PHYSIOLOGIE RESPIRATOIRE Introduction Définition La

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 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.
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).

 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...
 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.
poumons
voies aériennes
PAlvéolaire
P pleurale paroi thoraco
abdominale

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).
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.
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
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.
 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,  2)
 dans l’asthme, la broncho- 2 mimétiques (ventoline).
 Le mucus augmente les résistances des voies aériennes de même l’inflammation ou une tumeur
dans un territoire donné.
surface
trachée
1,8 cm
2,5 cm²
bronches de 6e - 7e ordre
1 à 2 mm
10 cm²
bronches de 14e ordre
0,7 mm
70 cm²
bronches de transition
0,5 mm
530 cm²
zone respiratoire
250 µ
80 m² à 140 m²
4. 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)
zone de
conduction zone respiratoire
16 23
Résistance
Ordre de
division
2,5 cm2
10 cm2
70 cm2
530 cm2