physiologie respiratoire

PHYSIOLOGIE RESPIRATOIRE
I. INTRODUCTION
1. Définition
La respiration en biologie a 2 significations :
 en biologie cellulaire et en biochimie : c’est l’ensemble des réactions métaboliques de l’oxygène
avec les substrats énergétiques dans l’organisme permettant de fournir de l’énergie, chimique et
mécanique, et des déchets.
 en physiologie, c’est l’étude de l’organisme considéré comme un système d’échanges gazeux
entre les cellules et le milieu extérieur : comment l’organisme reçoit l’O2 nécessaire aux
oxydations cellulaires et rejette le CO2 produit par les cellules.
2. Phylogenèse
a) Chez les animaux unicellulaires et paucicellulaires :
Les échanges se font par diffusion en fonction des gradients de pression : l’O2 entre dans la cellule et le CO2
en sort. C’est un phénomène passif qui ne consomme pas d’énergie.
b) Chez les métazoaires
Ce mécanisme est impossible, les cellules n’étant pour la plupart pas en contact avec le milieu ambiant. Il
s’ensuit un système de structures de transport des gaz à plusieurs étapes : respiratoire, cardio-vasculaire
permettant d’assurer aux tissus un débit d’O2 suffisant et d’éliminer les déchets (l’accumulation de CO2 met
en péril la vie cellulaire).
 Chez les poissons : les branchies (de part et d’autre de la tête) provoquent un courant continu d’eau
permettant d’extraire l’O2 et de rejeter le CO2.
 Chez les mammifères : appareil respiratoire, système à 5 étapes faisant intervenir
 les poumons : échange de gaz (entrée O2 et sortie de CO2)
 l’appareil cardio-vasculaire avec la petite circulation qui irrigue le poumon (coeur droit) et la
grande circulation (coeur gauche) qui forme un réseau capillaire pour amener le sang jusqu’aux
cellules. l’O2 est pris en charge sous forme dissoute et combinée (phase liquide de O2).
 Le SNC ajuste la respiration et le système cardio-vasculaire.
3. Schéma de l’organisation de l’appareil respiratoire
 Première étape : ventilation pulmonaire (à bien distinguer de la respiration). Le poumon est un organe qui
est en contact très étroit avec le milieu extérieur. C’est une pompe qui augmente et diminue de volume de
façon alternative et périodique. L’alternance de mouvements d’inspiration et d’expiration fait intervenir
deux éléments : le diaphragme qui s’abaisse à l’inspiration et la bouche. Cette pompe ventilatoire
mobilise 12000 litres d’air par jour.
 mouvement mesurable d’entrée et sortie d’air.
 Deuxième étape : diffusion des gaz de l’alvéole vers le sang. L’air inspiré se dilue dans un volume 6 fois
plus grand. Ce grand volume permet d’approvisionner l’organisme en O2. Il constitue un volume d’air
intermédiaire, un tampon, entre l’air extérieur et le sang. Les échanges hémato-alvéolaires (alvéolo

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capillaires) se font par diffusion, en continu. La diffusion n’est possible que pour les gaz solubles : O2,
CO2.
L’hélium ne passe pas à travers les membranes.
N2 passe très mal.
O2 : 500 à 700 l par jour passent à travers les membranes
CO2 : idem en sens inverse.
 Troisième étape : transport du gaz par le sang : hématose. Les gaz sont sous forme dissoute ou combinée
(à l’hémoglobine pour O2, à l’eau pour CO2), sont transportés à la périphérie grâce au sang.
8000 à 10000 l de sang perfusent chaque jour les poumons, permettant de délivrer aux cellules 500 à 700 l
O2 et d’extraire autant de CO2
1
.
 Quatrième étape : les gaz passent dans le tissu interstitiel (entoure les cellules) : 500 à 700 l O2 et CO2 par
jour.
 Cinquième étape : passage du gaz entre le tissu interstitiel et la cellule. L’ensemble des cellules
consomme 500 à 700 l O2 et élimine autant de CO2.
 à chaque étape, la même quantité d’O2 est transportée.
Remarques : rapport ventilation – perfusion.
 les poumons contiennent beaucoup d’unités fonctionnelles : nombreux vaisseaux et alvéoles. Il faut que
les zones bien ventilées soient bien perfusées et les zones bien perfusées doivent être bien ventilées.
 le rapport ventilation / perfusion doit être régulé.
 Le système ne fonctionne pas toujours de la même façon : il ne fonctionne pas de façon automatique. Un
système de contrôle et de régulation, nerveux et hormonal permet de faire fonctionner le diaphragme, de
modifier la ventilation et le transport des gaz par le sang. Quand la ventilation augmente, le débit
cardiaque augmente
4. Autres fonctions de l’appareil respiratoire
Outre les échanges gazeux entre l’extérieur et la cellule,
 fonction d’épuration des particules étrangères inhalées dans l’arbre aérien
 réchauffement et humidification des gaz.
 fonction métabolique : la circulation pulmonaire reçoit la totalité du débit cardiaque (c’est le seul organe
dans ce cas). Il contient beaucoup de cellules endothéliales. Elles sont à l’origine de substances qui vont
réguler la pression artérielle, participer aux fonctions immunitaires...
1
sang veineux : pauvre en O2 - sang artériel : riche en O2.
les veines arrivent au cœur
les artères partent du cœur : définition anatomique. On peut avoir du sang veineux dans une artère (pulmonaire) et du sang artériel dans une veine
(pulmonaire).

