élevée. Cette situation induit que ce sont surtout les paramètres chimiques du sang et sa température qui régulent la baisse de la ventilation. 6 – La respiration et le métabolisme énergétique Nous allons étudier la relation entre la consommation d’oxygène et la respiration car elles sont étroitement liées. Lors d’un exercice progressivement croissant, la ventilation augmente proportionnellement à l’intensité de celui-ci. A un moment donné, la ventilation s’accroît de façon disproportionnée par rapport à la demande en O2. Le niveau où cette inflexion est constatée est appelée seuil ventilatoire. Il se situe entre 55 et 70 % du VO2 Max. On constate que ce seuil correspond à l’apparition des lactates, au seuil aérobie. Seuil lactique et seuil ventilatoire coincident donc. L’augmentation de la ventilation est destinée à éliminer le dioxyde de carbone en excès et à tamponner l’acidose. 7 – Les facteurs limitants de la performance au niveau respiratoire Comme toute activité tissulaire, la ventilation pulmonaire et le transport des gaz dans l’organisme nécessite de l’énergie. L’activité des muscles respiratoires peut mobiliser plus de 15 % de la consommation d’oxygène totale contre 2 % seulement au repos. Ce sont les muscles intercostaux, les muscles abdominaux et le diaphragme qui consomment l’O2 pour ventiler. Les muscles respiratoires sont bien moins fatigables que les muscles des membres. Il s’avère que la respiration ne peut constituer un facteur limitant chez les sujets de très haut niveau à consommation maximale d’oxygène exceptionnellement élevée ou chez les personnes souffrant d’affections respiratoires (asthmatiques par exemple dont l’asthme s’accompagne systématiquement d’une bronchoconstriction et d’une œdème de la muqueuse bronchique, ce qui entraîne des résistances accrues à l’écoulement de l’air). En revanche, chez les personnes ayant une faible activité sportive, la respiration ne constitue pas un facteur limitant de la performance. Pollution et respiration La pollution atmosphérique peuvent influer sur les performances sportives. Les agents polluants principaux sont le monoxyde de carbone, l’ozone et les oxydes de soufre. Lorsque la couche atmosphérique stagne audessus d’une ville, certains polluants atteignent des concentrations dangereuses. Danger du monoxyde de carbone Le monoxyde de carbone est un gaz inodore qui pénètre très rapidement dans le sang et qui peut s’avérer mortel. En effet, l’affinité de l’hémoglobine pour le monoxyde de carbone est 240 fois supérieure à celle pour l’O2. Dans le cas où un sportif inspire des quantité importantes de monoxyde de carbone (taux supérieur à 4,3 %), les exercices à VO2 Max sont altérés. Attention à l’ozone C’est l’ozone (O3), qui est l’ oxydant photochimique le plus courant. Il est responsable de nombreux troubles fonctionnels tels que irritation des yeux, oppression, essoufflement et nausées. Il affecte tout particulièrement les voies respiratoires, notamment une baisse de la fonction pulmonaire et de la ventilation. On note également une baisse des échanges alvéolaires, ce qui empêche les exercices aérobie à haute intensité. C’est la fin du cours…… Merci de votre attention!
