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