physiologie respiratoire

PHYSIOLOGIE RESPIRATOIRE
I.
1.
INTRODUCTION
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 CO21.
 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
Autres fonctions de l’appareil respiratoire
4.
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.
voies aériennes
PAlvéolaire
P pleurale
poumons
paroi thoraco
abdominale
 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).
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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 1 er 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.
Les mouvements de l’air dans la zone de conduction
3.
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
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i
débit de gaz :
plus on respire vite, plus la résistance augmente (lié à l’activité musculaire du diaphragme et des muscles
inspiratoires et expiratoires).
ii nature du gaz :
la viscosité et la densité, le régime d’écoulement (laminaire ou non). Il est plus facile de respirer les gaz
légers que les gaz lourds. Les plongeurs en plongée profonde respirent de l’O2 dans l’hélium (héliox) et non
pas O2 dans N2 (11 fois plus lourd).
iii diamètre du conduit :
plus le conduit est étroit pour un même débit, plus la résistance est élevée. Il faut considérer aussi la surface
des éléments :
 nez : ½ des résistances des voies aériennes supérieures (on court bouche ouverte)
 pharynx : résistance importante
 Jusqu’au 16e ordre de conduction, les résistances diminuent puis deviennent négligeables. En effet : une
trachée mais une centaine de bronches : le débit est à considérer pour la surface totale de l’ensemble des
bronches : plus on s’éloigne du nez, plus la section augmente, plus les résistances diminuent.
Résistance
10 cm2
2,5 cm2
70 cm2
zone de
conduction
zone
respiratoire
530 cm2
16
23 Ordre de
division
 La résistance est plus élevée à l’expiration qu’à l’inspiration car l’inspiration développe les bronches,
alors que l’expiration écrase les bronchioles.
L’asthmatique a plus de difficultés pour souffler que pour inspirer.
 Les muscles bronchiques modifient les résistances.
Plus on s’enfonce dans le poumon, plus les parois des bronches sont entourées de fibres musculaires lisses
qui peuvent se contracter ou se relâcher  modification très importante des résistances : importance de la
broncho-motricité (ou broncho-constriction), surtout chez les asthmatiques.
Les muscles bronchiques lisses sont innervés par le SNA
 parasympathique -médiateur : acétyl choline- bronchoconstricteur,  R (récepteur : M4)
 sympathique : adrénaline , ouvre les bronches,  R (récepteur 2)
 dans l’asthme, la broncho-constriction est combattue par les 2 mimétiques (ventoline).
 Le mucus augmente les résistances des voies aériennes de même l’inflammation ou une tumeur dans un
territoire donné.
trachée

