La respiration

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La respiration
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + ATP
Analyse fonctionnelle du problème
- assurer les échanges gazeux (O2 et CO2 entre le milieu extérieur et l’animal)
o interface milieu-animal
- assurer le renouvellement du milieu au niveau de la surface d’échange
o pompe : ventilation
- assurer le transport des gaz dans l’organisme; assurer la libération et la captation d’O2 et de CO2
o circulation sanguine, pigments
- moduler les échanges en fonction des besoins
o régulation physiologique : ajustement et adaptation
Analyse fonctionnelle de la respiration chez l’Homme
- assurer le renouvellement du milieu au niveau de la surface d’échange
o voies aériennes, cage thoracique et ventilation
- les échanges gazeux (O2 et C O2) entre le milieu extérieur et l’animal
o gaz alvéolaire, diffusion alvéolo-capillaire
- assurer le transport des gaz dans l’organisme; assurer la libération et la captation d’O2 et de CO2
o formation du sang artériel
o perfusion pulmonaire
o transport d’O2 et de C O2 dans le sang
- moduler les échanges en fonction des besoins
o régulation physiologique : le contrôle nerveux de la respiration
o autres régulations de l’appareil respiratoire
Principe de dissolution des gaz
- les pressions partielles en gaz (Pgaz) s’équilibrent entre les compartiments aérien et liquidien
- la concentration de gaz dissous dépend de Pgaz dans le liquide et de la solubilité du gaz (solgaz)
Loi de Henry Cgaz = Solgaz x Pgaz
Rapport entre gaz dissous et pression partielle
L’interface organisme-milieu
Loi de diffusion d’un gaz entre deux compartiments
Loi de Fick 
= 
 x D(P1–P2)
(Exprimée par rapport à la différence de pression partielle du gaz entre deux compartiments 1 et 2) :
dV/dt : débit du gaz à travers la membrane de diffusion
S : surface de diffusion
E : épaisseur
D: coefficient de diffusion
P1–P2 : gradient de pression partielle entre les deux
compartiments
 Surface d’échange importante
 Épaisseur faible
Formule de E. Newton Harvey : FO2 = (VO2 x r2)/6K
FO2 : pression partielle en oxygène
r : rayon d’un organisme sphérique
VO2 : taux de consommation d’O2 donné
K : coefficient de diffusion de l’oxygène
Pour des valeurs physiologiques, la valeur de r est de l’ordre du millimètre.
Les voies aériennes
- Voies aériennes supérieures : nez, pharynx, larynx
- Arbre bronchique : trachée, bronches, bronchioles, canal alvéolaire, alvéole
Conduction : du nez aux bronchioles
Echanges gazeux : bronchioles aux alvéoles

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Les voies aériennes supérieures
Nez
Volume : 20 cm3 ; Surface : 160 cm2
 Zone de conditionnement de l’air inspiré en température et en humidité.
Inspiration : élévation de température, saturation en vapeur d’eau
Expiration : refroidissement de l’air expiré, rétention partielle de la vapeur d’eau
(limitation des pertes hydriques et caloriques)
Pression atmosphérique au niveau de la mer : 760 mm Hg (101,3 kPa)
Pression partielle en O2 = fraction d’O2 x pression en air
Pression partielle en O2 ?
Pression partielle en vapeur d’eau
- Pression de vapeur saturante : pression partielle maximale en vapeur d’eau (la pression de vapeur saturante
augmente avec la température)
- Humidité relative : rapport entre la pression partielle et la pression de vapeur
saturante
Dans un poumon humain : la pression de vapeur d’eau =
pression de vapeur saturante à 37°C = 47 mmHg
La pression de l’air sec est de 760 – 47 = 713 mmHg.
L’air sec contenant 21% d’oxygène, la PI O2 (PO2 dans l’air inhalé):
PIO2 = 21 % x 713 mmHg = 150 mmHg
Homme adulte : nez : résistance à l’écoulement
Hyperventilation : respiration buccale (problème si air froid ou sec) irritation, bronchoconstriction
Nouveau-né, animaux : Résistance nasale à l’écoulement < résistance buccale à l’écoulement
Obstruction nasale  gène à la respiration
Pharynx
Zone commune au passage des aliments et de l’air
Muscles du pharynx (> 20)
Inspiration : pression négative à l’intérieur du poumon  collapsus au niveau du pharynx (cf. Hoquet)
Contraction des muscles pharyngés : maintien de l’ouverture du pharynx centre de commande (idem muscles
respiratoires)
Pb. Pathologiques : fausses routes, apnée du sommeil
Larynx
Valve qui empêche les aliments de passer dans la trachée. Elle permet d'établir un débit.
Zone de rétrécissement : contrôle de la résistance  Contrôle du débit expiratoire Débit = 
Organe de phonation (cordes vocales)
Point d’arrimage de la trachée (cartilage cricoïde)  Maintien de l’ouverture trachéale lors de l’inspiration. Ces
cartilages ont pour effet de maintenir les bronches ouvertes, et d'empêcher les parois de se rapprocher, ce qui
empêcherait la respiration.
L’arbre bronchique
Voies aériennes centrales :
Bronches souches,
Bronches lobaires,
Bronches segmentaires,
Bronches sous-segmentaires,
Petites bronches (G10 : ≈ 1000)
Voies aériennes périphériques :
Bronchioles,
Bronchioles terminales,
Bronchioles respiratoires
Canaux alvéolaires

