Virginie Stouff et Mathilde Yverneau 23/09/2010 Physiologie

Virginie Stouff et Mathilde Yverneau
23/09/2010
Physiologie, Appareil respiratoire, Physiologie de la respiration
Poly bientôt disponible sur le réseau pédagogique
Physiologie de la respiration
Introduction
Les cellules ont toutes besoin d’énergie. Pour fournir l’énergie, l’organisme utilise des réactions
d’oxydation :
R+ oxygène → énergie + eau + dioxyde de carbone
R représente un radical carboné.
Or, il n’y a pas de réserve d’énergie dans l’organisme : l’hémoglobine fixe l’oxygène mais en fournit pour
2 à 3 minutes de vie, d’où la nécessité d’un apport continu d’oxygène aux cellules. En même temps, il est
nécessaire d’éliminer continuellement le dioxyde de carbone de l’organisme.
Deux systèmes :
Le système respiratoire : aller-retours des gaz entre les poumons et l’extérieur
Le système circulatoire : l’oxygène et le CO2 circulent vers toutes les cellules
Le système respiratoire est une fonction vitale et complexe, car il ne peut s’arrêter plus de 3 minutes sans
lésions irréversibles (en particulier pour le SNC), et car ce système doit s’adapter, les besoins en oxygène
étant très variables dans le temps (plus de besoins pendant la digestion par exemple).
Schéma de la circulation sanguine
Artère : vaisseau qui part du cœur
Veine : vaisseau qui arrive au cœur
I. La mécanique ventilatoire
A- Le système ventilatoire
Il comprend la cage thoracique, les voies aériennes et les poumons.
1. La cage thoracique
La cage thoracique est une cavité close, présentant 12 paires de côtes (sternum en avant, colonne
vertébrale en arrière). Elle contient les poumons, l’œsophage, des muscles (dont le diaphragme). Il existe
une solidarité cage thoracique-poumons par la plèvre, qui est une membrane à 2 feuillets :
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-un feuillet interne (viscéral), qui suit la surface externe des poumons
-un feuillet externe (pariétal) qui suit la face interne de la cage.
Les deux feuillets sont accolés l’un à l’autre, ménageant un espace virtuel avec du liquide qui permet de
faire glisser les feuillets l’un par rapport à l’autre sans se désolidariser : le poumon suit alors les
mouvements de la cage thoracique.
1- Les voies aériennes
Il existe des voies aériennes supérieures (en dehors du thorax) et des voies aériennes intra-thoraciques.
a- Voies aériennes supérieures
Le premier élément rencontré est le nez. Son rôle est de conditionner l’air en température et en humidité.
Il existe un grand nombre de lacs sanguins pour le réchauffement de l’air. Ensuite, l’air s’humidifie
jusqu’aux alvéoles, où il doit être saturé en vapeur d’eau.
Le pharynx, lui, est riche de plus de 20 muscles. Il rigidifie les voies aériennes à l’inspiration (et
participe également au réchauffement de l’air). Il existe de grandes différences de pression entre
l’intérieur et l’extérieur, si la différence est trop importante, le tuyau se collabe. Ainsi, les muscles vont
rigidifier le pharynx pour résister au collapsus (la rigidification est moins importante en décubitus dorsal,
le collapsus est plus fréquent)
Le larynx est une zone de rétrécissement, il empêche les aliments de faire fausse route et freine la sortie
de l’air à l’expiration (évite le collapsus, en empêchant l’air de sortir trop vite).
La trachée conduit et conditionne l’air, en température et en humidité. Elle permet également de purifier
l’air.
b- Voies aériennes intrathoraciques
L’arbre bronchique est obtenu par dichotomie : la trachée se divise en 2 bronches (une dans chaque
poumon). La structure des bronches est la même de la première à la 12eme division : épithelium, avec des
cils du côté du conduit, du cartilage (rigidification), des glandes à mucus, du muscle lisse, assurant la
bronchomotricité, permettant de modifier le diamètre. Le muscle lisse dépend du SNV (essentiellement le
parasympathique bronchoconstricteur) et quelques filets d’orthosympathique (moins d’activité que le
parasympathique). Les bronches sont sensibles à l’adrénaline circulante (bronchoconstriction).