1,8 cm
surface
2,5 cm²
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bronches de 6e - 7e ordre
bronches de 14e ordre
bronches de transition
zone respiratoire
4.
page 7
1 à 2 mm
0,7 mm
0,5 mm
250 µ
10 cm²
70 cm²
530 cm²
80 m² à 140 m²
Autres fonctions des voies aériennes
a)
Conditionnement de l’air
L’air est réchauffé et humidifié. L’air expiré est à 37°, saturé en vapeur d’eau / 47 mm Hg (conditions BTPS)
b)
Epuration - filtration
Les grosses particules se fixent dans les voies aériennes supérieures les plus hautes (nez) : arrêt des bactéries.
Les petites se fixent à un mucus produit par des glandes. Ce mucus est ensuite remonté par des cellules
ciliées puis dégluti. Le mouvement des cils est comparé à celui de palmes dans l’eau. La nicotine supprime le
mouvement des cils : le mucus n’est plus évacué ce qui provoque la toux du fumeur et l’augmentation des
résistances dans les voies aériennes.
Les alvéoles n’ont pas de cils mais le système d’épuration est conditionné par des macrophages qui vont
phagocyter les particules les plus fines et qui repartent ensuite dans le système lymphatique.
c)
Transport d’eau et d’électrolytes.
L’épithélium trachéal et bronchique est recouvert d’un fluide qui procure un état d’hydratation convenable à
la muqueuse et donne sa fluidité au mucus. Il est composé d’eau et d’électrolytes qui sont réabsorbés par la
cellule épithéliale.
+ 64 mV
- 75 mV
La cellule épithéliale a un versant aérien et un versant
du côté du tissu interstitiel.
Cellule
milieu
tissu
Dans un premier temps : entrée de Na+, K+, Clépithéliale
+
+
aérien
interstitiel
surtout : 1 ion Na , 1 ion K ,2 Cl entrent
+
passivement dans la cellule à partir du milieu
Na
interstitiel.
H2O
Na+
Les ions Cl- sont sécrétés2 en même temps que l’eau
du côté de la lumière (sous le tapis muco-ciliaire).
K+
1
+
Les ions Cl entraînent H2O et Na . Ces derniers vont
2 CL2 CLrevenir dans la cellule car le gradient de
+
K
Na+
concentration est favorable.
Na+
Sur le versant interstitiel, une pompe à Na+ réabsorbe
réabsorp tion
2
le sodium de façon active (consommation d’ATP) en
selon gradient
K+
échange de K= et parfois H+.
ou H+
 la cellule sécrète de l’eau avec du chlore et absorbe
de l’eau et du sodium.
Dans la mucoviscidose, la membrane est imperméable au chlore.
la cause est une réabsorption excessive de sodium avec un gradient trans épithélial très élevé.
Conséquence : mucus très épais qui stagne à la périphérie : la clairance du mucus est diminuée
 symptômes : infections et obstructions bronchiques.
2
une sécrétion est ce qui est fabriqué par la cellule et rejeté à l’extérieur du milieu intérieur
PC1 Physiologie respiratoire
d)
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Mouvements d’air dans la zone respiratoire
Au-delà des bronchioles terminales, la division est telle que la surface totale de section est très importante.
les variations de pressions deviennent virtuelles : il n’y a plus de débit, plus de résistance : l’écoulement est
nul.
 dans le poumon profond, les mouvements de gaz (O2 et CO2) se font par diffusion.
Les molécules subissent des chocs inter moléculaires. Elles se déplacent rapidement vers l’endroit où elles
sont moins nombreuses (par exemple : O2), en moins d’une seconde, car la distance à parcourir est très
faible.
 la composition de l’air alvéolaire est constante, le volume est suffisant pour assurer une « réserve en
oxygène » : les échanges air-sang se font en continu, même pendant l’expiration.
A ce grand volume correspond une grande surface : 140 m², favorisant les échanges. les sacs alvéolaires ont
une structure spongieuse à l’origine de cette importante surface. Les communications (pores de Kohn) font
que les gaz s’échangent d’un secteur à l’autre.
e)
La diffusion entre alvéole et sang capillaire
La membrane alvéolo-capillaire sépare la phase gazeuse de la phase liquide. Il y a environ 300 millions
d’alvéoles : sacs polyédriques de 250 µ. La fonction principale est l’échange de gaz (O 2 et CO2). La barrière
est fine avec une surface maximale pour favoriser le passage du sang, mais pas trop fragile, et donc
suffisamment épaisse pour que la structure soit stable.
 la surface est de 80 à 140 m² (celle d’un court de tennis)
 l’épaisseur est de 0,2 à 0,5 µ (50 fois moins qu’une feuille de papier.
La stabilité est assurée par le surfactant pulmonaire : c’est un liquide tensioactif qui tapisse l’intérieur de
l’alvéole, lui donnant une structure rigide quel que soit le moment respiratoire (comme une bulle de savon).
C’est une bicouche de substance grasse formant un film qui évite que les alvéoles se ferment au moment de
l’expiration.  aspect spongieux du poumon.
Entre chaque alvéole, le tissu interstitiel contient les capillaires, des fibres d’élastine et quelques fibres
collagènes.
 6 couches successives sont traversées par le gaz de l’alvéole vers le GR.
1. surfactant pulmonaire : tapisse la face interne de l’alvéole. Fabriqué par les pneumocytes de type II (5 %).
2. pneumocytes de type I : cellule en forme d’oeuf sur le plat, avec un gros noyau et des prolongements
cytoplasmiques minces traversés par les gaz. (95 % des cellules alvéolaires).
3. membrane basale : structure de soutien sur laquelle repose les pneumocytes I et II. Elle est fusionnée avec
la membrane basale des capillaires. Parfois les gaz traversent du tissu interstitiel quand les 2 membranes
basales ne sont pas fusionnées
4. cytoplasme des cellules endothéliales (tapissent l’intérieur du capillaire)
5. plasma
6. membrane des GR : la quasi-totalité de l’O2 est transporté dans les GR.
Les échanges se font par diffusion en fonction d’un gradient de pression entre l’alvéole et le sang :
mécanisme passif.
les gaz ne se déplacent de l’air ambiant vers les muscles (ou autres cellules) que par gradient de pression. Les
cellules pompent l’O2 et sont responsables du gradient de pression partielle (renouvelé sans cesse).
Dans l’air :
 Patm = 760 mm Hg
 PO2 = 150 mm Hg (21 %)
Inversement, le CO2 produit en périphérie a une pression plus importante dans le sang que dans l’air (où elle
est nulle).
PC1 Physiologie respiratoire
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 Les mouvements de gaz dépendent de la pression partielle.
Ppartielle = [c] fractionnelle x Ptotale
La membrane exerce une résistance au passage des gaz ( U = RI)
 plus le gradient de pression augmente, plus le débit augmente
 Plus la résistance diminue (membrane fine) plus le débit augmente.
f)
Les autres fonctions de la membrane
i
métabolique
l’enzyme de conversion sécrétée par les cellules endothéliales transforme AN I3 en AN II. Ce produit est un
régulateur de la pression artérielle et de la sécrétion d’aldostérone.
Sérotonine, PG sont sécrétés par les cellules épithéliales ou endothéliales.
ii Epuration
A partir des bronchioles : il n’y a plus de cils, plus de tapis muco-ciliaires.
Au niveau de la membrane alvéolo-capillaire interviennent des lymphocytes et des macrophages qui
phagocytent les très fines particules étrangères inhalées et qui les transportent vers les systèmes lymphatique
ou veineux permettant leur élimination.
La silicose est une maladie affectant les mineurs qui inhalent de très fines poussières.
iii Réabsorption d’eau et de sodium
L’eau et le sodium entrent dans l’espace alvéolaire selon la pression hydrostatique capillaire et contre la
pression oncotique. L’absence d’accumulation est due au surfactant, et surtout à réabsorption de Na + et d’eau
grâce à une pompe à sodium de l’épithélium alvéolaire consommatrice d’ATP.
En pathologie, les oedèmes pulmonaires surviennent par exemple quand le coeur gauche fonctionne mal, ce
qui augmente la pression hydrostatique dans les veines et les capillaires pulmonaires.
g)
Circulation à l’intérieur du poumon.
Elle est triple
i
circulation pulmonaire
C’est la petite circulation, opposée à la grande circulation ou circulation systémique. Le circuit sanguin est le
suivant : OG  VG  aorte  ramifications artériolaires  capillaires  veines caves  OD  VD  artères
pulmonaires (D et G)  ramifications artériolaires  capillaires  veines pulmonaires (4)  OG.
Particularité : elle reçoit la totalité du sang qui effectue une boucle en « 8 ».
 le débit est le même dans les 2 circulations, au repos : 6 l/min.
Les résistances à l’écoulement sont faibles : les petites artérioles sont peu musclées.
U = RI c'est à dire :
o
P  R Q 
 si les résistances sont faibles, les différences de pression nécessaires pour le même débit sont également
moins fortes.
Pression
petite
grande
circulation
circulation
systolique
25 mm Hg
130 mm Hg
diastolique
3
10 mm Hg
provient de l’action de la rénine sur l’angiotensiongène sécrété par le foie
80 mm Hg
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moyenne
15 mm Hg
100 mm Hg
La pression moyenne est la pression constante qui permettrait d’assurer le même débit.
Dans la grande circulation, les résistances sont élevées : les artérioles se ferment pour favoriser les débits
locaux c'est à dire orienter le sang vers tel ou tel organe.
Au contraire dans la circulation pulmonaire, les artérioles sont toujours ouverte, la pression est faible.
Le réseau capillaire forme autour des alvéoles un réseau dense, de 125 m² et 2400 km. Le diamètre est
inférieur à 10 µ, sensiblement la taille du GR : un seul GR passe à la fois par le capillaire ce qui facilite les
échanges.
_
Le sang veineux à l’entrée du poumon est le sang veineux mêlé v . Il représente le sang veineux mélangé de
tous les organes, de contenu en oxygène variable. Ce sang va devenir le sang artériel, de composition très
peu variable.
Le sang veineux mêlé chargé en CO2 (autant transporté dans le GR que dans le plasma), arrive au poumon. Il
se libère de son gaz carbonique dans l’alvéole.
Chaque GR transite dans un capillaire en 1 sec, passe pendant ce temps devant 2 ou 3 alvéoles. Il se charge
en O2 pendant le premier tiers de son trajet dans les conditions de débit de repos. Cette relative lenteur
permet les échanges par diffusion et implique qu’il existe une réserve possible d’oxygénation au niveau de la
2e ou 3e alvéole si le débit cardiaque augmente.
