Anatomie et physiologie de l’appareil respiratoire Chapitre 2 L’appareil respiratoire est constitué par les voies respiratoires et les poumons. I) Anatomie On distingue les voies respiratoires : - Supérieures : fosses nasales, cavité buccale et pharynx. - Inférieures : larynx, trachée et bronches. 1) Les voies respiratoires Les voies respiratoires supérieures a) Les fosses nasales Cf chapitre 1, de Mme LECOMTE. Page 1 sur 14 b) Le pharynx Situation : Il mesure 13 cm, s’étend de la base du crâne jusqu’à la vertèbre cervicale (C6). Constitution : Il est constitué de 3 étages : - Le naso-pharynx (= rhino-pharynx), limité en haut par l’os sphénoïde, s’étend jusqu’au voile du palais. Dans la partie supérieure et postérieure de la paroi, la muqueuse renforce les amygdales pharyngiennes (= végétations adénoïdes). - Le bucco-pharynx (= oro-pharynx) commence au voile du palais et se termine à l’épiglotte (C3). Il communique à l’arrière de la cavité buccale par le gosier. Sur la face latérale du gosier, on distingue l’amygdale palatine, et à la base de la langue, il y a l’amygdale linguale. - Le laryngo-pharynx commence au niveau de l’épiglotte et se termine au niveau du larynx, là où les voies digestives et aériennes se séparent. Rôle : Il assure le passage de l’air et des aliments. c) Le larynx Cf cours d’OSOD. d) La trachée Situation : Elle est située dans le médiastin, en avant de l’œsophage ; la 1ère moitié est située au niveau du cou, l’autre moitié au niveau du thorax. Elle se termine au niveau de la vertèbre D5 où elle bifurque pour donner les 2 bronches. Constitution : La trachée est constituée d’anneaux incomplets, ouverts vers la partie postérieure qui permettent à l’œsophage de se dilater pendant la déglutition. Les cellules à mucus se chargent des poussières qui seront éliminés grâce aux cellules ciliées. Rôle : Le rôle des cellules ciliées est d’humidifier, de réchauffer et de purifier l’air. e) L’arbre bronchique On distingue 2 structures. La zone de conduction : Au niveau de D5, chaque bronche pénètre dans un poumon. La bronche droite est plus courte, Page 2 sur 14 plus large, plus verticale que la gauche (c’est celle qui s’obstrue le plus facilement). Chaque bronche se divise ensuite à l’intérieur des poumons pour donner des bronches lobaires. Elles se divisent pour donner des bronches tertiaires ou segmentaires qui donnent ensuite des bronchioles qui donnent à leur tour des bronchioles terminales. Au fur et à mesure que les bronches se ramifient, la structure des parois se modifie : les anneaux cartilagineux disparaissent ainsi que les cils et les cellules à mucus. Les cellules musculaires lisses deviennent plus nombreuses. La zone de respiration : Elle commence à l’endroit où les bronchioles terminales se jettent dans les bronchioles respiratoires à l’origine des alvéoles pulmonaires. f) Structure des alvéoles Un lobule pulmonaire La paroi des alvéoles est très fine. Elle est constituée de plusieurs sortes de cellules qui sont Page 3 sur 14 situées du côté interne. Il y a : - Des pneumocytes I. - Des pneumocytes II. - Des macrophages (= cellules qui nettoient la poussière). Les pneumocytes II sécrètent le surfactant qui tapisse l’intérieur des alvéoles. Le surfactant a pour rôle d’empêcher le collapsus alvéolaire. Il est donc indispensable à l’efficacité des échanges gazeux. Il empêche l’affaissement des alvéoles après l’expiration. Le surfactant est synthétisé dès les 2 derniers mois de la grossesse. Du côté externe de l’alvéole, il y a les capillaires sanguins. NB : le sang circule dans les capillaires (il est séparé de l’air par la paroi des alvéoles, la paroi alvéolo-capillaire). La surface alvéolaire est très grande, ce qui facilite les échanges gazeux. Il y a 600 millions d’alvéoles dans les poumons. Le lobule pulmonaire 2) Les poumons Situation : Ils occupent la partie thoracique laissée libre par le médiastin. La partie supérieure est située en arrière des clavicules. La base est concave et s’appuie sur le diaphragme. Le côté costal est convexe et s’appuie contre les côtes. La face interne présente une