Jusqu’à la douzième, le diamètre est supérieur à 1 mm, puis pour les bronchioles et bronchioles
terminales, le diamètre est inférieur à 1 mm.
En ce qui concerne les bronchioles, elles possèdent un épithelium cubique, des cils, un peu de muscle
lisse. En revanche, elles ne possèdent ni cartilage ni glandes à mucus.
ème
A partir de la 17
division, il s’agit de bronchioles terminales.
ème
A partir de la 20 division, ce sont des conduits et sacs alvéolaires, ne possédant presque pas
d’épithelium, pas de muscle lisse et pas de cartilage. La membrane y est plus fine pour permettre le
passage plus facile des gaz.
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Remarque : dans le trajet allant du nez aux bronchioles terminales, il n’y a pas d’échanges gazeux. On
parle alors de zone de conduction de l’air, correspondant à l’espace mort anatomique VD. Pour un adulte,
il représente 150 mL d’air.
c- Rôles des voies aériennes
α- Conduction de l'air
Conduire l’air chargé d’oxygène de l’extérieur au fond des alvéoles, et conduire l’air chargé de CO2 du
fond des alvéoles à l’extérieur.
β- Réchauffement et humidification
Mettre l’air à 37°C, saturer l’air en vapeur d’eau. Cela se fait au contact du mucus qui tapisse la paroi
intérieure des bronches.
γ- Filtration et purification de l'air
Pour obtenir un air à peu près stérile au niveau des alvéoles, il existe un mécanisme d’enlèvement des
particules minérales, organiques, des bactéries de l’air.
Nez, poils
Les poils sont très nombreux, ils arrêtent des poussières et des particules.
Tapis muco-ciliaire
Il existe des glandes à mucus dans toutes les bronches, le mucus est sécrété en permanence et tapisse les
bronches. Les cils battent de façon synchrone et déplacent le mucus vers le haut des voies aériennes
(comme un tapis roulant). La vitesse de remontée du mucus est d’environ 16 mm/min. Il est ensuite
dégluti ou craché, et comprend des cellules à poussière, c’est-à-dire des lymphocytes et macrophages en
quantité (les macrophages phagocytent et digèrent les bactéries).
Un dysfonctionnement du tapis muco-ciliaire entraîne une moins bonne purification de l’air. La fumée de
tabac est associée à une diminution du fonctionnement des cils vibratiles (les fumeurs présentent
davantage de bronchites chroniques, les cellules ciliées peuvent même disparaître). Une transformation
des cellules glandulaires en cellules caliciformes peut conduire à une inflammation chronique des
bronches et ainsi à une diminution des défenses.
La qualité du mucus est un paramètre important : dans le cas de la mucoviscidose, le mucus est trop
visqueux et trop épais, et entraîne des surinfections broncho-pulmonaires très fréquentes.
La Toux
La toux est un mécanisme réflexe à partir de fibres sensitives (nerf vague) ; le retour se fait par des fibres
motrices parasympathiques (nerf X) entrainant une bronchoconstriction.
A l’origine, il existe des récepteurs à l’irritation, qui sont stimulés mécaniquement ou chimiquement. Les
terminaisons nerveuses vont du larynx à la carène (il y a moins de récepteurs dans les bronches et
bronchioles).
La toux commence par un effort expiratoire contre la glotte fermée, amenant à une augmentation de la
pression intra-pulmonaire. Ainsi, la glotte s’ouvre brusquement ; il y a alors une grande différence de
pression entre l’alvéole et l’atmosphère, conduisant à l’éjection des particules étrangères. La vitesse
d’expulsion est d’environ 120km/h !