Vasomotricité
Vasoconstriction hypoxique : quand l’oxygène manque, les petites artérioles se ferment : c’est le seul organe
qui réagit de cette façon. Ce mécanisme est important : en cas d’hypoxie locale, la fermeture des artérioles va
dévier la circulation vers des zones mieux ventilées.
ii Circulation bronchique
Des petites artères provenant de la grande circulation : des branches aortiques, transportent du sang artériel,
oxygéné, suivent les petites bronches et vascularisent les bronchioles.
C’est une circulation nourricière qui apporte l’O2 aux parois bronchiques.
Elle n’est pas indispensable : dans les transplantations cardiaques, on ne rétablit pas la circulation
bronchique.
Le sang se jette dans des veines bronchiques qui rejoignent la veine cave, et surtout dans des veines
pulmonaires qui vont rejoindre l’OG
 shunt droit gauche : du sang veineux (appauvri en O2) se jette dans du sang artériel et va rejoindre la
grande circulation.
C’est un shunt physiologique représentant moins de 3 % de la circulation totale.
iii Circulation lymphatique
Ces canaux lymphatiques constituent une voie de retour parallèle à la circulation veineuse, chargée de
l’élimination des déchets du métabolisme cellulaire.
h)
Paroi -thoracique, ou thoraco-abdominale
i
Le squelette thoracique
 vertèbres dorsales en arrière
 côtes latéralement
 sternum en avant
PC1 Physiologie respiratoire
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forment la cage thoracique.Elle a la forme d’un tronc de cône à petit orifice supérieur et grand orifice
inférieur.
La cage thoracique, formée d’éléments osseux et cartilagineux est déformable car les côtes sont mobiles.
Elles peuvent pousser le sternum en avant. Leur courbure (double) et leur obliquité font que leur
déplacement au cours de la contraction des muscles ventilatoires permet une augmentation des diamètres
vertical, transversal et antéro-postérieur.
Ils jouent un rôle protecteur de l’ensemble du contenu thoracique (coeur, poumons, gros vaisseaux...).
La mobilité fait varier le contenu des poumons. A l’inspiration, la pression pleurale devient inférieure à la
pression atmosphérique, ouvre les alvéoles et fait pénétrer l’air.
ii Les muscles ventilatoires
Ils constituent le moteur de la pompe ; ils créent les forces nécessaires à la mobilisation du thorax et des
poumons provoquant alternativement une entrée (inspiration) et une sortie (expiration) d’air. 12 cycles / mn
sont observés en moyenne. C’est un phénomène périodique continu dû à la contraction des muscles et
l’alternance entre l’entrée et la sortie d’air. L’air va des hautes pressions vers les basses pressions en raison
du gradient de pression créé par les muscles ventilatoires.
 En inspiration la contraction musculaire provoque une dilatation pulmonaire. La pression pulmonaire
devient inférieure à la pression barométrique et l’air pénètre dans les poumons.
 A l’expiration, le gradient de pression s’inverse et l’air sort.
 Le Diaphragme
Le diaphragme est un muscle dont 50 % sont des fibres lentes.
C’est le muscle essentiel. Il s’insère tout autour de la paroi de l’orifice inférieur de la cage thoracique : sur
les vertèbres, les côtes et le sternum. Les insertions se rassemblent en une coupole : centre phrénique, de
nature aponévrotique, de forme trifoliée. C’est donc un muscle digastrique.
Les coupoles, droite et gauche, à concavité inférieure, séparent la cavité thoracique de l’abdomen. Chaque
coupole est innervée par un nerf phrénique (droit et gauche) essentiellement issu de la 4° racine rachidienne
cervicale (C 4), à un moindre degré de la 3° et la 5°.
Le contrôle est double : contraction automatique et volontaire.
 Les muscles inspiratoires accessoires
 Muscles intercostaux externes :
Ce sont des fibres de muscles rouges, entre les côtes, obliques de haut en bas et d’arrière en avant.
Leur raccourcissement élève l’extrémité antérieure des côtes, projetant le sternum en avant, d’où une
augmentation des diamètres antéro-postérieur et transversal du thorax. Ils solidarisent les côtes et
empêchent l’aspiration intra-thoracique des espaces intercostaux par la baisse de pression intrathoracique à l’inspiration.
Leur paralysie réduit de 20 % les possibilités inspiratoires.
 Muscles sterno-cléido-mastoïdiens et scalènes : ils élèvent les 2 premières côtes à l’inspiration profonde
: ils n’interviennent qu’en cas de ventilation sous-maximale ou maximale, lors de l’exercice musculaire
intense.
 Grands pectoraux
 Muscles expiratoires
Ils n’interviennent pas en permanence, le retour à la position initiale du thorax se faisant par restitution de
l’énergie élastique.
Ils sont représentés par :
 les muscles abdominaux qui relient côtes et sternum au bassin. Leur contraction augmente la
pression abdominale, remonte le diaphragme ce qui diminue le diamètre vertical du thorax. De plus,
ils abaissent les dernières côtes et réduisent les diamètres thoraciques antéro-postérieur et transversal.
(les muscles abdominaux, très puissants sont mis en jeu dans les phénomènes physiologiques qui
nécessitent une augmentation de la pression abdominale : toux, vomissements, défécation...et lors de
l’effort).
PC1 Physiologie respiratoire
page 12
 grands droits, antérieurs et verticaux
 transverses de l’abdomen : horizontaux.
 grand oblique,
 petit oblique.
 les muscles intercostaux internes, dans leur partie interosseuse, ils ont un rôle inverse des
intercostaux externes. Ils interviennent en se contractant pour stabiliser les côtes et éviter le
bombement des espaces intercostaux lors de l’expiration.
 Les muscles de la cage thoracique ont deux rôles :
 ils ferment la cage
 ils font varier le volume du thorax au cours de la ventilation.
La force de contraction du muscle dépend de son étirement initial (il est plus fort quand il est plus étiré).
Ce sont des muscles fatigables : une décompensation respiratoire peut intervenir chez les insuffisants
respiratoire par épuisement musculaire.
i)
Les plèvres : structure et fonction
Un même membrane forme la plèvre pariétale (qui adhère à la paroi thoracique ou au médiastin) et la plèvre
viscérale (qui adhère au poumon). La plèvre épouse la surface pulmonaire, se réfléchit au niveau des
bronches souches, formant le hile, se réfléchit pour former les plèvres pariétales (comme un ballon dans
lequel on enfonce le poing : la partie en contact avec la main est la plèvre viscérale ; elle vient en contact
avec la partie externe qui représente la plèvre pariétale).
Entre les 2 feuillets : espace virtuel comblé de liquide pleural permettant le glissement des 2 feuillets l’un sur
l’autre : génère un contact étroit entre le poumon et la paroi thoracique (liquide non extensible).
j)
Conclusion
La ventilation est le mouvement des gaz entre le milieu extérieur et les alvéoles. Il se fait en 2 étapes
 convection dans les parties hautes des voies aériennes avec résistance à l’écoulement
 diffusion dans les zones les plus profondes : les gaz bougent par choc intermoléculaires.
La membrane alvéolo-capillaire sert à l’échange de gaz par diffusion, en fonction de gradients de pression,
avec une résistance.
Le sang riche en O2 part des poumons le sang enrichi en CO y retourne. Les mouvements sanguins se font
par convection.
fonction de conditionnement de l’air
rôle du mucus, épuration,
transport de l’eau et des électrolytes, réabsorption.
PC1 Physiologie respiratoire
page 13
III. MECANIQUE
VENTILATOIRE
Elle étudie les modifications de volume et de débit, l’ensemble des structures qui assurent la ventilation c'est
à dire le renouvellement de l’air dans les alvéoles.
A.
VENTILATION
C’est un phénomène périodique qui provoque alternativement une entrée (inspiration) et une sortie
(expiration) d’air. Ce mouvement d’air, lié aux variations de pression d’air, va de la haute pression vers la
basse pression.
A l’inspiration, l’air alvéolaire se trouve à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Les muscles
tirent sur la cage thoracique, la pression pleurale baisse, provoquant l’étirement des structures molles
(alvéoles). La pression dans les alvéoles diminue, l’air entre.
A l’expiration, le thorax revient dans sa position initiale, la pression pleurale augmente, comprime les
structures molles, la pression alvéolaire augmente, l’air sort.
1.
Inspiration
a)
diaphragme :
C’est le muscle respiratoire principal.
 La contraction (raccourcissement) des fibres
musculaires
d’insertion
provoque
le
raccourcissement
de
la
coupole
diaphragmatique qui s’abaisse de 1 à 1,5 cm :
augmentation du diamètre vertical. Au cours
d’une inspiration forcée, elle peut s’abaisser de
8 cm à 10 cm.
 Quand le diaphragme s’abaisse, la pression
abdominale augmente. Le centre de la coupole
s’appuie sur les viscères abdominaux : masse
liquidienne incompressible  les côtes
inférieures se déplacent en dehors et se
surélèvent ce qui du fait de leur double
courbure augmente le volume de la cage
thoracique par augmentation du diamètre
transversal du thorax.
La contraction du diaphragme agrandit le thorax dans les 3 dimensions de l’espace : augmente l’ampliation
thoracique.
La forme du diaphragme change en fonction de la position. En décubitus, il remonte un peu, son efficacité
est moindre en raison du poids des viscères.
L’abaissement du diaphragme refoule les viscères abdominaux et la paroi abdominale antérieure avance :
c’est ce qu’on appelle improprement la respiration abdominale. Elle disparaît lors de la paralysie
diaphragmatique (par exemple par section du nerf phrénique).
On peut l’explorer
PC1 Physiologie respiratoire
page 14
 en radiographie (clichés en inspiration et expiration) et en radioscopie (examens morphologiques).
 par la mesure de la pression transdiaphragmatique : d’autant plus importante que le muscle est efficace.
Une paralysie peut survenir sur un hémidiaphragme (post opératoire, tumeur) provoquant un mouvement
paradoxal du diaphragme : la partie non fonctionnelle remonte, repoussée par la pression abdominale.
L’efficacité du muscle dépend des conditions d’étirement. Dans l’asthme, les bronches sont rétrécies à
l’expiration,le diaphragme est refoulé vers le bas et moins fonctionnel.