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II. RELATION STRUCTURE - FONCTION
Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction.
Rappel anatomique
L’appareil pulmonaire comprend :
 un contenant : la paroi thoraco-abdominale
 la paroi thoracique avec de nombreuses
articulations
 les muscles : diaphragmatique et
intercostaux.
Le contenant est déformable, il peut modifier son
volume dans toutes les directions de l’espace.
 un contenu : les poumons dont la forme est
donnée par l’adhérence à la paroi thoracique grâce
aux plèvres. Séparés de l’organisme, ils
s’affaissent sur eux-mêmes.
 Les plèvres sont formées de 2 feuillets pouvant glisser l’un sur l’autre : l’un est accolé à la cage
thoracique, l’autre est accolé aux poumons. L’espace liquidien est virtuel comme celui qui sépare deux
plaques de verres.
comme un poing dans un ballon de baudruche : plèvre viscérale interne et plèvre pariétale extérieure
Paroi thoraco abdominale, poumons et plèvres constituent le thorax ou appareil thoraco-pulmonaire.
Le thorax contient l’appareil respiratoire, le coeur , les gros vaisseaux et livre passage au tube digestif.
Rappel fonctionnel : 3 zones pulmonaires
 zone de passage qui permet d’apporter les gaz : les voies aériennes, dans lesquelles il n’y a pas d’échange
gazeux. C’est la zone de conduction.
 partie profonde du poumon où s’effectuent les échanges gazeux.
 entre les deux : une zone de transition.
A. LES VOIES AERIENNES
1. Voies aériennes extra thoraciques : voies aériennes supérieures
Les voies aériennes supérieures sont constituées par
a) le nez :
La muqueuse nasale comporte de nombreux replis qui augmentent la surface (160 cm²) permettant les
échanges thermo hydriques. L’air doit être humidifié sinon les voies aériennes sont menacées. L’air des
poumons est saturé en vapeur d’eau (PH2O = 47 mm Hg). Le nez présente une résistance non négligeable à
l’écoulement de l’air. En cas d’effort important (course) le mouvement d’air est plus important : on respire
par la bouche de l’air moins réchauffé. (danger du sport quand il fait très froid).
poumons
voies aériennes
PAlvéolaire
P pleurale paroi thoraco
abdominale

