Diapositive 1

24/10/2014
UE 2 : Sciences biologiques et médicales
UE 2.2. : Cycles de la vie et grandes fonctions
PHYSIOLOGIE DE LA
RESPIRATION
DUMITRESCU Simona
Institut de Formation Interhospitalier Théodore Simon– Tous droits réservés 2009/2010
OBJECTIFS PEDAGOGIQUES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Connaître l’intérêt de la respiration.
Énumérer les différentes étapes de la respiration.
Expliquer comment l’inspiration et l’expiration se
produisent.
Définir les divers volumes et capacités respiratoires.
Décrire les échanges d’oxygène et de dioxyde de
carbone entre l’air alvéolaire et le sang (dans la
respiration externe) et entre le sang et les cellules du
corps (dans la respiration interne).
Expliquer comment l’oxygène et le dioxyde de carbone
sont transportés dans le sang.
Expliquer la façon dont le système nerveux régule la
respiration.
Énumérer les facteurs capables de faire varier la
fréquence et l’amplitude respiratoires.
PLAN
1. INTRODUCTION
2. VENTILATION
3. ECHANGES GAZEUX
a. Echanges alvéolaires (l’hématose)
b. Echanges cellulaires (respiration interne)
4. TRANSPORT SANGUIN DES GAZ
5. CONTRÔLE DE LA RESPIRATION
1
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1. INTRODUCTION
Les principaux objectifs de la respiration
• Apporter de l'oxygène à l'organisme
• Rejeter les déchets : le dioxyde de
carbone
• Participer à la régulation du PH sanguin.
Quatre étapes de la respiration
1. La ventilation
2. L’étape alvéolaire : hématose
(respiration externe)
3. L’étape sanguine
4. L’étape cellulaire : (respiration interne)
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Collaboration système respiratoire et
système cardiovasculaire
• Les deux premières étapes sont assurées
par le système respiratoire
• Les deux dernières dépendent
du système cardiovasculaire .
2. VENTILATION
Définition
La ventilation (respiration) renouvelle les gaz
respiratoires dans les alvéoles pulmonaires
Cette fonction est accomplie grâce à des
phénomènes mécaniques impliquant
deux phases en alternance régulière :
1. Inspiration : le poumon se remplit d’air
2. Expiration : le poumon rejette l’air
Ces deux phases forment le cycle respiratoire.
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Pressions dans la cavité thoracique
La pression atmosphérique
• Les pressions respiratoires s’expriment par
rapport à la pression atmosphérique (Patm)
• Patm = pression exercée par l’air (un mélange
de gaz) entourant l’organisme.
Patm = 760 mm Hg
• Une pression respiratoire (P = 756 mm Hg) est
négative si sa valeur est inférieure de 4 mm Hg
à la pression atmosphérique :
(760 - 4 = 756 mm Hg)
Pression intra-alvéolaire (Intrapulmonaire)
• Pression qui règne à l’intérieur des alvéoles
(Palv)
• Monte et descend suivant les deux phases
de la respiration.
• Devient toujours égale à la Patm.
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Pression intrapleurale (Pip)
• P. qui règne à l’intérieur de la cavité pleurale
• Fluctue selon les phases de la respiration
• Toujours inférieure d’environ 4 mm Hg à la Palv
• Elle est négative par rapport à la Palv et à la Patm.
Pression transpulmonaire
• C’est la différence entre la Palv et la Pip
• P transpulmonaire = Palv - Pip ≈ 4 mm Hg
• Elle assure l’ouverture des espaces
aériens des poumons (empêche les
poumons de s’affaisser).
Principes régissant la ventilation
 La ventilation : processus mécanique
qui repose sur des variations de volume
dans la cavité thoracique.
 Les variations de volume engendrent des
variations de pression
 Les variations de pression engendrent
l’écoulement des gaz
 Les gaz s’écoulent pour égaliser les pressions.
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Notions préliminaires de physique
La loi de Boyle et Marotte
(loi des gaz parfaits)
A température constante,
la pression d’un gaz
est inversement proportionnelle
à son volume.
P₁V₁ = P₂V₂
La loi de Boyle et Marotte
(loi des gaz parfaits)
A- La loi de Boyle et Marotte
Relation volume/pression
Si V , P
V, P
Si V, P
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Gradient de pression
L’air se déplace toujours à partir
d’une région de haute pression
vers une région de basse pression.