Pour un sujet au repos, les mouvements du diaphragme expliquent 75 % de la respiration.
50 % des fibres diaphragmatiques sont des fibres lentes.
b)
Les muscles inspiratoires accessoires
Ils sont responsables de 25 % de la ventilation.
 Muscles intercostaux externes :
Obliques de haut en bas et d’arrière en avant.
Leur raccourcissement élève l’extrémité antérieure des côtes, projetant le sternum en avant, d’où une
augmentation des diamètres antéro-postérieur et transversal du thorax. Ils solidarisent les côtes et
empêchent l’aspiration intra-thoracique des espaces intercostaux par la baisse de pression intrathoracique à l’inspiration.
Leur paralysie réduit de 20 % les possibilités inspiratoires.
 Muscles sterno-cléido-mastoïdiens et scalènes : ils fixent la partie supérieure du thorax ; ils élèvent les
2 premières côtes à l’inspiration profonde : ils n’interviennent qu’en cas de ventilation sous-maximale ou
maximale, lors de l’exercice musculaire intense.
Les actions entre diaphragme et autres muscles inspiratoires sont coordonnées et simultanées. Quand la
ventilation augmente, la participation des autres muscles augmente.
2.
Expiration
Elle occupe 2/3 du temps ventilatoire.
Elle entraîne une réduction des dimensions du thorax. Les poumons diminuent de volume, la pression
alvéolaire augmente, provoquant l’issue de l’air.
Le phénomène est en réalité un peu plus complexe car il existe en réalité plusieurs types d’expiration :
 Expiration passive
c’est la relaxation brutale des muscles qui se sont contracté à l’inspiration : retour très rapide des
poumons et du thorax à la position d’équilibre. Ce type théorique d’expiration n’est en fait jamais
observé.
 Décontraction freinée :
la relaxation des muscles inspiratoires se fait de façon progressive : c’est le mode habituel au repos.
L’expiration dure deux fois plus longtemps que l’inspiration
 Expiration active :
elle fait intervenir les muscles expiratoires, quand la fréquence de ventilation est très rapide ou quand
le sujet expire profondément.
Ils sont représentés par :
 les muscles abdominaux qui relient côtes et sternum au bassin. Leur contraction augmente la
pression abdominale, remonte le diaphragme ce qui diminue le diamètre vertical du thorax. De plus,
ils abaissent les dernières côtes et réduisent les diamètres thoraciques antéro-postérieur et transversal.
(les muscles abdominaux, très puissants sont mis en jeu dans les phénomènes physiologiques qui
nécessitent une augmentation de la pression abdominale : toux, vomissements, défécation...et lors de
l’effort). Ce sont le grand oblique, le petit oblique, le grand droit, le transverse de l’abdomen.
 les muscles intercostaux internes, dans leur partie interosseuse, ils ont un rôle inverse des
intercostaux externes. Ils interviennent en se contractant pour stabiliser les côtes et éviter le
bombement des espaces intercostaux lors de l’expiration.
 Expiration contrôlée
PC1 Physiologie respiratoire
page 15
elle est adoptée lors du langage parlé, rire, pleurs, toux... Il y a une modulation du débit aérien par le
jeu du pharynx, du larynx, de la langue, des joues, des lèvres...
En définitive, l’action des muscles (système actif) sur la paroi thoracique (système passif) déforme la cage
thoracique.   P intrapleurale et alvéolaire
  Volumes (litres)
  débits (l/s) et  vitesse.
B.
VOLUMES VENTILATOIRES
Les volumes pulmonaires comprennent 3 volumes mobilisables et un volume non mobilisable (quand on
expire à fond, il reste un volume d’air dans le thorax).
On appelle traditionnellement « capacité » une somme de plusieurs volumes primordiaux:
1.
Méthodes de mesure
a)
spirométrie
Le volume d’air mobilisé s’étudie par spirométrie (mesure) et spirographie (enregistrement) en circuit fermé.
On relie les voies aériennes du sujet par un tuyau à un spiromètre ou spirographe en circuit fermé : cloche
qui se soulève et s’abaisse (la cloche flotte sur de l’eau). La cloche monte et descend au fur et à mesure de la
ventilation :
 la cloche s’abaisse et le stylet inscripteur s’élève (sens conventionnel) lorsque le thorax du sujet augmente
de volume : une certaine quantité d’air est passée de la cloche aux poumons (inspiration)
 la cloche remonte lorsque le thorax du sujet diminue de volume : une certaine quantité d’air est passée du
sujet à la cloche (expiration).
La liaison avec un traceur permet d’obtenir un spirogramme.
 bonne mesure de volumes
Si la cloche n’a pas de poids et qu’il n’y a pas de résistance de la tuyauterie : PV = nRT
Il faut une pression constante.
En permanence, le CO2 produit doit être absorbé (pour ne pas tuer le patient) et il faut amener de l’O 2 (pour
que la composition de l’air reste constante) : n doit être constant. Le système amène O2, eau, retire CO2.
Or VCO2 expiré  VO2 inspiré (varie en fonction de l’alimentation).
L’air mesuré est à 22°c.  il faut calculer quel serait le volume d’air à 37°.(tous les volumes sont exprimés en
BTPS alors que la cloche est en ATPS).
 on peut mesurer les volumes mobilisables et les débits moyens (VEMS)
b)
Pneumotacographie
Un pneumotachographe permet de mesurer des débits et, en intégrant, de mesurer des volumes.
Il est pourvu de petits tuyaux avec des hélices : plus
P
on souffle fort, plus les hélices tournent vite.
Un tube à lames métalliques est parcouru par un
courant laminaire : la résistance à l’écoulement est
constante.
 P est proportionnelle au débit.
o
P  R Q
Q
PC1 Physiologie respiratoire
page 16
 donne les volumes mobilisables, les débits moyens
et instantanés.
c)
Mesure des volumes non mobilisables
Les deux méthodes précédentes ne permettent pas la mesure des volumes résiduels : volume d’air qui reste
dans les poumons à la suite d’une expiration forcée.
On utilise
i
la méthode de dilution à l’hélium.
On fait respirer une certaine quantité d’hélium : gaz
peu soluble qui ne participe pas au phénomène de
diffusion : ne traverse pas la membrane alvéolocapillaire.
La quantité initiale d’hélium = Vi Ci
A la fin d’une expiration normale, on fait respirer au
sujet cet air contenant de l’hélium. A l’équilibre,
l’hélium est réparti de façon homogène.
quantité finale = quantité initiale
Vi Ci = (Vi + Vpulm) Cf
Vi Ci = Vi Cf + Vpulm Cf
Vpulm Cf = Vi Ci - Vi Cf
Vpulm Cf = Vi (Ci - Cf)
V pulm  Vi
Vi
Ci  C f
Cf
Vpulm = CRF si on débute la mesure à la fin d’une expiration normale.
ii Pléthysmographie
Guénard p 146
Le sujet est enfermé dans un enceinte hermétique, respire calmement par la bouche à l’extérieur de l’enceinte
; les variations du volume d’air contenu dans l’enceinte sont égales aux changements de volume pulmonaire.
Toute variation de pression ou de volume alvéolaire s’accompagne d’une variation de signe contraire de
pression ou de volume pléthysmographique.
A un moment donné, on obture le tuyau dans lequel il respire. Une tentative d’inspiration fait diminuer la
pression intra-thoracique. La pression extra-thoracique augmente.
On connaît le volume de la boîte, on peut mesurer la pression
P1V1 = P2 V2.
 mesure du volume de réserve. C’est dans cet air que se dilue l’air frais.
2.
Résultats
Les chiffres sont tous en BTPS.
Les volumes varient en fonction du sexe, de l’âge et de la taille. Intervient également la position : en
décubitus, le diaphragme est refoulé et les volumes sont plus faibles.
a)
Volumes mobilisables
Ils sont mesurables par spirométrie ou pneumotachographie.
PC1 Physiologie respiratoire
page 17
 VT : si le sujet est au repos, à l’état stable : les différents paramètres biologiques ont atteint un équilibre,
le volume d’air déplacé est constant, c’est le volume courant : VT (T = tidal : courant). Au cours d’un cycle
ventilatoire, on déplace 2 volumes courant.
Chez l’adulte moyen en bonne santé, VT = 0,5 l BTPS.
 C’est le volume qui entre ou sort des poumons lors de la ventilation de repos
 VRE : en fin d’expiration spontanée, le sujet est capable par un mouvement volontaire d’expulser un
volume supplémentaire d’air : le volume de réserve expiratoire : VRE.
Chez l’adulte le VRE = 1,5 l (1 à 2 l.).
 VRI : à la fin d’une inspiration spontanée, le sujet peut inspirer un volume d’air supplémentaire par un
mouvement volontaire forcé : volume de réserve inspiratoire : VRI.
Chez l’adulte, le VRI = 2,5 l BTPS (de 2 à 3) : il est supérieur au VRE.
Si on enregistre sur une courbe, on obtient le spirogramme.
6000
5000
volume de
res erve
inspiratoire
capacité
inspiratoire
4000
Capacité
vitalle
volume
courant
3000
2000
volume
pulmonaire
total
volume
de réserve
expiratoire
Capacité
rés iduelle
fonctionnelle
1000
b)
volume
rés iduel
volume
rés iduel
Volumes non mobilisables
VR : on n’expire pas la totalité de l’air contenu dans les poumons : le volume restant après une expiration
forcée est le volume d’air résiduel : VR = 1,5 l BTPS.
Il est très important à connaître. Il dépend de la taille et augmente avec l’âge, les conditions pathologiques :
asthme, emphysème : augmentation des volumes non ventilés.
Il ne peut pas être mesuré par spirométrie, mais par des méthodes de dilution de gaz (He) ou par
pléthysmographie.
c)
Capacités
Ce sont des sommes de valeur
PC1 Physiologie respiratoire
page 18
 Capacité vitale : CV : après avoir demandé au sujet une expiration maximale, on lui demande une
inspiration forcée : le volume d’air maximal mobilisé au cours d’un seul mouvement ventilatoire est
la capacité vitale : c’est la somme des volumes mobilisables.
CV = VT + VRI + VRE
CV = 5 l BTPS
Ce paramètre est fondamental : il est très important à mesurer en physiologie respiratoire car il donne
l’amplitude du souffle : il dépend de l’âge, du sexe, de la taille, de la morphologie.
Elle varie à peu près comme le cube de la taille du sujet. (I m : CV= 1 l ; 2 m : CV = 8 l)
 Capacité pulmonaire totale : CPT : c’est la somme de la capacité vitale et du volume résiduel. C’est le
volume maximal d’air que les poumons peuvent contenir la fin d’une inspiration maximale.
CPT = VR + CV
C’est la somme de tous les volumes.
Très important en pratique.
Le rapport VR / CPT représente la part de volume qui ne peut être mobilisé dans le volume total
contenu dans les poumons.
VR
1,5