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Surface d’échange: barrière alvéolo-capillaire
- 300 millions d’alvéoles (24 générations de bronches)
- 150 m2 (surface)
- 0,5 à 4 μm (épaisseur)
Trachée
Homme :
Longueur : ≈ 12 cm; Diamètre : ≈ 2 cm
Bronches et bronchioles
Les bronches sont les conduits amenant l'air de la trachée à chaque poumon. Deux bronches principales desservent
le poumon droit et le poumon gauche. Chacune de ces bronches se
subdivise en arrivant au poumon (au niveau du hile) en bronches
lobaires puis segmentaires. Par la suite, elles se divisent en bronches de
plus en plus petites.
L'intérieur des bronches est tapissé de cellules portant à leur surface des
cils vibratiles.
On appelle bronchiole la ramification terminale des bronches. Elles n'ont
pas de cartilage, elles sont fines comme des cheveux et se terminent par
de minuscules sacs pleins d'air : les alvéoles pulmonaires.
L’épithélium bronchique : la clairance muco-ciliaire
Cellules ciliées
Cils vibratiles = cils microscopiques mobiles, revêtus de mucus. Ils forment une sorte de tapis
roulant ou "escalator" dont le rôle est de recueillir et de rejeter vers l'extérieur les poussières
éventuellement inhalées et les "débris cellulaires".
200 cils par cellule 6-7 μm
Battements : 10-20 Hz
Phase active et brève vers l’amont puis phase longue de retour
Cellules productrices de mucus
Mucus : eau (95 %), mucines (glycoprotéines), antiprotéases
Phase gel (0,5 – 2 μm) visco-élastique : partie apicale des cils transportée par les battements des cils
 Transport du mucus (5-10 mm/min) : escalator muco-ciliaire
Phase sol (6 μm) très liquide : zone dans laquelle battent les cils transportée par les battements des cils
Degré d’hydratation fluidité du mucus = efficacité de la clairance
Transport d’eau et d’ions transépithélial :
- Transport actif transcellulaire (apical-basal) de Na+ : Canal Na+ + pompe Na-K-ATPase
- Transport actif transcellulaire (basal-apical) de Cl- : cotransport + canal Cl
- Transport passif paracellulaire : Cl- et eau
Pathologie : la mucoviscidose = anomalie de la protéine CFTR
(canal Cl-) modification Cl- et Na+ : mucus moins hydraté,
épais et visqueux

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Le muscle lisse bronchique : la réactivité
Réactivité bronchique : contraction modérée des bronches. Ce sont
des muscles lisses, ils se contractent donc pas l’intermédiaire d’un
neurotransmetteur : l’acétylcholine.
Effecteurs cellulaires de la réactivité
Les récepteurs muscariniques M3 sont des récepteurs à
l’acétylcholine et sont couplés à une protéine G qui stimule la
phospholipase C (PLC). Cette dernière provoque l'accumulation
de calcium dans le cytoplasme, qui en se liant avec la
calmoduline, provoque la phosphorylation de la MLCK (myosin
light chain kinase). Celle-ci phosphoryle la myosine, qui peut
alors se lier à l'actine, ce qui provoque une contraction des
bronches.
La MLCP (myosin light chain phosphatase) a un effet
antagoniste à celui de la MLCK : elle déphosphoryle la chaîne
légère de la myosine, ce qui permet une relaxation.
Bronches respiratoires, canal alvéolaire et alvéoles
La surface totale des voies aérienne est très grande grâce aux
nombreuses ramifications et à leur étendue.
Les bronchioles terminales, les bronchioles alvéolaires, les
canaux alvéolaires et les sacs alvéolaires forment la partie
respiratoire du poumon.
Paroi alvéolaire
Les gaz sont transférés à travers la paroi des alvéoles situés à la
partie distale des bronchioles terminale, appelés acini.
Chez les mammifères la barrière de diffusion comporte un film
superficiel aqueux, les cellules épithéliales de l'alvéole, la couche
interstitielle, les cellules endothéliales des capillaires sanguin et la
paroi des globules rouges.
L'épithélium pulmonaire comporte plusieurs types de cellules:
 Les cellules de type I (les pneumocytes) sont les plus
abondantes.
 Les cellules de type II, qui sont caractérisées par la
présence de corps lamellaires internes et par les villosités qui
sécrètent le surfactant (matériau complexe tensioactif sécrété
continuellement dans la lumière alvéolaire (cholestérol, phospholipides...))
 Les cellules de type III riches en mitochondries.

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Poumon et thorax
La pompe respiratoire
Muscles respiratoires
L’inspiration est toujours active.
- Muscles intercostaux, muscles scalènes + muscles inspiratoires accessoires (intercostaux externes, sternocléido-
mastoïdiens) : rigidification de la cage thoracique
- Le diaphragme : Contraction à l’inspiration
Descente de la coupole diaphragmatique
Augmentation du diamètre de la cage thoracique (partie inférieure)
Diminution du diamètre de la cage thoracique dans sa partie supérieure
Au repos: Patm = PA
Pression intra-pleurale: 756 mmHg < 760 mmHg (atm)  Légère distension
alvéolaire au repos
La ventilation
Les volumes respiratoires
Spiromètre : mesure des volumes d'air inspirés et expirés par un patient ainsi que les débits s'y rattachant.
Volume espace mort : volume pulmonaire qui ne participe
pas aux échanges gazeux
Les 4 volumes pulmonaires
- Volume résiduel : c'est le volume qui reste même
lors d'une expiration forcée maximale
- Volume de réserve expiratoire : quantité d'air qu'il
est encore possible d'expulser par une expiration forcée
après une expiration normale
- Volume courant : quantité d'air qui sort ou entre
des poumons à chaque mouvement respiratoire
- Volume de réserve inspiratoire : volume maximum
d'air qu'un individu peut inspirer en plus de l'inspiration
normale