Gradient de pression
V1, P1
V2, P2
P1 < P2
Écoulement des gaz
des zones de haute pression
vers
les zones de basse pression
jusqu’à
l’égalisation des pressions.
P1 = P2
Mécanique de la ventilation
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L’inspiration (1)
• Correspond à la période d’entrée de l’air
ambiant dans l’appareil respiratoire
afin de permettre un apport d’oxygène au
niveau des alvéoles pulmonaires.
• Selon l’activité du sujet :
– Inspiration calme ou superficielle : sujet au
repos
– Inspiration profonde : sujet réalisant un
exercice physique
L’inspiration (2)
• Repose sur un mécanisme actif
initiée par les muscles inspiratoires.
• Aboutie à une
 Augmentation simultanée :
- des volumes de la cage thoracique
- des poumons.
L’inspiration (3)
 Diminution de la pression
intrapulmonaire (Palv) / à
la Patm
 Pénétration d’air dans
l’appareil respiratoire selon
le gradient de pression
apparu entre les deux
milieux.
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Phase inspiratoire
500ml, Volume courant (Vc)
Contraction des m. insp. (Diaphragme + Intercostaux ext.)
Si inspiration forcée :
Scalènes, SCM, pectoraux
 Volume cage thoracique
 Volume pulmonaire
 pression intraalvéolaire (palvéolaire < patm )
Écoulement de l’air des zones de haute pression (air
ambiant) vers les zones de basse pression (poumons)
L’expiration (1)
C’est un phénomène passif qui réduit le volume de la
cage thoracique par :
– Relâchement des m inspirateurs en fin d’inspiration,
– Retour des poumons à leur dimension initiale.
L’expiration (2)
• La ↓ du volume pulmonaire
provoque une ↑ pression
alvéolaire qui devient
supérieure à la Patm.
• Le gradient de pression
apparu provoque la sortie
de l’air des poumons vers
l’atmosphère.
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L’expiration forcée
• Est un processus actif
• Due à la contraction des muscles intercostaux internes et
des muscles de la paroi abdominale :
– M. obliques interne et externe
– M. transverse abdominal
• Cette contraction :
– Accroit la pression intra-abdominale,
– Pousse les organes intra-abdominaux contre le
diaphragme qui s’aplatie et se déplace vers le haut.
Il résulte une forte diminution
du volume thoracique.
Muscles of respiration
Les facteurs influant sur la quantité
d’air entrant ou sortant
• Le diamètre des conduits aériens
(notamment celui des bronchioles)
• La compliance (la distensibilité) de la cage
thoracique ou des poumons.
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Exploration de la ventilation
Spirographie
• Méthode d’exploration de la ventilation
pulmonaire réalisée au cours
d'épreuves fonctionnelles respiratoires
(E.F.R.) à l'aide d'un appareil appelé
spirographe.
• L’enregistrement obtenu est un spirogramme.
Intérêt
• Les volumes respiratoires
– Permettent d’apprécier le volume d’air
entrant/sortant de l’appareil respiratoire
au cours de la ventilation
• Les capacités respiratoires
(des combinaisons de volumes respiratoires) :
– Révèlent l’état respiratoire
– Permettent d’apprécier d’éventuelles pertes
fonctionnelles consécutives à une pneumopathie.
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Volume Courant (VC)
Volume d'air qui entre ou qui sort
des poumons au cours d’un cycle
respiratoire au repos.
• VC = 500 ml
Le volume de réserve inspiratoire (VRI).
Volume d'air qu'un sujet peut encore
inspirer après une inspiration normale.
VRI = entre 2.100 à 3200 ml.
Le volume de réserve expiratoire (VRE)
Volume d'air qu'un sujet peut encore expirer
après une expiration courante.
VRE = entre 1000 et 1200 ml
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Le volume résiduel (VR)
Volume d'air qui reste dans les voies
aériennes après une expiration forcée.
VR = 1200 ml
• Il contribue :
– au maintien des alvéoles libres (ouvertes) et
– à la prévention de l’affaissement des poumons.
