Suite du cours de physiologie (3ème partie - Fichier

UE : Appareil respiratoire - Physiologie
Date : 18 octobre 2011 Plage horaire : 14h - 16h
Promo : PCEM2 Enseignant : Pr. R. Marthan
Ronéistes :
HOSTYN Sophie [e-mail]
GARAT Clarène clar[email protected]
Suite du cours de physiologie (3ème partie) : mécanique
ventilatoire et transport des gaz.
IV. Echanges gazeux
a) Généralités
b) Gaz inspiré – gaz expiré
c) Gaz alvéolaire
d) Sang veineux mêlé
e) Diffusion alvéolocapillaire
f) Distribution intrapulmonaire des échanges gazeux
V. Contrôle de la ventilation
a) Généralités
b) Neurogenèse ventilatoire
c) Adaptation respiratoire
d) Homéostasie respiratoire
A l'hôpital, une belle jeune femme attend dans le couloir sur sa civière avant d'être conduite au bloc
opératoire pour subir une petite intervention. Elle s'inquiète un peu quand même, d'autant plus que
l'heure tourne. Un type en blouse blanche s'approche, relève le drap qui la recouvre et examine son
corps nu. Il rabat le drap, s'éloigne vers d'autres blouses blanches et discute.
Un deuxième en blouse blanche s'approche, relève le drap et l'examine. Puis il repart.
Quand le troisième blouse blanche approche, lève le drap, et la scrute, la jeune femme s'impatiente
:" C'est bien beau toutes ces auscultations, mais quand allez-vous m'opérer ?"
L'homme en blouse blanche hausse les épaules :" J'en ai aucune idée, nous on repeint le
couloir. "
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IV. Échanges gazeux
a) Généralités
Il y a des échanges gazeux qui s’établissent entre le gaz alvéolaire d’une part (que la mécanique
ventilatoire a pour but de renouveler) et le sang veineux mêlé d'autre part (sang qui est contenu dans
l’artère pulmonaire donc avec du sang veineux, et qui résume le sang venant des différents territoires). Ces
échanges vont se traduire par une différence de composition entre le gaz inspiré et expiré. Au cours des
échanges, il y a consommation d’oxygène et rejet de CO2. Les échanges gazeux sont des phénomènes de
diffusion de gaz entre l’alvéole et le capillaire pulmonaire.
Dans le poumon, il y a tout un tas d’unités fonctionnelles: l'alvéole et son capillaire correspond. Et
pour que chaque échange soit correctement réalisé il faut que chaque alvéole soit ventilée et que chaque
capillaire soit perfusé, de manière adéquate. Pour qu’il y ait adéquation du rapport de la ventilation de
l’alvéole à la perfusion du capillaire pulmonaire on définit le rapport :
Ventilation pulmonaire / perfusion = VA/Q.
Un poumon normal est formé d’un tas d’unités alvéole/capillaire à la fois ventilées et perfusées
donc c’est un poumon homogène au sens du rapport VAQ, alors que la source majeure des hypoxémies et
des anomalies des échanges sera la présence ou coexistence dans un même poumon de zones ventilées
non perfusées, perfusées non ventilées, plus ventilées que perfusées ou plus perfusées que ventilées donc
notion de poumon hétérogène et c’est cela qui sera à l’origine des hypoxémies.
b) Gaz inspiré – gaz expiré
Le gaz inspiré est, dans l’immense majorité des cas, de l’air; c’est un mélange binaire qui d’un point
de vue fractionnaire est constitué de 21% d’O2 et de 79 % d’azote. En termes de pression partielle, on doit
tenir compte de la pression atmosphérique (Patm) globale du jour (donne l’ensemble de la pression dans
laquelle chaque gaz exerce sa partie de pression partielle = 765 mmHg à ce jour), de la température T du
jour (20° donc la pression de vapeur d’eau saturante c’est 20 mmHg) et de l’humidité relative HR (83% :
c'est-à-dire que 83% des 20 mmHg qui représente la pression de vapeur d’eau et le reste est réparti entre la
PaO2 = 21% de ce qui reste et la PaCO2= 79% de ce qui reste). Il est fixe.
Le gaz expiré est plutôt variable. On expire ce que l’on peut une fois le métabolisme tissulaire assuré.
Dans le cas de l’hibernation, la fraction d’oxygène expiré est élevée. Si on est en activité on rejette moins
d’oxygène (plus de CO2 et d’azote).
Donc quand on donne la composition globale d’un gaz expiré, c’est la composition moyenne d’une
personne au repos (en moyenne 17% FeO2, 4% FeCO2 et 49% FeN2) ; il y aura moins de fraction expiré
d’O2 et plus pour le CO2 et l’azote. Cela dépend aussi de Patm, T et HR.