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Le réflexe de la toux est diminué voire absent chez les anésthésiés, et est moins efficace chez les
personnes âgées.
2- Les poumons
Les capillaires au niveau de l’artère pulmonaire sont chargés de sang désoxygéné. Il existe une grande
densité de capillaires sanguins.
Les alvéoles correspondent à l’unité fonctionnelle pulmonaire, où se font les échanges gazeux. Elles sont
constituées de tissu conjonctif de soutien et de nombreuses fibres élastiques. Les alvéoles sont en contact
étroit avec les capillaires sanguins. Un adulte possède environ 300 millions d’alvéoles, la surface
d’échange représente 70 à 90 m². Les alvéoles sont tapissés à l’intérieur du surfactant pulmonaire, qui
diminue la tension superficielle à l’interface air/eau pour faciliter les échanges gazeux.
B- Les muscles respiratoires
Ces muscles sont responsables des mouvements de la cage thoracique.
Les mucles inspiratoires augmentent le volume des poumons qui sont solidaires de la cage thoracique et
ouvrent la cage.
Les muscles expiratoires compriment la cage thoracique et diminuent le volume des poumons.
Leurs contractions sont sous la dépendance de nerfs moteurs qui viennent des centres moteurs centraux.
Il existe: -un contrôle automatique des muscles
-un contrôle volontaire de ces muscles
1- Les muscles inspiratoires
a- Le diaphragme
Muscle inspiratoire majeur.
Il s'insère sur les 6 dernières côtes, sur la colonne vertébrale et sur le sternum
Il correspond à une large nappe musculaire en forme de dôme qui sépare les cavités thoraciques et
abdominales.
Les nerfs moteurs sont les nerfs phréniques qui sortent de la moelle épinière au niveau de C3-C4.
(Si lésion au niveau de ces vertèbres: répercussion sur la respiration.)
A droite, la partie supérieure arrive au niveau de la 8e côte car la pression abdominale exercée par les
viscères est supérieure à celle du thorax.
A gauche, la partie supérieure remonte moins haut (présence du cœur).
Quand le diaphragme se contracte, il y a raccourcissement des fibres qui entraîne l'abaissement du dôme
vers la cavité abdominale et donc l'augmentation du volume de la cage thoracique.
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Lors d'une respiration calme: la contraction du diaphragme le fait s'abaisser de 1,5cm et permet l'entrée de
75% du Volume Courant (VC).
En inspiration forcée, l'abaissement est de 6 à 10cm à l'intérieur de la cavité abdominale.
b- Les muscles intercostaux externes
Sont à l'extérieur.
Rôle: écarter les côtes les unes des autres à la contraction : elles deviennent plus horizontales.
Au repos, les côtes ont une position oblique.
Leurs fibres sont orientées d'arrière en avant et de haut en bas.
La façon dont les côtes sont insérées permet de faire remonter la côte sous-sous-jacente vers le haut et
ainsi d'augmenter le volume de la cage en faisant entrer 25% du VC.
Innervation: Nerf moteur intercostaux qui quitte la moelle épinière entre D1 et D2 (T1 et T2)
c- Les muscles accessoires
Sternocléidomastoïdien et les muscles scalènes.
N'interviennent pas dans l'inspiration calme mais dans les inspirations forcées.
Ils tirent sur la 1e côte et augmentent ainsi le volume de la cage.
En pathologie, leur mobilisation en respiration calme est signe d’une insuffisance respiratoire.
2- Muscles participant à l'expiration forcée
L’expiration calme est passive, elle ne nécessite pas de muscles.
a- muscles intercostaux internes
Rôle : rapprochement des côtes les unes aux autres.