La capacité inspiratoire (CI)
Quantité totale d’air qui peut être inspirée
après une expiration courante
CI = CV + VRI
Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF)
Quantité d’air qui demeure dans les
poumons après une expiration courante.
CRF = VR + VRE
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Capacité vitale (CV)
Quantité d’air maximale qui peut
entrer et sortir des poumons au cours
d’un seul mouvement respiratoire :
c’est la quantité totale d’air échangeable.
CV = VC + VRI + VRE
• Jeune homme en bonne santé = 4800 ml
Capacité Totale (CT)
C’est la somme
de tous les volumes pulmonaires
CT = VC + VRI + VRE + VR
≈ 6.000 ml chez un homme (6L)
Spirogramme d’un homme adulte
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L’espace mort
Volume d’air présent dans l’appareil respiratoire
qui ne participe pas aux échanges gazeuses.
– Espace mort anatomique (150 ml) =
volume d’air contenu dans les conduits
respiratoires
– L’espace mort alvéolaire =
volume d’air contenu dans un territoire
alvéolaire non perfusé.
Volumes d'air échangés lors d'une respiration normale, d'une inspiration forcée et d'une expiration
forcée
Volume de réserve inspiratoire
(2,5 L)
volume courant
= volume renouvelé (0,5 L)
+
espace mort contenu aux niveau des
voies aériennes (0,15 L)
capacité vitale
(5 L)
volume
pulmonaire
total
(6L)
Le volume de réserve expiratoire
(1,5 L)
volume résiduel
(1 L)
Autres épreuves fonctionnelles
• La ventilation minute
• La capacité vitale forcée (CVF)
• Le volume expiratoire maximal par
seconde (VEMS)
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3. ECHANGES GAZEUX
a) Echanges alvéolaires (l’hématose)
b) Echanges cellulaires (respiration interne)
Notions préliminaires
La loi
des pressions partielles de Dalton
• Chaque gaz contenu dans un mélange gazeux
exerce sa propre pression, appelée pression
partielle.
• Elle est directement proportionnelle à la quantité
de ce gaz présent dans le mélange.
• Loi de Dalton : A température constante, la
pression totale d’un mélange gazeux est égale à
la somme des pressions partielles exercées par
chacun des gaz constituants.
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Composition de l’air
(au niveau de la mer)
Pourcentage
Pression partielle
mm Hg
Azote
78,6%
597
Oxygène
21%
159
Gaz carbonique
0,04%
0,3
Vapeur d’eau
0,5%
307
La diffusion des gaz respiratoires
• Dans un mélange gazeux, chaque gaz
se comporte de façon indépendante.
• Il diffuse selon son propre gradient de pression
c’est-à-dire toujours du milieu
où la pression partielle du gaz est élevée
vers le milieu
où la pression partielle de ce gaz est faible,
jusqu’à l’obtention d’un équilibre.
La loi de Henry
• Quand un mélange de gaz est en contact avec
un liquide, chaque gaz se dissout dans le liquide
en proportion de sa pression partielle.
• Plus un gaz est concentré dans le mélange
gazeux, plus il se dissout en grande quantité et
rapidement dans le liquide.
• Au point d’équilibre, les pressions partielles des
gaz sont les mêmes dans les deux phases.
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a) Echanges alvéolaires =
Respiration externe = Hématose
Généralités
• Les échanges gazeux
entre les poumons et
le sang se réalisent au
niveau des
membranes
alvéolo-capillaires.
La situation pré-hématosique
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L’air alvéolaire
• Suite à une inspiration, l’air ambiant :
– Parcourt les voies respiratoire et s’enrichie en
vapeur d’eau
– Se mélange à une petite quantité d’air résiduel
demeurant dans l’appareil respiratoire.
• De ce fait, l’air alvéolaire contient par rapport à
l’air ambiant :
–Moins d’oxygène
–Plus de vapeur d’eau
Pressions partielles des gaz respiratoires dans l’air
ambiant, l’air alvéolaire et le sang non hématosé
Air ambiant
(air inspiré)
Air alvéolaire
Sang non
hématosé
Pression partielle
d’oxygène
160 mm Hg
104 mm Hg
40 mm Hg
Pression partielle
du dioxyde de
carbone
0 ,3 mm Hg
40 mm Hg
45 mm Hg
Pression partielle
eau
3.7 mm Hg
47 mm Hg
Le sang
• Les cellules actives de notre organisme
rejettent dans le sang des déchets
métaboliques, dont le CO₂.