Ce qui a disparu en O2 a été à peu près compensé en CO2 : ce n’est pas tout à fait vrai car il y a un quotient
respiratoire qui traduit le rapport du rejet de CO2 à la consommation d’O2. Pour le glucose, quand on
l’oxyde, on consomme autant de molécules d’oxygène qu’on ne produit de molécules CO2. Dans ce cas le
quotient respiratoire VCO2/VO2 = 1.
Donc globalement le quotient respiratoire (R) dans une alimentation équilibrée est d’environ 0.8 et
non pas 1 comme pour les glucides seuls, d'où R < 1. On rejette moins de CO2 qu’on n’a capté d’O2 donc le
débit expiré est inférieur au débit inspiré d'où Ve < Vi.
On peut être amené à mesurer VO2 et VCO2 : c’est la différence entrée-sortie.
Pour la VCO2 c’est très simple. On fait la différence entre ce qu’on expire en CO2 moins l’inspiration
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en CO2. Sachant que ce qu’on expire c’est le débit expiré multiplié par la fraction expirée de CO2 (VeCO2 x
FeCO2). Ce qui rentre en CO2, donc ViCO2 = débit inspiré x fraction inspirée de CO2 (ViCO2 x FiCO2). Or il y
a très peu de CO2 dans le gaz inspiré donc ViCO2 = 0. Ainsi VCO2 = rejet de CO2 = débit expiré x fraction
expiré de CO2, d'où VCO2 = Ve x FeCO2
Pour la consommation d’O2, c’est la différence entre ce qui entre et ce qui sort. Ce qui rentre c’est le débit
inspiré en oxygène x fraction inspiré en O2 (donc ViO2 x FiO2 = 21%) et ce qui sort c’est le débit expiré en
oxygène (mesurable avec un sac qui récupérer ce qu’on expire) x fraction expirée (VeO2 x FeO2).
Donc VO2 = Vi x FiO2 – VeO2 x FeO2. Pour mesurer cette consommation en oxygène on a un problème ; en
effet, on ne peut pas mesurer le ViO2 en mettant un capteur dans la trachée ! On peut bien sûr dire que
ViO2 = VeO2, mais c’est trop approximatif. Donc il faut trouver un moyen pour exprimer Vi non mesurable
en fonction du Ve mesurable.
→ L’azote dans le corps ne sert à rien donc ce qui est inspiré, Vi x FiN2 = Ve x FeN2, ce qui est expiré, d'où
ViN2 = VeN2 x FeN2/FiN2. Avec cette expression on pourra trouver de façon plus juste ViO2. On part du fait
que dans un mélange de gaz la somme des fractions = 100%. Donc dans le gaz inspiré FiO2 + FiN2 = 1 et
ainsi on peut trouver FiO2. Pour l’expiration c’est plus compliqué car on a du CO2 aussi donc on en vient à
FeN2 = 1 – FeCO2 – FeO2. On va trouver une nouvelle expression de Vi = Ve ((1-FeO2-FeCO2)/1-FiO2) qui
dépend de Ve en fonction de fractions mesurables. On pourra alors mesurer VO2 au repos : environ ¼ de
L/min (250 mL/min) qui peut augmenter jusqu’à 3-5L/min (il existe un maximum non dépassable).
Rappel : consommation de gaz s’exprime en condition STPD alors que les volumes de gaz s’expriment en
condition VTPS.
On mesure la VO2 dans des
circonstances médicales
réelles telles que pour des
pathologies qui augmentent
la consommation d’O2 = la
fièvre, les situations de
brûlures etc… Le patient
dans cette situation doit être
capable d’assurer sa
consommation en O2, donc
éventuellement on apporte
médicalement de l’O2.
On la mesure également fréquemment dans la performance sportive ; on mesure chez les athlètes,
sportifs, la valeur de la consommation maximale d’oxygène. On cherche la capacité max, étroitement
dépendante de la VO2 max rapporté aux kilos de poids (pour le coureur il faut une grande capacité de
consommation d’oxygène (6L/min) pour un faible poids).
c) Gaz alvéolaire
C’est un concept : c’est un gaz en équilibre dynamique en permanence entre 3 éléments :
➔Ce gaz est partiellement renouvelé par la mécanique respiratoire : quand on rentre 1 L de
volume courant on le dilue avec le gaz alvéolaire qui était présent au départ.
➔ En permanence il est alimenté par du CO2 que lui ramène la circulation veineuse, sang
transporté par l’artère pulmonaire.
➔ Pompage d’O2 qui part vers circulation artérielle.
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Donc ce gaz est un compartiment en équilibre avec 3 robinets de chaque côté : 1 robinet qui injecte
du CO2, 1 robinet qui pompe O2 et robinet qui amène un renouvellement partiel par la ventilation. Pour
avoir de bons échanges on doit maintenir une bonne composition en gaz alvéolaire donc on ne pourra jouer
que sur la ventilation.