Direction des fibres : d’avant en arrière, de bas en haut (opposé des fibres des muscles intercostaux ext)
Effet : tirent les côtes vers le bas et ainsi diminuent le volume de la cage thoracique.
b- Muscles abdominaux
Leur contraction entraîne l’abaissement de la dernière côte et augmente la pression intra abdominale.
En faisant remonter les viscères vers le haut, ils font remonter le diaphragme vers le haut et ainsi
diminuent le volume de la cage thoracique.
3-
La ventilation pulmonaire
a-
Définition
Ventilation= volume d’air inspiré et expiré par minute.
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V’=VCxF
V’=ventilation =env. 8L/min
VC= volume courant
F=Fréquence respiration = env. 16cycles / min
(1cycle= 1 expi+1inspi)
Par convention internationale, les résultats sont exprimés en conditions BTPS (Body Temperature
Pressure Saturation) soit à 37° à une pression de 760mmHg. L’intérêt réside dans la comparaison entre les
pays dont l’humidité ambiante diffère.
b-
Spirométrie
Mesure des volumes respiratoires.
Cette technique mesure les volumes mobilisables.
Elle est non invasive.
Le sujet doit être coopérant.
Il respire dans un appareil, il est muni d’un pince-nez pour que tout l’air soit inspiré et expiré par la
bouche en vue d’une mesure exacte.
2 types de manœuvres : -lente
-forcée
Spiromètre de Cara
Une cloche est remplie d’air et retournée sur une cuve remplie d’eau.
Le sujet inspire l’air de la cuve, le CO2 expiré est extrait, le sujet rejette dans la cloche l’O2 non utilisé.
L’appareil est relié à un stylet qui enregistre les variations.
On obtient un tracé ascendant de hauteur H. H correspond à l’O2 utilisé par le sujet.
Pneumotachographe
Technique utilisée aujourd’hui
En spirométrie lente, on effectue différentes mesures :
-VC : volume courant en respiration calme = 0,5L
-CI : Capacité inspiratoire : volume mobilisé pendant l’inspiration maximale à partir de la fin de
l’expiration
-VRE : Volume de Réserve Expiratoire : volume qu’on peut respirer en plus de la respiration
calme
-CV : Capacité Vitale : de l’inspiration max à l’expiration max
-VR : Volume de réserve= volume résiduel. On ne peut pas le mesurer par spirométrie, il reste
dans les alvéoles même après une expiration maximale. La mesure se fait à l’aide de gaz rares.
-CRF : Capacité Résiduelle Fonctionnelle CRF=VRE+VR
-CPT : Capacité Pulmonaire Totale= CV+VR
Spirométrie forcée
Le débit donne une idée sur l’obstruction éventuelle des bronches
On mesure le VEMS : Volume Expiré Max par Seconde
90-95% de la capacité vitale est expirée en 1s.
Valeurs de référence
Homme de 1,70m de 20 ans
CV=4,18L
H de 1,90 de 20 ans
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CV= 5,8L
H de 1,70 de 60 ans
CV= 3,79L
Plus la taille augmente, plus la CV est grande.
La CV diminue avec l’âge.
C- Mécanisme de déplacement de l'air
Selon une loi physique : de Boyle Mariotte
PV=cte
A température constante.
Les gaz (air) se déplacent des zones de haute pression vers les zones de basse pression.
Pour changer les pressions, il faut faire varier les volumes.
Il y a un ensemble actif : muscles respiratoires qui se contractent et se relâchent: diaphragme, muscles
intercostaux externes et internes, scalènes et SCM.
En parallèle, il existe un ensemble passif : poumon et paroi thoraco-abdominale déformable et distensible.
L'ensemble actif modifie le volume, ce qui entraîne une modification des pressions entre l'extérieur et l'air
alvéolaire et provoque une entrée ou une sortie d'air. Les muscles respiratoires en se contractant et se
relâchant modifient le volume des poumons.
A l'inspiration: le diaphragme et les intercostaux externes se contractent, il y a augmentation du volume
de la cage thoracique et des poumons qui sont solidaires de celle-ci (via la plèvre).