CPT 6,5
Il ne dépasse pas 30 % chez le sujet jeune. Il augmente avec l’âge : 24 % chez l’enfant, 30 à 32 % à 70 ans :
la quantité d’air renouvelée à chaque ventilation par rapport au volume total est progressivement diminuée.
 On appelle capacité résiduelle fonctionnelle : CRF le volume contenu dans les poumons à la fin d’une
expiration normale : CRF = VR + VRE.
 Il se situe au niveau de relaxation thoraco-pulmonaire : facilement repérable à la fin d’une
expiration normale.
 C’est dans la CRF que se dilue le volume courant. Plus la CRF est grande, plus le renouvellement
de l’air est faible. Chez le sujet au repos, c’est la quantité d’air qui reste en permanence dans les
poumons.
 CRF = 3 l BTPS.
 Dans une mesure de dilution à l’He, on ouvre le circuit d’He à ce niveau, en fin d’expiration
normale (le plus stable).
On définit également

capacité inspiratoire : VT + VRI

capacité expiratoire : VT + VRE
C.
LES NIVEAUX
Les différentes positions privilégiées dans lesquelles peuvent se trouver le thorax (et donc les poumons) sont
ainsi définies :
PC1 Physiologie respiratoire
page 19
 position (ou niveau) de fin d’expiration normale
= position expiratoire du thorax ou niveau de
relaxation thoraco-pulmonaire. A ce niveau, il n’y
a pas de contraction musculaire. Au -dessus de ce
niveau, les muscles inspiratoires sont mis en jeu et
en dessous ce sont les muscles expiratoires. Le
thorax à tendance à s’expandre et le poumon à se
rétracter (cf. pneumothorax). C’est une position
importante. L’air inspiré se dilue dans le volume
d’air correspondant à ce niveau dans les
conditions de respiration de repos.
Les forces de distension thoraciques sont égales au
forces de rétraction élastique du poumon.
 position (ou niveau ) d’inspiration maximale,
 position (ou niveau) de fin d’inspiration
normale, parfois appelée position inspiratoire du
thorax ,
 position
(ou niveau) de fin d’expiration
maximale
D.
6000
niveau de fi n
d'ins pi ration
maximale
5000
4000
3000
niveau
d'ins pi ration
de repos
niveau d'expi ration
de repos
2000
niveau de fi n
d'expirati on
maximale
1000
DEBITS
L’intérêt de la mesure des débits ventilatoires apparaît nettement si on compare les performances
ventilatoires de 2 sujets qui ont les mêmes volumes et capacités pulmonaires mais dont l’un est capable de
les mobiliser rapidement et l’autre pas : il ne suffit pas d’avoir une grande capacité pulmonaire : il faut
pouvoir la mobiliser rapidement : intérêt de l’aspect dynamique : c’est l’étude des débits.
o
V
1.
V
t
Il s’agit des volumes mobilisés par unité de temps.
l.min-1 BTPS
l.s-1 BTPS
débits moyens
a)
la ventilation minute = ventilation totale de repos.
C’est la quantité d’air mobilisée en 1 mn : quantité d’air inspiré ou expiré en 1 mn.
VI  débit ventilatoire inspiratoire
VE  débit d ' air exp iratoire
VE  VI mais la différence est négligeable.
Le débit moyen expiratoire est légèrement inférieur au débit moyen inspiratoire mais dans le cadre de la mécanique ventilatoire, cette différence est
négligeable. Il y a plus d’O2 consommé que de CO2 produit. Une certaine quantité d’O2 consommé se retrouve sous forme d’H2O et non pas de CO2.
On appelle f la fréquence ventilatoire : c’est le nombre de cycles ventilatoires en une minute.
Le nombre est très variable, 12 en moyenne (5 à 20 selon les sujets).
La ventilation est égale à f x VT.
Au repos, VT est de l’ordre de 0,5 l BTPS (0,35 à 1 l selon les sujets)
 V
  12  0,5  6 l  mn1 BTPS
V
E
I
PC1 Physiologie respiratoire
page 20
La durée d’un cycle est donc de 5 secondes environ.
On mesure f par un système de spiromètrie (en circuit ouvert).
La combinaison f x VT varie selon l’état de veille, de la position, et selon l’activité physique. Ex :
 la montée en altitude augmente la ventilation. Cela permet de compenser partiellement la baisse de
pression partielle en oxygène.
 lutte contre le froid : augmentation modérée
 digestion : id.
b)
Ventilation maximale
C’est le volume maximum que l’on est capable de mobiliser en une minute : au cours de l’exercice physique,
elle peut atteindre 120 à 180 et même 200 l. mn BTPS. L’augmentation porte à la fois sur VT qui peut
dépasse CV / 2 et sur f qui peut atteindre 40 à 50 cycles par minutes.
Au cours de l’exercice, la fréquence ventilatoire et l’amplitude thoracique augmentent.
On ne peut pas ventiler avec une combinaison imposée, ni au repos ni à l’effort : chacun adopte la
combinaison idéale selon sa propre « personnalité » ventilatoire mais aussi selon son état de veille ou de
sommeil, sa position, son activité physique.
On ne mesure plus cette ventilation maximale minute : épreuve très fatigante et d’intérêt clinique mince.
c)
VEMS
Parmi les différents débits maximaux auxquels on peut s’intéresser, un seul est utile en pratique, le VEMS :
Volume expiratoire maximum seconde.
Il est facile à déterminer en spirométrie en demandant au sujet, après une inspiration maximale, d’expirer sa
capacité vitale aussi vite que possible. On mesure le volume expiré pendant la première seconde de cette
expiration : c’est la part de la CV expirée mobilisable en 1 s.
6000
5000
V
E
M
S
4000
3000
1s
2000
1000
PC1 Physiologie respiratoire
page 21
Le VEMS est de  4 l. BTPS.
CV = 5 l. BTPS
Chez un homme jeune :
Coefficient de Tiffeneau = VEMS / CV = 80%
Il a une signification fonctionnelle importante : il représente la part de la capacité vitale du sujet qui peut être
mobilisée en 1 seconde.
Toute mesure de ventilation comporte la mesure du rapport de Tiffeneau.
Ce rapport diminue avec l’âge : la mobilisation de la capacité vitale est de moins en moins rapide.
Le rapport est bas chez les sujets qui ont une résistance anormale à la mobilisation de l’air. Ex : asthme,
bronchite chronique.
Il se mesure par spirograhie ou pneumotachographie.
2.
Débit ventilatoire instantané
C’est la dérivée du volume ventilé : c’est la quantité d’air qui passe au niveau de la bouche par unité de
temps, mesurée par un pneumotachographe. Le nez est obturé par un pince-nez.
Le débit ventilatoire instantané est exprimé en l BTPS. mn-1. On peut l’étudier
 en fonction du temps : la courbe obtenue est un pneumotachogramme
 en fonction du volume des poumons : la boucle obtenue est appelée boucle débit-volume.
i
Pneumotachogramme:
c’est une courbe périodique irrégulière autour d’une valeur nulle.
Les inspirations et les expirations alternent. Les points de débit nul correspondent aux points d’inversion du
flux ventilatoire. Le temps d’expiration est supérieur au temps d’inspiration : ce n’est pas une sinusoïde
parfaite. ( 1/3 - 2/3).
V
On enregistre le volume de façon
synchrone au débit : le maximum de l’un
et le minimum de l’autre sont sur les
mêmes repères de temps : au débit nul
correspond le maximum de volume.
Au cours de la ventilation de repos, les
débits instantanés maximaux mesurés à
l’inspiration ou à l’expiration sont
d'environ  0,5 l BTPS. sec-1.
Puisque le débit instantané est la dérivée
du volume déplacé, les surfaces inscrites
entre la courbe et l’axe des abscisses sont
égales au volume courant. On peut
d’ailleurs facilement enregistrer de façon
synchrone à la courbe des débits celle des
volumes après intégration par rapport au
temps du signal des débits (spirogramme).
ii
lBT PS. s -1
inspiration
fin
d'inspiration
débit
nul
5s
0
temps
Pneumotachogramme
expiration
V
lBT PS.
0,5
Spirogramme
niveau de
relaxation
boucle débit-volume
La boucle débit-volume est une courbe fermée obtenue au cours d’un cycle ventilatoire par un point dont, à
chaque instant, l’abscisse est égale au volume pulmonaire et l’ordonnée au débit ventilatoire. La boucle
débit-volume, obtenue lors d’un cycle ventilatoire forcé est devenue depuis quelques années une méthode
PC1 Physiologie respiratoire
page 22
d’exploration fonctionnelle très courante : exploration de base en exploration fonctionnelle respiratoire
(EFR)
Exemple : dans l’asthme, les bronchioles se ferment : la courbe est incurvée, le débit de pointe diminue.
A l’expiration suivant une inspiration forcée (point 0) : le débit augmente très vite puis, plus le sujet souffle,
plus le débit diminue.
Débit
(l.s-1)
10
Débit
peak flow
(l.s-1)
DEP : débit expiratoire
de pointe
10
8
8
6
6
Syndr
restrictif
Syndr
obstuctif
(asthme)
expiration
4
4
2
expiration
forcée
0
75 %
inspiration
forcée
normal
50 %
ventilation
de repos
inspiration
25 %
Capacité vitale
2
Volume (l)
Volume (l)
0
75 %
50 %
25 %
Capacité vitale
PC1 Physiologie respiratoire
page 23
Débit
(l.s-1)
10
peak flow
DEP : débit expiratoire
de pointe
8
6
expiration
4
2
expiration
forcée
0
75 %
inspiration
forcée
50 %
25 %
ventilation
de repos
inspiration
Boucle débit-volume normale
Capacité vitale
Volume (l)
PC1 Physiologie respiratoire
E.
page 24
CONCLUSION
Il faut garder en mémoire que c’est le diaphragme qui fait varier la pression intra-thoracique et qui fait
mobiliser l’air.
inspiration
expiration
Electromyogramme
du diaphragme
expiration
freinée
V
lBT PS. s -1
5s
0
temps
Pneumotachogramme
V
lBT PS. 0,5
Spirogramme
niveau de
relaxation
+1
Pression
alvéolaire
mm Hg
-1
mm Hg
Pression
intrapleurale
-4
-8
i
e
PC1 Physiologie respiratoire
page 25
Les pressions alvéolaires et intra-pleurales sont mesurées par rapport à la pression atmosphérique.
La pression intra-pleurale est un peu en avance : décalage à gauche. L’intervalle est d’autant plus
grand que la respiration est rapide : force motrice est transmise à la plèvre qui la transmet au milieu
alvéolaire...
PC1 Physiologie respiratoire
page 26
IV. VENTILATION
A.
ALVEOLAIRE
INTRODUCTION
Jusque là, nous avons vu les entrées d’air dans le poumon, mais c’est la quantité de cet air qui va participer
aux échanges qui est intéressante : la mixique alvéolaire.
La composition de l’air dans les alvéoles est différente de celle de l’air ou du sang : compartiment
intermédiaire entre air et sang.
Quand on inspire 500 ml, ils vont se diluer dans la CRF (VR + VRE  3 l) : ces 500 ml se diluent dans un
grand volume d’air vicié.
PO2 capillaire < PO2 alvéolaire < PO2 air
PCO2 capillaire > PCO2 alvéolaire > PCO2 air
L’air alvéolaire n’est jamais l’air ambiant.
Il existe un espace mort : les 16 premiers niveau de
division bronchique 
 quand on inspire 500 ml, il reste 1/3 du volume
inspiré dans l’espace mort anatomique où il n’y a
pas d’échange gazeux.
 à l’expiration, on souffle l’air propre (150 ml) puis
les deux autres tiers qui sont de l’air vicié, dont un
reste dans l’espace mort anatomique.
VD
Relaxation
fin d'inspiration
fin d 'expiration
 En inspiration, sur les 500 ml inspirés
 150 sont viciés et viennent de l’espace mort
 200 ml sont de l’air frais
 150 ml sont du gaz frais qui reste dans les voies aériennes.
 En expiration
 150 ml de gaz frais
 200 ml d’air vicié
 150 ml qui restent dans l’espace mort (air vicié).
L’air frais se dilue dans l’air vicié et on inspire un peu d’air vicié au début.
D’autre part, le sang continue pendant toute la durée du cycle à pomper l’O2 alvéolaire.
 il faut avoir une assez grande CRF parce que c’est le compartiment tampon entre l’air et le sang.
Si la CRF est trop petite, au cours de l’expiration l’O2 devient insuffisant : manque pendant 2/3 du temps.
Si la CRF est trop grande, l’air inspiré se dilue dans une trop grande quantité d’air vicié : pas assez de
renouvellement.
 cet espace mort anatomique est gênant à l’inspiration, mais il faut qu’il soit assez grand pour que l’air soit
humidifié et purifié. Il ne faut pas qu’il soit trop grand (cf tuba).
Parfois on utilise une trachéotomie pour ventiler : diminue l’espace mort anatomique.
PC1 Physiologie respiratoire
B.
page 27
METHODE DE MESURE DE LA VENTILATION ALVEOLAIRE
Il faut des capteurs de débit ou de volumes : spiromètre ou pneumotachographe. Il faut connaître le volume
qui entre et qui sort, et des analyseurs d’O2 et CO2 pour mesurer les différences entre air inspiré et expiré.
Tout le CO2 produit vient du volume alvéolaire :
o
o
o
V CO 2  V A  FACO 2
o
VA
V
lBT PS. s -1
V CO2
FACO 2
Le capnigramme mesure la quantité de CO2 produite
à la bouche
5s
0
temps
Pneumotachogramme
Première partie du capnigramme : pas de mouvement
respiratoire : la fraction de CO2 et celle de l’air
ambiant : nulle. Au début de l’expiration : l’air
trachéal est de l’air frais (toujours sans CO2).
Puis l’air provient des alvéoles : le pourcentage de
CO2 augmente rapidement puis plus lentement.
A la fin de l’expiration, on souffle de l’air alvéolaire
contenant 6 % CO2.
6%
FA CO2
% 0,5
0%
Capnigramme
o
On peut aussi mesurer
V
CO 2
totale (en faisant souffler dans un ballon)
o
o
V CO 2  V E  FECO 2
o
dans
débit d’air expiré
 on peut connaître V ACO 2
C.
fraction CO2
l’air expiré
RESULTATS
La ventilation alvéolaire est la fraction du volume inspiré qui participe aux échanges gazeux.
VT = VA + VD : le volume courant est la somme du volume alvéolaire et de l’espace mort anatomique.
f.VT = f.VA + f.VD : le débit est la somme du débit alvéolaire et de celui de l’espace mort.
o
o
o
o
o
o
 V E  V A  V D soit : V A  V E  V D
o
o
V A  V E  (1  VD )
VT
o
Au repos V A = 6 - (12 x 0,150)
o
 V A = 4,2 l.min-1
PC1 Physiologie respiratoire
page 28
La ventilation alvéolaire augmente à l’effort; on peut l’augmenter par la fréquence ou par le volume.
 Si on augmente uniquement la fréquence : pas très rentable pour la ventilation alvéolaire, car en passant
d’une fréquence de 12 à 18, on ventile 18 fois l’espace mort.
 Si on augmente le volume : beaucoup plus rentable : en faisant passer le volume de 0,5 à 1,5 on ne ventile
qu’une fois VD.
La ventilation alvéolaire s’adapte spontanément pour que le travail de la ventilation soit minimal.
Si on halète, on ne ventile que l’espace mort : cela ne sert au chien après une course que pour évacuer la
chaleur.
L’augmentation de la ventilation alvéolaire est d’autant plus forte que le sujet est entraîné (il augmente
surtout le volume et peu sa fréquence).
Les points de côté : ce sont des zones d’hypoxie musculaire parce que la ventilation alvéolaire n’est pas
assez efficace.
VD se mesure par moulage des voies aériennes sur le cadavre.
Il est fonction du sexe, de l’age et de la taille.
Il est estimé par la formule : VD (ml) = masse corporelle x 2.
La ventilation apporte 350 ml d’air frais dans la zone alvéolaire : air atmosphérique.
La fraction est le rapport de la pression d’un composant du mélange gazeux sur la pression du gaz.
 PO2  21 % (20,94 %) : fraction
constante quel que soit le lieu
(altitude...)
 PCO2  0 % (0,03 %)
 PN2 = 79 %
 les gaz rares sont en quantité infime.
V
lBT PS. s -1
temps
5s
0
Pneumotachogramme
Pression totale : 760 mm Hg
 air sec :
 PO2 = 159 mm Hg
 reste PN2 = 611 mm Hg.
 Mais l’air peut se charger en H2O : à
37° PH2O = 47 mm Hg 
 PO2 = 150 mm Hg
 PCO2= 0 mm Hg
 PH2O = 47 mm Hg
 PN2 = 567 mm Hg.
 Cet air va se diluer dans un certain
volume pour devenir de l’air alvéolaire
:
 paO2 = 100 mm Hg (14 %)
 paCO2= 40 mm Hg (5 - 6 %)
 paH2O = 47 mm Hg
 paN2 = le reste.
 l’air expiré est un mélange de gaz
alvéolaire et d’air atmosphérique
 paO2 = 100 mm Hg (14 %)
 paCO2= 40 mm Hg (5 - 6 %)
 paH2O = 47 mm Hg
6%
FA CO2
%
0%
Capnigramme
FA O 2
%
21 %
14 %
Oxygramme
L’oxygramme permet de mesurer par capteur l’évolution de la fraction d’oxygène de
l’air à la bouche :
PC1 Physiologie respiratoire
D.
page 29
ESPACE MORT PHYSIOLOGIQUE
Certaines alvéoles sont ventilées ou mal perfusées : elles ne sont pas rentables pour les échanges gazeux.
L’espace mort physiologique est la somme de l’espace mort anatomique V D et des espaces alvéolaires ne
participant pas aux échanges par défaut de perfusion ou de ventilation.
Normalement, l’écart est faible : 25 ml BTPS d’espace mort alvéolaire, le volume mort total passant de 150 à
175 ml BTPS. Il peut devenir important dans certaines conditions pathologiques (embolie pulmonaire : caillot
bloquant la circulation). Des mécanismes physiologiques vont tendre à adapter au maximum la ventilation à
la perfusion (broncho-motricité).
HETEROGENEITE DE L’AIR ALVEOLAIRE
E.
Il existe dans la réalité de grandes différences de ventilation alvéolaire. Les chiffres donnés sont des chiffres
moyens.
1.
Hétérogénéité de distribution (de ventilation)
a)
Inégalité de longueur des voies aériennes
des zones alvéolaires sont plus éloignées de la carène que d’autres
 les alvéoles proches sont remplies en premier : les alvéoles plus proches des voies aériennes sont plus
riches en O2 que celles qui sont loin.
b)
Remplissage séquentiel :
toutes les zones ne se remplissent pas et ne se vident pas en même temps.
c)
Diffusion des gaz
A la périphérie, il y a des phénomènes de diffusion des gaz. Cela n’est pas immédiat : dépend du temps de
transit des GR dans les capillaires 1 GR passe en 1 sec devant une alvéole. L’échange gazeux se fait pendant
le premier tiers de la traversée : Cf capnigramme : modification rapide au début puis phase de plateau.
d)
Action de la pesanteur
Les alvéoles des bases vont être écrasées par le poids du poumon. Les alvéoles du sommet vont être
relativement ouvertes. Mais au cours de l’inspiration suivante, on tire sur la cage thoracique : on distend plus
les alvéoles déjà fermées que celles qui sont déjà ouvertes.
 les bases sont mieux ventilées que les sommets
Dans les sommets, la concentration en gaz varie moins, et la concentration en CO2 est plus riche, celle en O2
plus pauvre, mais ces zones sont également moins bien ventilées.
Si on se couche sur le dos (décubitus dorsal), c’est la position déclive qui est la mieux ventilée.
e)
Variation de concentration des gaz alvéolaires dans le temps
En inspiration, [CO2]  5 - 6 %, puis continue à augmenter pendant l’entrée du VD. Puis quand l’air frais
arrive, [CO2] . A l’expiration, c’est l’inverse.
PC1 Physiologie respiratoire
page 30
[O 2]
[CO2]%
100 mm Hg
6
4
40 mm Hg
temps
inspiration
f)
expiration
Bronchomotricité
Elle est liée à une stimulation du système nerveux
 ACh : bronchoconstricteur (M4 :  AMPc)
 NA : bronchodilatateur (2 :  AMPc).
L’alvéole peut faire suite à un bronche ouverte ou fermée.
Il y a surtout des phénomènes humoraux
bronchoconstriction hypoxique
bronchodilatation hypercapnique.
2.
Hétérogénéité liée à la perfusion
Certaines alvéoles vont être mal ou trop perfusées (trop perfusée :  [CO2] alvéolaire).
 la composition de l’air alvéolaire varie en fonction de la perfusion.
3.
Equilibre ventilation - perfusion
L’air alvéolaire est variable, mais ces variations sont faibles :  4 %, et cela n’influence pas le
fonctionnement du poumon puisqu’il y a normalement un couplage ventilation / perfusion.
 il existe une bonne congruence ventilation - perfusion.
o
Le rapport
VA
o
QC