• Ce sang devient non-hématosé et gagne
le cœur droit par les veines caves, puis
parvient aux poumons par les artères
pulmonaires.
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a) Echanges alvéolaires
L’hématose
Les échanges gazeux
Grâce à leur gradient de pression partielle
respectif, chaque gaz diffuse
d’un compartiment à un autre
en traversant la membrane alvéolo-capillaire.
La diffusion
de l’oxygène et du gaz carbonique
Sang veineux
Air alvéolaire
PO2=40mmHg
PO2=105mmHg
PCO2=45mmHg
PCO2=40mmHg
Le flèches indiquent le sens de diffusion de l’O2 et du CO2
La composition gazeuse du sang artériel qui résulte de
l’échange entre le sang veineux et l’air alvéolaire est :
PO2 = 105 mmHg
PCO2= 40 mmHg
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La situation post-hématosique
Devenir du sang hématosé
• Du fait de la respiration externe le sang rouge
sombre qui s’écoulait dans la circulation pulmonaire
prend une couleur écarlate.
• Le changement de couleur du sang est dûe à la
captation d’oxygène et sa fixation à l’hémoglobine
des érythrocytes.
• Ce sang hématosé gagne le cœur gauche par les
quatre veines pulmonaires.
• Puis est distribué par l’aorte à l’ensemble de cellules
de notre organisme.
Devenir de l’air
contenu dans les poumons
Enrichie en CO₂,
l’air est émis
dans le milieu environnant
par l’expiration.
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Exploration de l’hématose
• La gazométrie (gaz du sang) permet de
mesurer les pressions partielles de l’O₂ et
du CO₂ ainsi que le pH sanguin.
• La scintigraphie de ventilation-perfusion
pulmonaire : évalue la synchronisation
entre la ventilation et la perfusions des
alvéoles pulmonaires.
b) Echanges cellulaires
La respiration interne
Intérêt
• Au cours des activité métaboliques,
les cellules produisent du CO₂
et consomment de l’O₂.
• La respiration interne permet :
– D’apporter de l’oxygène à nos cellules
– D’évacuer le dioxyde de carbone.
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• Les gradients de pression partielle et de
diffusions sont inversés par rapport à
l’hématose.
Échanges au niveau des tissus
Etape consécutive aux échanges
gazeux cellulaires
• Devenir du sang :
– Désoxygéné, le sang est acheminé vers le cœur droit via
les artères pulmonaires pour être à nouveau oxygéné.
• Devenir cellulaire :
– A la suite de l’apport d’oxygène et de nutriments, les
cellules réalisent de nombreuses réactions biochimiques
aboutissant à l’élaboration d’un composé vital nommé ATP
(Adénosine Tri Phosphate).
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Aux poumons :
O2 (13,9)  sang (5,3)
CO2 (6)  alvéoles (5,3)
Aux tissus :
O2 (13,9)  cellules (< 5,3)
CO2 (>6)  sang (5,3)
4. LE TRANSPORT SANGUIN DES GAZ
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Le transport d’oxygène
Deux formes de transport :
• 1,5% oxygène dissous dans le plasma
• 98,5% oxygène lié à l’hémoglobine à l’intérieur
des érythrocytes
L’oxyhémoglobine (1)
• Elle (Hb) est composée de 4 chaines polypeptidiques
liées chacune à un groupement hème contenant un
atome de fer
• L’oxygène se lie aux atomes de fer
• Chaque molécule d’Hb peut se combiner avec quatre
atomes d’O, en un processus rapide et réversible
• La combinaison oxygène-hémoglobine est appelée
oxyhémoglobine( HbO₂)
• L’hémoglobine qui a libéré l’oxygène est appelée
désoxyhémoglobine ou hémoglobine réduite (HHb).