La pression intérieure diminue par rapport à la pression atmosphérique: l'air rentre jusqu'à égalisation des
pressions (Patm = Palvéolaire).
A l'expiration: les muscles inspiratoires cessent de se contracter, le diaphragme et les intercostaux
externes se relâchent. On observe alors une diminution du volume de la cage et des poumons, la pression
alvéolaire augmente et devient supérieure à la pression atmosphérique. L'air sort jusqu'à égalisation des
pressions.
Le processus reprend.
En expiration forcée: le volume de la cage diminue encore plus et la pression alvéolaire augmente en
conséquence et devient très supérieure à la pression atmosphérique. Le volume d'air expiré est alors
supérieur à l'expiration normale.
En inspiration forcée, on observe la mise en jeu des muscles accessoires, une augmentation du volume de
la cage et une diminution de la pression alvéolaire qui devient inférieure à la pression atmosphérique: le
volume inspiré est alors plus élevé que la normale.
NB: ce n'est pas parce que l'air rentre que les poumons se gonflent mais parce que les poumons se
gonflent que l'air rentre (différence de pression). La variation de pression est due à la variation de
volume modifié grâce aux muscles.
D- Les résistances respiratoires
1- Le recul élastique pulmonaire
pneumothorax: air insufflé entre les deux feuillets de la plèvre
Si on désolidarise les poumons de la cage thoracique en réalisant un pneumothorax, les poumons se
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détendent et atteignent un volume minimal.
Les poumons (alvéoles) sont constitués d'éléments élastiques toujours étirés.
La force de recul élastique tend en permanence à diminuer le volume des poumons.
La force maximale est plus élevée quand le volume est grand.
La force minimale est plus faible si le volume diminue.
Cette force participe à l'expiration et doit être vaincue pendant l'inspiration. Elle est d'autant plus élevée
que l'inspiration est grande.
Deux origines à ce recul: - les fibres élastiques qui entourent les alvéoles pulmonaires
-la tension superficielle de l'interface air/eau au fond des alvéoles.
La tension superficielle (TS) est due aux forces de Van Der Walls.
Les bulles d'air sont immergées, entourées d'une douzaine de molécules d'eau, les forces de Van
Der Walls sont symétriques autour de celle-ci, la résultante est nulle.
A l'interface, elles sont entourées de 6 à 7 molécules, la résultante est alors différente de 0 et est
représentée par une force perpendiculaire à la surface dirigée vers le liquide et qui s'oppose à
l'entrée des molécules de gaz dans l'eau.
Loi de Laplace
Pour diminuer la TS, il faut minimiser la surface de contact. Les forces de TS tendent à fermer les
alvéoles. Elle s'oppose à l'inspiration et favorise l'expiration.
Si on calcule théoriquement la TS de l'ensemble des alvéoles, il serait impossible que les molécules de
gaz pénètrent dans le sang capillaire des vaisseaux qui entourent les alvéoles.
Il y a une diminution importante de la TS à l'intérieur des alvéoles à cause du surfactant pulmonaire.
Le surfactant est sécrété par les pneumocytesII. C'est un mélange de phospholipides (=Pôle hydrophobe et
pôle hydrophile: constituant des membranes cellulaires) et de protéines. Le surfactant agit comme un
détergent en provoquant un mélange tertiaire gaz/surfactant/eau. (comme le mélange eau/savon/huile).
Cela permet la diffusion des gaz dans le sang capillaire.
Malgré le surfactant, la TS existe et tend à fermer les alvéoles: elle favorise l'expiration.
En résumé: le recul élastique pulmonaire est réalisé grâce aux fibres élastiques alvéolaires qui favorisent
l'expiration par diminution du volume alvéolaire.
L'expiration est passive par l'arrêt de la contraction des muscles inspiratoires, le volume diminue à cause
du recul pulmonaire.
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