Dans cette représentation du poumon, on isole un compartiment (trachée et bronches) qui s’ouvre
dans le gaz alvéolaire = volume MORT (Vd). C’est un volume que l’on va ventiler mais qui ne sert à rien car
le gaz présent est non utilisé par le corps.
Attention, ce Vd n’a rien à voir avec le volume résiduel en mécanique ventilatoire (volume qu’on ne peut
pas échanger et dont la bonne partie est dans le gaz alvéolaire. Il est « mort » au sens fonctionnel.
Cette notion de rapport entre Vd et VA (volume alvéolaire) a une importance quand on fait une ventilation
assistée : si on veut augmenter la ventilation alvéolaire soit on ventile à la même fréquence des volumes
plus importants, soit on augmente la fréquence avec laquelle on ventile.
Que vaut-il mieux faire si on veut augmenter la ventilation alvéolaire ?
→ Augmenter le volume. Le volume qu’on ventile c’est le volume mort + le volume alvéolaire. Si on
augmente la fréquence, on ventilera plus globalement mais on augmentera surtout le Vd et la VA. Si on
augmente le volume, le volume de l’espace mort lui ne change pas, ce qu’on met en plus va dans
l’alvéolaire. Si on augmente la fréquence on augmente le Vd qui se soustrait à VA. Quand on fera cette
adaptation ventilatoire, on devra maintenir dans les alvéoles un gaz dont la composition sera 100 mmHg de
pression alvéolaire en O2 et 40 mmHg de pression alvéolaire en CO2.
d) Sang veineux mêlé
La circulation pulmonaire est locale (comme la coronaire, rénale, cérébrale…) mais particulière car
elle est fonctionnelle (ne va pas nourrir un tissu) et sert à l’hématose (enrichir en O2 le sang et appauvrir en
CO2).
La circulation nourricière pulmonaire n’est pas la circulation pulmonaire
mais la circulation bronchique. La circulation « pulmonaire » est purement
fonctionnelle.
Elle prend l’intégralité du débit cardiaque comme la circulation systémique. Tout le sang qui arrive
des veines caves supérieures et inférieures passe dans la circulation pulmonaire. Malgré cela les pressions
sont très faibles car la systolique est de 25mmHg (contre 110/120 dans la systémique) et la diastolique est
de 10mmHg (contre 60/70 dans la systémique). La pression artérielle pulmonaire moyenne est de 15mmHg
contre 100mmHg dans la circulation systémique.
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On a des résistances très basses et qui le restent donc la perfusion de tout le débit cardiaque est possible.
La circulation est en vasodilatation constante donc pas de tonus vasculaire car elle est toujours stimulée
par des médiateurs vasodilatateurs = monoxyde d’azote (endothélium), peptides natriurétiques,
prostacyclines … dont on se sert pour traiter les HTA. La vasoconstriction répond à l’hypoxie contrairement
aux autres circulations (c’est la seule à procéder de cette façon). Il ne faut pas envoyer du sang dans la
circulation pulmonaire s’il est en hypoxie car on va avoir une mauvaise hématose. Le sang est alors envoyé
vers des territoires normoxiques. La circulation pulmonaire a des artères efférentes du cœur qui
transportent du sang Veineux et inversement. Le sang veineux mêlé porté par les artères pulmonaires a
donc une composition de l’ordre de 45/46 mmHg de CO2 et 40 mmHg d'O2.
e) Diffusion alvéolocapillaire
On rentre avec du sang veineux mêlé à 40mmHg d’O2 et 46 mmHg de CO2 et on sort avec
100mmHg d’O2 et 40 mmHg de CO2, car se sont produits des échanges et les premiers sont par diffusion.
Le transfert de gaz est tjrs passif selon les lois de la diffusion. On fait circuler un débit de gaz en
fonction du sens de la différence de pression de part et d’autre de la membrane alvéolo-capillaire. Ca
dépend aussi de la perméabilité ou de l’inverse de la résistance que va offrir la structure qui se laisser
traverser. On quantifie surtout la perméabilité de la membrane plutôt que la résistance à se laisser
traverser. Donc la diffusion est définie par la conductance qui traduit le débit de gaz qui traverse la
membrane en fonction de la différence de pression qui règne (d’un côté pression alvéolaire et de l’autre P
capillaire) d'où conductance T = V / dP.
Le sang pendant la traversé du capillaire pulmonaire il met du temps : au repos, le temps de transit
du sang dans un capillaire pulmonaire devant du gaz alvéolaire est de l’ordre de 0.75 seconde. L’oxygène
arrive côté veineux avec une pression de 40 mmHg et sort à la sortie du capillaire pulmonaire équilibré avec
la pression partielle dans le gaz alvéolaire à 100 mmHg. Pendant le temps de transit capillaire il y aura
équilibration très rapide. A l’inverse le CO2 diffuse rapidement vers l’alvéole donc baisse de pression de 46
mmHg à 40 mmHg. On a simultanément l’augmentation d’oxygène et la diminution de CO2, et tout cela
rapidement.
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