L’oxyhémoglobine (2)
La liaison et la dissociation de l’O₂
s’exprime par l’équation suivante :
Poumons
HHb +O₂ ⇌
HbO₂ + H⁺
Tissus
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L’oxyhémoglobine (2)
• Quand la PO₂ est élevée,
l’Hb se lie à des grandes quantités d’O₂
et devient complètement saturée (HbO₂)
• Quand la PO₂ baisse, l’HbO₂ libère de l’O₂
• Dans les capillaires systémiques où la PO₂ est
faible, l’HbO₂ libère de l’O₂ qui peut diffuser
du plasma sanguin au liquide interstitiel et dans
les cellules des tissus.
Transport du dioxyde de carbone
Il est transporté sous trois formes :
• 5% transporté sous forme dissoute dans le
plasma.
• 25% transporté lié à l'hémoglobine :
Carbhémoglobine (HbCO₂) : composé instable.
• 70% transporté sous forme de bicarbonate.
Carbhémoglobine (HbCO₂)
• Une partie de CO₂ est transporté dans les
érythrocytes lié à la globine de l’hémoglobine.
Ce produit est appelée carbhémoglobine
(HbCO₂)
• Son transport dans les érythrocytes n’entrave
pas le transport d’oxygène.
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Carbhémoglobine (HbCO₂)
La liaison et la dissociation de la HbCO₂
s’exprime par l’équation suivante :
Tissus
Hb +CO₂
⇌
HbCO₂
Poumons
Les ions bicarbonate
• Après diffusion dans les capillaires systémiques,
70% du CO₂ va pénétrer dans les érythrocytes .
• Ici, le CO₂ va se transformer sous l'influence d'un enzyme
appelée anhydrase carbonique en acide carbonique
(H₂CO₃). Cet acide est instable. Il va se dissocier en ions
H⁺ et en ions bicarbonate (HCO₃⁻).
• Au fur et à mesure donc que le sang absorbe du CO₂, des
ions HCO₃⁻ s’accumulent à l’intérieur des érythrocytes.
• Un bon nombre des ions HCO₃⁻ s’échappent vers le
plasma , suivant leur gradient de concentration.
Les ions bicarbonate
AC
CO₂+H₂O ⇌ H₂CO₃
Tissus
⇌
H⁺ + HCO₃⁻
Poumons
Ces réactions (de gauche à droite) se produisent au niveau
tissulaire. Le but est de débarrasser les cellules de leur CO₂
et de le transporter dans le plasma sous forme de bicarbonate.
Quand le sang passe dans les capillaires pulmonaires, les
réactions se déroulent en sens inverse (de droite à
gauche).
Finalement , le CO₂ est diffusé dans l’air alvéolaire et expiré.
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Exploration
• Le transport de l’oxygène est exploré au
moyen de :
– La saturation sanguine en oxygène (SaO₂)
– Des dosages sanguins supplémentaires : taux
d’hémoglobine et de la carboxyhémoglobine
• Le transport de gaz carbonique est exploré
au moyen de :
– La détermination de la concentration des ions
bicarbonate
– Du pH sanguin.
5.CONTRÔLE DE LA RESPIRATION
Les centres respiratoires
• Formés par des groupes de cellules
nerveuses situés dans le tronc cérébral,
au niveau du bulbe et du pont.
• Ils contrôlent :
–la fréquence
–la profondeur de la respiration.
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Centres respiratoires du bulbe rachidien
a. Groupe respiratoire dorsal (GRD) :
– Situé dans la région dorsale, à la racine du
nerf crânien IX
b. Groupe respiratoire ventral (GRV) :
– Situé dans la région antérieure du tronc
cérébral
– S’étend de la moelle épinière jusqu’à la
jonction du bulbe et du pont
a. Groupe respiratoire dorsal (GRD)
• Semble être le générateur du rythme
respiratoire ⇒ est appelé centre inspiratoire.
• Activé, le centre inspiratoire produit
spontanément des influx nerveux
pendant 2 sec.
Les voies efférentes
Les influx moteurs :
• Quittent les centres inspiratoires,
• Passent par les nerfs phréniques
et les nerfs intercostaux,
• Atteignent respectivement le
diaphragme et les m intercostaux
• Provoquent la contraction de ces
muscles,
l’inspiration commence.
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L’expiration
• Au bout de 2 sec, le centre inspiratoire devient
inactif. Il cesse d’émettre des influx nerveux.