4,2 l. min -1
5 l. min
-1
 0,85
Influence de la pesanteur : les bases sont mieux ventilées. Elles sont également mieux perfusées : en station
verticale, les vaisseaux pulmonaires sont plus volumineux aux bases (cf radio pulmonaire).
Mécanismes locaux d’auto-régulation :
 Contrôle local de la ventilation : par la pression de CO2 :
 bronchoconstriction hypocapnique : faible concentration en CO2  fermeture des petites
bronches. L’origine est une mauvaise perfusion des alvéoles.
 Contrôle local de la perfusion : par la pression en O2.
 vasoconstriction hypoxique : quand la ventilation devient insuffisante PAO2   vasoconstriction
artériolaire  meilleure vascularisation des zones mieux ventilées.
PC1 Physiologie respiratoire
F.
page 31
CONCLUSION
Ce qui est important est la ventilation alvéolaire. Ce qui est au-dessus, ce sont les voies de transmission.
La ventilation alvéolaire permet le renouvellement des gaz.
 O2 :
 air ambiant : pression de 150 mm Hg
 alvéoles : PAO2 = 100 mm Hg.
 dans le sang, cette pression est plus faible : 40 mm Hg à l’entrée des capillaires.
 après les échanges gazeux : PaO2 = 95 à 100 mm Hg.
L’O2 se déplace en fonction d’une cascade de gradient de pression.
 CO2 :
 PvCO2 = 45 mm Hg
 PaCO2 = 40 mm Hg
 PextCO2 = 0
 les mouvements des gaz sont liés aux gradients de pression.
Cet air alvéolaire est une composition moyenne.
Toutes les alvéoles n’ont pas le même gaz, mais globalement, la composition de l’air alvéolaire reste stable.
Des mécanismes fins de régulation locaux permettent l’ajustement réciproque de ventilation et perfusion.
l’hyperventilation à l’effort permet de maintenir les concentrations stables.
En altitude, la pression alvéolaire diminue, à 3000 m, PO2 = 110 mm Hg. Il est probable que toutes les autres
pressions sont réduites.
Les pressions alvéolaires peuvent varier en pathologie.
PC1 Physiologie respiratoire
page 32
V.
A.
DIFFUSION
AVLEOLO-CAPILLAIRE
INTRODUCTION
La diffusion est l’échange d’O2 et de CO2 entre le gaz alvéolaire et le sang ; c’est un phénomène passif
uniquement en fonction d’un gradient de pression. (traverse les 6 couches de la membrane).
o
Par analogie à U = RI (I a les dimension d’un débit) PX  RV X
o
VX 
PX
R
_
P c = pression capillaire moyenne
PA =pression alvéolaire
o
Plus R , plus V 
R  facilite le passage des gaz
 P également.
On ne parle pas de résistance mais de conductance : inverse de la résistance : DL 
1
R
la conductance est appelée capacité de diffusion et on écrit :
o
V
DL  X
PX
B.
METHODE DE MESURE
o
DL 
V
P
 Il faut mesurer le débit : la quantité d’air qui entre et celle qui sort
_
 il faut mesurer P = PA - P c : la différence de pression dans l’alvéole et la pression capillaire moyenne.
On ne peut pas mesurer la capacité de diffusion de l’O2 ou du CO2 parce qu' il faut connaître la
pression alvéolaire (ce qui est possible) et une pression capillaire moyenne (impossible à mesurer, les
capillaires étant tous différents).
 On utilise le CO : gaz toxique. On fait inspirer du CO (équivalent de 2 cigarettes).
_
 CO a une très forte affinité pour l’hémoglobine  P c CO = 0
o
 V CO = quantité de CO qui passe dans les poumons (volume inspiré x f - volume expiré)
 PACO est mesurée comme pour l’oxygramme et le capnigramme par un analyseur, en fin d’expiration.
 DLCO est mesurée en ml.min-1.mm Hg-1.
Intérêt pratique : apprécie la perméabilité membranaire, la facilité des gaz à traverser la membrane.
PC1 Physiologie respiratoire
C.
page 33
FACTEURS QUI INFLUENCENT LA DIFFUSION
CO est pris en charge par l’hémoglobine.
2 résistances en série :
 membranaire : 6 couches (M)
 liée au passage du CO dans le plasma et à travers la membrane du GR (érythrocyte : E).
1
1
1