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Le nez sécrète un mucus sur lequel vont se coller les particules inhalées. Il contient une substance, le
lysozyme qui participe à la lutte anti-bactérienne.
Environ 1 l / jour sécrété et dégluti.
b) le pharynx :
en arrière du nez, c’est un carrefour aérodigestif où
transitent l’air et les aliments. Son squelette est
purement musculaire (une vingtaine de muscles). Il
se collabe en inspiration ( ).
En pathologie :
 pendant le sommeil les muscles se relâchent 
ronflement, syndrome d’apnée du sommeil.
 étouffement par mort subite du nouveau-né.
c) Larynx
C’est l’organe de la phonation, à la partie supérieure de la trachée. Entouré d’un anneau cartilagineux, il est
fermé au moment de la déglutition par une membrane avec une lame cartilagineuse, l’épiglotte. Cela évite les
fausses routes alimentaires. Il se poursuit par la trachée (dont une partie seulement est extra-thoracique).
Le larynx est source d’une résistance importante (elle augmente dans les laryngites).
Les cordes vocales créent un relief à la partie moyenne, formant un orifice qui se ferme de façon involontaire
lors de la toux en même temps que se contractent des muscles abdominaux. La pression augmente (ce que
reproduit la manoeuvre de Valsalva). L’ouverture brutale de l’orifice laryngé permet l’expectoration.
2. Les voies aériennes intra-thoraciques
La trachée pénètre dans le thorax et va se diviser en de nombreux tubes ramifiés, de plus en plus étroits, de
plus en plus courts et de plus en plus nombreux.
Font suite à la trachée successivement :
 2 bronches souches (droite et gauche cette dernière est plus longue et plus horizontale) : c’est le 1er ordre
de division
 bronches lobaires : 3 à droite, 2 à gauche - 2nd ordre de division
 bronches segmentaires
 bronchioles ( 1 mm) puis bronchioles terminales ( 0,5 mm) jusqu’au 16e degré de division.
Ces divisions constituent la zone de conduction, ne comportant pas d’échange gazeux. Les conduits sont
maintenus ouverts par un squelette cartilagineux puis, au sein du poumon le cartilage est remplacé par des
muscles lisses innervés par les nerfs sympathiques et parasympathiques.
Cette zone s’appelle l’espace mort anatomique : 150 ml chez l’adulte normal.
La deuxième partie de l’arbre bronchique : du 17e au 19e ordre est représentée par les bronchioles
respiratoires. Des petits sacs alvéolaires sont accolés aux parois permettant les quelques échanges gazeux de
la zone transitionnelle.
La troisième partie, la zone respiratoire est constituée des canaux alvéolaires qui se divisent encore, sont
bordés d’alvéoles et se terminent par les sacs alvéolaires : du 20e au 23e ordre. La distance entre bronchiole
terminale et alvéole est très faible :  5 mm. C’est pourtant la zone qui a le volume le plus important :  3 l
d’air.
Le poumon profond prend un aspect spongieux (forme de grappe de raisin) : bulles polygonales de 200 µ .
(300 millions). Toutes les alvéoles accolées les unes aux autres sont organisées comme des rayons de miel.
Elles sont séparées les unes des autres par les septa (cloisons ) inter alvéolaires. Elles peuvent éventuellement
communiquer les unes avec les autres au niveau des pores de Kohn.

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Les alvéoles sont séparées par les septa interavéolaires dans lesquels se trouvent les capillaires pulmonaires,
du tissu conjonctif et interstitiel.
3. Les mouvements de l’air dans la zone de conduction
a) Débit
Au cours de l’inspiration le volume de la cage thoracique augmente : l’air est aspiré dans les poumons et
s’écoule dans un flux continu jusqu’aux bronchioles : c’est la convexion. (courant d’air)
L’écoulement est
 turbulent dans les voies aériennes supérieures
 laminaire à la périphérie : flux rectiligne
 intermédiaire dans la zone transitionnelle et à chaque jonction.
la résistance est beaucoup plus importante pour un courant turbulent.
NB : au niveau des bronchioles respiratoires, l’air se déplace uniquement par diffusion des zones de
concentration haute aux zones de concentration basses. Ces échanges par diffusion dans le poumon profond
sont très rapides. La composition de l’air est pratiquement constante. Cet équilibre se fait en moins d’une
seconde car la distance est très faible (5 mm).
b) Pression
Ce qui est important n’est pas le volume mais le débit.
La variation de pression est à l’origine de la force motrice.
i A l’inspiration
 le diaphragme s’abaisse ce qui augmente le volume de la cage thoracique. Les muscles tirent sur la cage
thoracique, la pression intra-pleurale baisse, devient inférieure à la pression atmosphérique (on parle de
pression « négative »).
 Les alvéoles s’ouvrent ainsi que les bronchioles. La pression dans les sacs alvéolaires va diminuer. La
pression alvéolaire diminue, devient inférieure à la pression atmosphérique.
 Un gradient de pression entre l’extérieur et l’intérieur provoque le mouvement d’air vers la dépression.
Les sacs alvéolaires s’ouvrent en même temps que les organes creux (oreillettes, oesophage) : tous les
organes creux intra thoracique (permet le retour du sang au cœur).
Une inspiration normale est de 0,5 l. Elle a un débit de 1 l / sec pour une très faible différence de pression : 2
cm d’eau. (fumeur de pipe : différence de pression entre l’air et la bouche : 500 cm H2O pour le même débit).
ii A l’expiration
C’est le phénomène inverse.
La cage thoracique déformée va revenir à sa position initiale : les muscles se relâchent du fait de leur
élasticité. La pression pleurale augmente. Par suite, elle se transmet aux structures molles (alvéoles,
bronches, oreillette). Dans l’alvéole, la PA augmente, devient supérieure à Patm, l’air sort.
 la différence de pression mobilise l’air. Si elle n’existe pas (comme en fin d’inspiration), il n’y a pas de
mouvement d’air.
c) Résistances
Les résistances trachéo-bronchiques sont liées à l’écoulement de l’air : la friction des molécules de gaz entre
elles et sur les parois bronchiques. ( Les frottements pleuraux augmentent également avec la vitesse
respiratoire)
Les résistances sont fonction de