racine qui rattache les poumons au médiastin. La racine renferme des vaisseaux et des bronches. Page 4 sur 14 Constitution : La face interne de chaque poumon est creusée d’une dépression constituant le hile, et qui donne accès aux vaisseaux sanguins et lymphatiques, aux nerfs et aux bronches. Le poumon droit présente 3 lobes et le gauche 2 lobes (un peu plus petit). Chaque lobule est divisé en petites unités appelées lobules. Entre les lobules, on trouve du tissu conjonctif (noirci par la fumée de cigarettes). A l’intérieur des lobules, on trouve de nombreux saccules alvéolaires qui sont remplis d’air. Les poumons sont des organes mous et élastiques. Vascularisation sanguine : On distingue 2 circulations : - La circulation pulmonaire : l’artère pulmonaire, qui se ramifie en artérioles et en capillaires riches en CO2 (bleu), va aux poumons. Le sang quitte ensuite les poumons par les veines pulmonaires riches en O2. - La circulation bronchique : les artères bronchiques issues de l’aorte transportent le sang oxygéné et entrent dans les poumons au niveau des hiles. Elles circulent parallèlement aux ramifications bronchiques. Vascularisation lymphatique : Le thorax possède une circulation lymphatique très riche qui peut expliquer la fréquence des métastases pulmonaires qui se forment au cours d’un cancer périphérique. Innervation : Les centres respiratoires sont situés dans le bulbe rachidien (= relais entre l’encéphale et la moelle épinière). Ils sont constitués de 2 zones principales : - Le groupe respiratoire dorsal, responsable de l’inspiration. - Le groupe respiratoire ventral, responsable de l’expiration. Quand une zone fonctionne, l’autre est inhibée. Les poumons sont innervés par des fibres motrices parasympathiques (les nerfs crâniens du nerf pneumogastrique) et des fibres sympathiques. Ces fibres nerveuses pénètrent dans les poumons au niveau des racines ; c’est le plexus pulmonaire. Ces fibres commandent la sécrétion bronchique et l’action des muscles lisses des bronches. Les nerfs phréniques commandent le diaphragme (chaque nerf commande un hémicorps). Tous ces nerfs proviennent des racines nerveuses issues de C3 à C5 (une section à ce niveau entraîne une mort par arrêt de la respiration). 3) La plèvre Page 5 sur 14 Situation : La plèvre divise le thorax en 3 parties : - Le médiastin au centre. - Les 2 cavités pleurales. Constitution : La plèvre est constituée de 2 feuillets (= 2 séreuses très fines) qui forment la cavité pleurale gauche et droite : - Le feuillet pariétal tapisse la paroi thoracique et la face supérieure du diaphragme. - Le feuillet viscéral est situé entre le poumon et le cœur ; il enveloppe la racine (= le hile) et se colle aux poumons pour former le feuillet interne. Les feuillets sécrètent le liquide pleural lubrifiant qui empêche la friction des poumons contre la cage thoracique (lors de l’inspiration). Pleurésie humide : excès de liquide pleural. Pleurésie sèche : déficit de liquide pleural. Rôle : La plèvre joue un rôle de protection contre les chocs, les traumatismes et contre l’invasion microbienne. Elle jour également un rôle de transmission des mouvements de la cage thoracique aux poumons. II) Physiologie La respiration, ou ventilation pulmonaire, assure le renouvellement de l’air grâce à l’inspiration et à l’expiration. Une inspiration et une expiration forment un cycle respiratoire. 1) Généralités La respiration est liée à des phénomènes mécaniques qui entraînent les échanges gazeux. Ces échanges gazeux sont liés à des lois physiques concernant la pression des gaz. Les pressions respiratoires sont toujours exprimées par rapport à la pression atmosphérique. Pression atmosphérique : pression de l’air (égale à 760 mmHg au niveau de la mer). La pression respiratoire est dite nulle lorsqu’elle est égale à la pression atmosphérique. Page 6 sur 14 La pression respiratoire est dite négative lorsqu’elle est inférieure à la pression atmosphérique. La pression respiratoire est dite positive lorsqu’elle est supérieure à la pression atmosphérique. Les variations de volume de la cage thoracique (au