DL DM DE
DM dépend de 4 facteurs :
DM 

m

s
e
  : solubilité du gaz
elle est fonction de la nature du gaz, le liquide dans lequel il est dissout :
 l’hélium a une solubilité parfaite
 N2 est presque insoluble
 plus le gaz est soluble, plus il passe facilement la membrane.
 de CO2 est de plus de 20 fois celui de O2 : malgré un gradient très faible , le CO2 est très diffusible.

m : racine de la masse moléculaire. Plus le gaz est petit, plus il passe la membrane facilement.
 s : surface membranaire : plus la surface est grande, plus le gaz passe facilement (au maximum : 80 à 140
m²).
 e : épaisseur de la membrane : 0,2 à 0,5 µ. Plus la membrane est épaisse, moins le passage est facile.
 la résistance est en partie liée aux propriétés du gaz et en partie aux caractères purement membranaires.
1
Autres facteurs :
DE
 la quantité de GR : plus ils sont nombreux, plus le nombre de capillaires est important, plus la diffusion
est importante.
 la qualité de l’hémoglobine
 l’hémoglobine foetale prend en charge O2 plus vite
 Hb des thalassémies : prise en charge moins rapide.
D.
RESULTATS
Pression alvéolaire :
 O2 : 100 mm Hg
 CO2 : 40
Pression veineuse :
 O2 : 40 mm Hg
 CO2 : 45
Pression artérielle :
 O2 : 95 à 100 mm Hg
 CO2 : 40
100 mm Hg
40 mm Hg
45 mm Hg
40 mm Hg
volumes transférés :
250 ml d’O2 dans le sang par minute
250 ml de CO2 passent dans les alvéoles, parfois un peu moins.
95 - 100 mm Hg
40 mm Hg
PC1 Physiologie respiratoire
E.
page 34
CONCLUSION
Pour apprécier les échanges entre alvéole et sang, on ne peut pas mesurer la diffusion de O2 ni de CO2, mais
elle est possible avec CO.
Les facteurs importants sont la surface et l’épaisseur de la membrane.
100 mm Hg
Normalement, les échanges sont rapides et
complets : l’ensemble des gaz passe pendant le
premier tiers de la traversée alvéolaire. Un GR
passe devant plusieurs alvéoles : si le premier
passage n’a pas permis la diffusion, elle se fera au
passage de la 2e ou de la 3e alvéole.
40 mm Hg
0
1 s ec
Ceci explique que l’oxygénation puisse se faire au cours de l’exercice physique.
Si le débit cardiaque augmente, le temps de transit est réduit, mais la diffusion a encore le temps de se faire.
PC1 Physiologie respiratoire
page 35
VI. TRANSPORT
DES GAZ DANS LE SANG
O2 et CO2 sont dans le sang sous 2 formes :
 dissoute : exerce une pression .
 combinée : pas de pression.
A.
POUR O2 :
forme dissoute = 1 %
forme combinée : 99 %. La combinaison se fait avec l’hémoglobine contenue dans les GR. La quantité totale
transportée dépend
 de la quantité d’Hb (normalement 15 g/l)
 de la pression en O2.
Dans le sang artériel, au total, 20 ml O2 sont contenus dans 100 ml de sang. P = 95 mm Hg.
Dans le sang veineux : 15 ml O2 sont contenus dans 100 ml de sang. P = 40 mm Hg.
(les volumes en phase soluble sont exprimés en STPD)  consommation d’O2 en STPD.
B.
POUR CO2 :
 forme dissoute = 5 %
 forme combinée : 95 %. La combinaison se fait
 avec l’eau  bicarbonate
H2O + CO 2
anhydrase
carbonique
HCO 3- + H+
H2CO3
 avec des protéines dont Hb pour
former des composés carbaminés.
La quantité de CO2 transporté dépend
 de la quantité de protéines
 de la PCO2 : plus elle est élevée, plus la forme combinée est importante
sang artériel, 54 ml CO2 dans 100 ml de sang. P = 45 mm Hg.
sang veineux : 49 ml CO2 dans 100 ml de sang. P = 40 mm Hg.
Pression partielle des gaz
mm Hg
volume des gaz dans le
sang
VgazSTPD/100ml sang
_
Pv
Pa
O2
40
95
CO2
45
N2
570
_
Cv
Ca
O2
15
20
40
CO2
54
49
570
N2
1
1
La pression alvéolaire en O2 PAO2 est de 100
La différence du contenu artériel et veineux en
PC1 Physiologie respiratoire
mm Hg
page 36
oxygène est de 5 ml, comme pour le gaz
carbonique : il y a autant d’O2 si entre que de
CO2 qui sort : QR = 1
 dans le sang il y a 2,5 fois plus de CO2 que d’O2.
C.
TRANSPORT DES GAZ
Le sang oxygéné est distribué à la périphérie grâce au débit cardiaque : 5 l.min-1 au repos.
Insuffisance cardiaque  hypoxie.
arrêt cardiaque  mort en 3 min : les cellules cérébrales ne sont plus alimentées  mort par arrêt respiratoire.
D.
SHUNT
 Shunt anatomique vrai
 circulation bronchique : le sang veineux bronchique est repris par les veines pulmonaires
 veine de Thébésius (myocarde)
 Shunt physiologique :les alvéoles perfusées et non ventilées voient repartir du sang veineux vers l’OG.
Ces shunts sont responsables d’une contamination du sang artériel par du sang veineux. Cela représente
moins de 3 % du débit cardiaque.
La pression alvéolaire en O2 est de 100 mm Hg, celle de l’artère de 95 mm Hg. Or la diffusion est complète.
S'il y a moins d’O2 dans le sang artériel que dans l’air alvéolaire, c’est que du sang veineux s’est jeté dans le
sang artériel.
E.
CONCLUSION
La petite circulation forme un réseau capillaire dense autour des alvéoles. Les pressions hydrostatiques y
sont faibles.
Le sang veineux des artères pulmonaires est artérialisé dans les veines pulmonaires. Le poumon est le seul
organe à recevoir la totalité du débit cardiaque.
Les poumons, outre leur fonction métabolique, permettent l’hématose c'est à dire les mécanismes d’échanges
de gaz entre les alvéoles et le sang.
PC1 Physiologie respiratoire
page 37
VII. LES
ETAPES SUIVANTES
La pression en O2 diminue eu fur et à mesure que
l’on s’éloigne du coeur : les cellules pompent
l’oxygène. Le CO2 augmente au niveau du site de
production.
La pression en O2 diminue de l’air vers les tissus.
La pression est une force par unité de surface. Elle
diminue du fait des résistances.
A chaque étape, la consommation d’O2 est la
même.
Les volumes sont identiques quel que soit
l’endroit
les pressions changent.
air
150
diffusion
shunt
100
97
95
tissus
PC1 Physiologie respiratoire
page 38
VIII.EQUILIBRE
A.
VENTILATION/PERFUSION
INTRODUCTION
L’air alvéolaire est variable, mais ces variations sont faibles :  4 %, et cela n’influence pas le
fonctionnement du poumon puisqu’il y a normalement un couplage ventilation / perfusion.
 il existe une bonne congruence ventilation - perfusion.
o
Le rapport
VA
o
QC