• Sans influx nerveux, le diaphragme et les
muscles intercostaux externes se relâchent ⇒
⇒ La rétraction passive de la paroi thoracique
produit l’expiration qui dure environ 3 sec.
• Le cycle respiratoire recommence.
b. Groupe respiratoire ventral (GRV)
• Les neurones de ce groupe sont inactifs durant
la respiration normale de repos.
• Au cours de la respiration forcée, les influx
nerveux émis par le centre inspiratoire activent
les neurones du GRV ⇒ Ils produisent des influx
responsables de la contraction des muscles
expiratoires.
• Les dimensions de la cavité thoracique
diminuent et l’expiration forcée se produit.
Les centres du pont
a. Le centre pneumotaxique
b. Le centre apneustique
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Le centre pneumotaxique
• Situé dans la partie supérieure du pont.
• Contribue à freiner le centre inspiratoire
par des influx inhibiteurs.
• Limite la durée de l’inspiration et
augmente la fréquence respiratoire.
Le centre apneustique
• Se trouve dans la partie inférieure du pont.
• Active le centre inspiratoire par des influx
excitateurs qui prolongent l’inspiration.
• Résulte une inspiration longue et profonde.
Facteurs influant
sur la fréquence
et l’amplitude respiratoire
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Réflexes déclenchés par
les agents irritants pulmonaires
• Les poumons contiennent des récepteurs qui
réagissent à un grand nombre d’agents irritants.
• Une fois activés, ces récepteurs communiquent
avec les centres respiratoires par l’intermédiaire
de neurones afférents du nerf vague.
Ex : Le mucus, la poussière… stimulent dans les
bronchioles des récepteurs qui provoquent une
bronchoconstriction réflexe.
Le reflexe de distension pulmonaire
• La paroi des bronches contient des récepteurs
sensibles à la pression, appelés barorécepteurs.
• Quand ces derniers s’étirent par suite d’un
gonflement excessif des poumons,
le centre inspiratoire est inhibé.
• C’est un mécanisme de protection contre la trop
grande distension des poumons.
LA REGULATION DES CENTRES
RESPIRATOIRES
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Les influences corticales
sur la respiration
Le cortex cérébral est relié
aux centres respiratoires bulbaires
⇒ Il est possible de contrôler volontairement
la respiration.
Influences de l’hypothalamus
et du système limbique
Les influx nerveux de
l’hypothalamus et du
système limbique agissent
aussi sur les centres
respiratoires.
Ils permettent à des
stimuli émotifs de modifier
la respiration (quand on rit
ou qu’on pleure)
La régulation par des chimiorécepteurs
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Chimiorécepteurs
Des récepteurs qui réagissent
aux modifications des concentrations
de certaines substances chimiques
dans le sang
et dans le liquide céphalo-rachidien.
Les chimiorécepteurs centraux
• Situés sur la surface du
bulbe
• Baignés par le liquide
céphalo-rachidien
• Sont sensibles aux
variations de la :
– Concentration en ions H⁺
– PCO₂
Les chimiorécepteurs périphériques
• Situés dans :
– Les glomus carotidiens
– L’arc aortique
• Sont sensibles aux
variations de la :
– PO₂,
– concentration en ions H⁺
– PCO₂
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Facteurs chimiques
 PO₂art
PCO₂ art
 pH
 PCO₂art
PO₂ art
 pH
Centres respiratoires
 Diaphragme (force et fréquence de contraction)
 Amplitude et fréquence respiratoire

Ventilation
Régulation PCO₂ et PO₂ art et pH
Autres facteurs
influençant la respiration
• La stimulation par des propriocepteurs
• La température
(fièvre : accélération de la respiration)
• La douleur
• Les médicaments sédatifs
Augmentation du rythme durant l’exercice
Générateur de rythme
bulbe
Stimulation
des M
respiratoires
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BIBLIOGRAPHIE
• Manuel d’anatomie et de physiologie humaines.
TORTORA et DERICKSON. Editions de Boeck - 2009
• Manuel d’anatomie et de physiologie. Sy NGUYEN,
Redha BOUROUINA. Editions Lamarre - 2008
• Les fonctions vitales du corps humain. C. MANUELLE
Editions Lamarre - 2008
• Anatomie et de physiologie humaines. Elaine MARIEB
Editions Pearson - Education - 2007.
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