cours des mouvements respiratoires) entraînent des variations de pression, qui provoquent l’écoulement des gaz. Les gaz se déplacent pour égaliser la pression. Dans la cage thoracique, il existe des variations de pression qui varient en fonction des mouvements : - La pression intra-alvéolaire (ou pression pulmonaire) varie mais revient toujours à la pression atmosphérique. - La pression intra-pleurale varie au cours de la respiration, mais doit toujours rester négative (~ 4 mmHg) à la pression pulmonaire. Tout état qui entraîne une égalité entre la pression intra-pleurale et la pression intra-pulmonaire provoque un affaissement des poumons (c’est ce qui produit notamment lors des pneumothorax (= entrée d’air dans les cavités pleurales) ou des hématothorax). Atélectasie : affaissement des alvéoles pulmonaires qui rend les poumons inaptes à la respiration et qui perturbe les échanges gazeux. La respiration est liée à des phénomènes mécaniques et chimiques. 2) Les phénomènes mécaniques Ils sont liés aux mouvements respiratoires et à la quantité d’air mise en jeu durant ces mouvements. a) Les mouvements respiratoires 1. La respiration normale L’inspiration : La fréquence respiratoire correspond au nombre de cycles par minutes. Chez l’adulte, la fréquence respiratoire est de 12 à 18 cycles par minute. La fréquence respiratoire augmente à l’effort, avec la température, chez le nouveau-né et chez la personne âgée. Elle diminue pendant le sommeil. L’inspiration normale est un phénomène actif, puisque de nombreux muscles interviennent (muscles élévateurs des côtes, muscles intercostaux externes, diaphragme). La cage thoracique devient plus haute (par abaissement du diaphragme) ; plus large et plus profonde. Donc la pression intra-pulmonaire diminue. L’expiration : L’expiration normale est un phénomène passif du à l’élasticité naturelle des poumons. Page 7 sur 14 Les muscles se relâchent et le diaphragme remonte. 2. La respiration forcée L’inspiration : C’est également un phénomène actif, qui fait intervenir d’autres muscles en plus. Le diaphragme s’abaisse d’avantage. L’expiration : C’est un phénomène passif qui fait intervenir les muscles intercostaux internes. La respiration Page 8 sur 14 b) La quantité d’air mise en jeu lors des mouvements respiratoires Cette quantité d’air est étudiée et déterminée grâce à un spiromètre permettant d’établir un spirogramme. Ce spirogramme permet, entre autre, de suivre l’évolution des maladies respiratoires. Il permet également de déterminer VC, VRI, VRE, VR, CPT et CV. Espace mort : partie de l’air qui remplit les conduits mais qui ne participe pas aux échanges gazeux dans les alvéoles (~ 150 mL). c) Les facteurs influençant les différents mouvements respiratoires La respiration est liée au travail musculaire ; les muscles consommant de l’énergie, toute perturbation dans le fonctionnement de la cage thoracique entraînera une dépense d’énergie supplémentaire. 1. La résistance des conduits aériens L’écoulement d’un gaz est inversement proportionnel à sa résistance : l’écoulement diminue si la résistance augmente ou si une bronchoconstriction se produit. Il existe différentes sources de résistance : - Les substances irritantes (tabac, allergènes). - L’asthme. - L’obstruction. 2. La compliance pulmonaire Normalement élevée, c’est la capacité de distension des poumons. Elle dépend de différents facteurs : - L’élasticité des poumons (normalement élevée). - La flexibilité de la cage thoracique (normalement élevée aussi). La compliance pulmonaire diminue en cas de fibrose, de malformation, de paralysie des muscles respiratoires ou chez les personnes âgées. 3. Le surfactant Il est nécessaire au bon fonctionnement des échanges alvéolaires et pour maintenir la compliance élevée. 4. La barrière alvéolo-capillaire Elle doit rester fine (1 µm). Son épaississement entraîne des troubles des échanges. 