4,2 l. min -1
5 l. min -1
 0,85
(il change pendant l’exercice physique).
B.
INFLUENCE DE LA PESANTEUR :
Les bases en station verticale sont mieux ventilées car elles sont comprimées à l’expiration. Au sommet, les
alvéoles sont déjà ouvertes en expiration et elles ne le seront pas beaucoup plus en inspiration.
Elles sont également mieux perfusées : en station verticale, les vaisseaux pulmonaires sont plus volumineux
aux bases (cf radio pulmonaire) et les pression sont plus importantes aux bases qu’aux sommets. En
décubitus, c’est la partie postérieure qui est le mieux ventilée et perfusée.
C.
MECANISMES LOCAUX D’AUTO-REGULATION :
Ils permettent à une partie du poumon d’adapter la ventilation à la perfusion à partir de la composition en gaz
des alvéoles :
 Contrôle local de la ventilation : par la pression de CO2 :
 bronchoconstriction hypocapnique : faible concentration en CO2  fermeture des petites
bronches. L’origine est une mauvaise perfusion des alvéoles :  . [CO2] alvéolaire
 bronchodilatation hypercapnique : moins important en physiologie. (Si les alvéoles contiennent
beaucoup de CO2, les bronches s’ouvrent pour le laisser sortir).
 Contrôle local de la perfusion : par la pression en O2.
 vasoconstriction hypoxique : quand la ventilation devient insuffisante PAO2   vasoconstriction
artériolaire  meilleure vascularisation des zones mieux ventilées.
 vasodilatation hyperoxique
 ces mécanismes (dont 2 sont importants) améliorent les échanges sang - alvéole.
Résumé :
 ventilation
conséquence
adaptation
secondaire
 perfusion
conséquence
adaptation
secondaire
(perfusion
 PAO2
(bronchodilatation)
(ventilation
 PAO2
excessive)
 PACO2
vasoconstriction
excessive)
PACO2
bronchoconstricti
on
(vasodilatation)
PC1 Physiologie respiratoire
page 39
o
D.
MODIFICATION DU RAPPORT
VA
o
EN PATHOLOGIE
QC
Quand les mécanismes d’autorégulation sont dépassés, les rapports augmentent ou diminuent dans une zone
pulmonaire et l’efficacité des échanges est moindre  anomalie des gaz du sang.
 moins de O2 et plus de CO2 dans le sang artériel.
1.
La diminution de la ventilation provoque un effet shunt


o
VA

o
QC
 PAO2 
 PACO2 
le sang veineux le reste à la sortie du poumon : pas de renouvellement, la circulation est gaspillée, le travail
du coeur augmente
Exemple : corps étranger inhalé.
2.
La diminution de la perfusion provoque un effet espace mort


o
VA

o
QC
 PAO2 
 PACO2 
la ventilation est gaspillée, le travail ventilatoire augmente dans le reste du poumon  épuisement. La
chute de PACO2 a une répercussion sur les centres nerveux :  ventilation.
Exemple : embolie pulmonaire.
3.
Les perturbations peuvent être mixtes :
Association de zones mal perfusées et d’autres mal ventilées (tuberculose).
E.
CONCLUSION
L’air alvéolaire est stable : des mécanismes fins de régulation locaux permettent l’ajustement réciproque de
ventilation et perfusion.
PC1 Physiologie respiratoire
page 40
IX. CONSOMMATION D’O2
1.
Introduction
Le but de la respiration est d’apporter O2 aux cellules et d’éliminer CO2.
Ces flux sont nécessaires à l’oxydation des nutriments pour fournir de l’énergie (ATP).
Glucose : C6 H12 O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
la réaction se produit dans les muscles, les cellules : ce sont les cellules qui pompent l’O2 et rejettent CO2.
La consommation d’O2 est le débit d’O2 prélevé par l’organisme. C’est la quantité d’O2 consommée par les
cellules par unité de temps.
La production de CO2 est la quantité de CO2 éliminée par l’organisme par unité de temps.
On les note :
2.
o

V O 2 : consommation d’O2

V CO 2 : production de CO2
o
Méthodes de mesure
o
On peut mesurer V O2 à chaque niveau
o
o
au niveau des poumons V O2 = V E   FIO2  FEO2 (1)
en considérant VE et VI identiques (ce qui est faux)
o
-
au niveau de la membrane d’échange : V O2 = DLO2  (PAO2  P C O2 ) (2)
-
P C O2 est la pression moyenne en O2 dans les capillaires (non mesurable)
Au niveau du sang : la quantité d’O2 à la sortie du poumon moins la quantité d’O2 à l’entrée.
_ 
o
o 
V O2 = Q c   CaO2 - C v O2 (3)


_
CaO2 - Cv O2 sont connus. Qc est le débit cardiaque.
En général, on utilise la première formule avec un pneumotachographe et un analyseur d’oxygène.
-
La formule (2) ne peut pas être utilisée car P C O2 ne peut être mesurée
On peut se servir de (3), mais c’est une méthode invasive (par cathétérisme).
Généralement elle est utilisée pour calculer le débit cardiaque.
o
-1
Q c  = 5 l.min
CaO2 = 20 ml/100 ml de sang = 0,2 lSTPD.l-1
_
Cv O2 = 12 ml/100 ml de sang = 0,15 lSTPD.l-1
o
V O2 = 5000 x 0,2 - 0,15
o
V O2 = 250 ml.min-1
PC1 Physiologie respiratoire
3.
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Résultats
A 37°, l’air est saturé en vapeur d’eau quand il entre dans le poumon (BTPS). La consommation d’O 2
s’exprime en STPD (car à la fois sous forme gazeuse et sous forme liquide : dans le sang.)
 l.min-1
 ml.min-1.kg-1
Le résultat dépend des individus : du sexe, de l’âge, de la taille, du poids.
o
Il varie en fonction des activités : V O2 est plus faible au repos que pendant la période digestive, pendant
l’exercice physique. Pendant le sommeil, la consommation est plus faible que pendant le repos.
Pour un adulte de taille moyenne au repos :
o
o
o
V O2 = 250 ml.min-1. ( V IO2 - V EO2 = 1250 ml.min-1 - 1000 ml.min-1).
Le facteur principal d’augmentation de la
consommation d’O2 est l’exercice.
VO 2
l.min-1
o
 V O2 proportionnelle à la puissance (sauf au
début).
La consommation augmente jusqu’à un maximum
:
 3 l pour un sédentaire
 4,5 l : sport d’endurance
 6 l chez un cycliste, un marathonien.
La consommation maximale est variable en
fonction des individus et de l’entraînement.
VO 2 max
0,25
W (w atts)
o
A partir d’un certain niveau, la V O2 n’augmente
plus.
Chez un sédentaire, l’étape limitante est le coeur.
Chez un sportif de haut niveau : c’est la
membrane alvéolo-capillaire.
o
Intérêt de la mesure de V O2 max :
 Chez les sportifs : elle permet de mesurer l’efficacité de l’entraînement.
 Chez les myopathes elle diminue : permet d’évaluer la dépense énergétique et donc le calcul de la
quantité de nutriments à apporter.
4.
Production de CO2
Elle est due à l’oxydation cellulaire. Le trajet est inverse de l’O2.
La production de CO2 varie en fonction des métabolites consommés :
Glucides : C6 H12 O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
lipides (palmitate) : 6 O2  4 CO2 + 4 H2O
 on ne produit pas autant de CO2 que l’on consomme d’O2. Une partie d’O2 est éliminée sous forme d’H2O.
o
5.
Quotient respiratoire : R ou QR
R
V CO2
o
V O2
R permet en situation de repos d’apprécier le métabolisme d’un sujet
 Le rapport est égal à 1 si on consomme des glucides
 0,7 si on consomme des lipides
 0,85 si on consomme des protides (moins important).
 explique que VI > VE .
A l’exercice, au début, les glucides sont consommés : R = 1. Les muscles oxydent le glycogène. Si on court 2
ou 3 h, tout le glucose a été consommé : on consomme des lipides, R = 0,7.
Pour maigrir, il faut marcher : consommation de lipides et non de glucides.
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Si on fait un effort très violent : plus assez d’O2, on passe en métabolisme anaérobie, avec production de
lactates.
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