3) Les phénomènes chimiques Ils sont liés aux échanges gazeux et au transport des gaz respiratoires. a) Les échanges gazeux Page 9 sur 14 Ils sont liés à un transport passif (= pas de dépense énergétique) selon un gradient de pression : les gaz se déplacent des hautes pressions vers les basses pressions. Dans l’air atmosphérique, il existe un mélange de gaz : - 79% de N (azote). - 21% d’O2 (dioxygène). - 0,05% de CO2 (dioxyde de carbone). - Des traces de He (hélium) et d’Ar (argon). Seuls l’O2 et le CO2 interviennent dans la respiration. Chaque gaz exerce une pression partielle (mmHg ou kPa) proportionnelle à sa concentration. Les échanges gazeux ont lieu au niveau des poumons et au niveau des cellules des organes. 1. Au niveau des poumons On parle de respiration externe. L’O2 et le CO2 passent à travers la membran,e alvéolo-capillaire et la diffusion dépend de 3 facteurs : - La pression partielle de chaque gaz et sa solubilité : CO2 O2 O2 et CO2 diffusent en quantité égale, car CO2 est beaucoup plus soluble dans l’eau. Sang hématosé : sang riche en O2 et pauvre en CO2. - La concordance entre perfusion (= circulation) et ventilation (= respiration) : Cas n°1 Hypoventilation et perfusion excessive Cas n°2 Hyperventilation et perfusion insuffisante La pression en O2 diminue, la pression en CO2 augmente, et trop de sang arrive aux organes. ▼ Vasoconstriction (pour diminuer le calibre des vaisseaux) Bronchodilatation (pour augmenter le calibre des bronches) La pression en O2 augmente, la pression en CO2 diminue, et pas assez de sang arrive aux organes. ▼ Vasodilatation Bronchostriction Page 10 sur 14 PO2 contrôle le calibre des vaisseaux. PCO2 contrôle le calibre des bronches. Pour que des échanges corrects se fassent, le système doit rester synchrone. - Les caractéristiques de la barrière alvéolo-capillaire : Normalement, la barrière mesure 1 µm d’épaisseur. En cas d’épaississement, les échanges gazeux se font moins bien. En cas de rupture et d’agrandissement de la cavité alvéolaire, les échanges sont perturbés. 2. Au niveau des tissus 3. Conclusion Les échanges gazeux sont facilités par : - Le renouvellement permanent de l’air. - Le renouvellement permanent du sang. - La finesse des capillaires et des alvéoles. - L’étendue de la surface de contact (600 millions d’alvéoles sur 140-180 m²). b) Le transport des gaz respiratoires 1. L’O2 Dans le plasma : l’O2 est peu soluble dans l’eau : seulement 1,5% de l’O2 est transporté dissous dans le plasma. Page 11 sur 14 Dans l’hémoglobine : l’O2 se fixe sur l’hémoglobine (= hétéroprotéine) : La partie protéique, la globine, est composée de 4 chaînes d’acides aminés. La partie non protéique est composée de 4 hèmes (= pigments) qui contiennent 4 Fe2+ (= molécules de fer qui fixent l’O2 de manière réversible). Donc une molécule d’Hb peut fixer 4 molécules d’O2 ; on parle alors de saturation. Le transport de l’oxygène dans le sang L’HHb (= hémoglobine désoxydée) est de couleur rouge foncé. L’HbO2 (= oxyhémoglobine) est de couleur rouge vif. Au niveau alvéolaire, l’oxygène est plutôt bien retenu ; il se fixe à l’Hb à une saturation de 100%. Au niveau tissulaire, l’oxygène est moins bien retenu ; il se fixe à l’Hb à une saturation de 75%. La fixation de l’O2 en fonction de la PO2 La vitesse de fixation de l’oxygène est déterminée par : - La PO2 : la fixation n’est pas linéaire, car il existe une certaine compétition entre les différents sites de l'Hb (les différentes hèmes). - La PCO2 : plus la pression augmente, plus l’affinité de l’oxygène pour Hb diminue. - La température : plus la température augmente, plus l’affinité diminue. - Le pH : plus le pH diminue, plus l’affinité diminue. Page 12 sur 14 L’altération du transport : en cas de diminution des apports en oxygène aux tissus, on parle d’hypoxie (ventilatoire, circulatoire ou cytotoxique). 2. Le CO2 Dans le plasma : le CO2 est plus soluble que l’O2 : il se retrouve à 20% sous forme dissoute. Dans l’hémoglobine : le CO2 se combine aux chaînes peptidiques (= acides aminés) de l’hémoglobine ; il n’entre donc pas en compétition avec l’oxygène.. On en retrouve 20 à 30% sous cette forme. Le transport du dioxyde de carbone dans le sang Dans les sels minéraux : 65% du CO2 se fixe aux sels minéraux. Page 13 sur 14 Les échanges gazeux Page 14 sur 14