Système respiratoire: bases et fonction

Le Système Respiratoire

Le système respiratoire est un ensemble d'organes et de tissus qui travaillent ensemble pour permettre la respiration, processus essentiel à la vie. Il est composé des voies aériennes, des poumons et des muscles respiratoires.

Composition et Rôle

• Composition :

  • Cavité nasale

  • Pharynx

  • Larynx

  • Trachée

  • Arbre bronchique

  • Poumons (bronchioles et alvéoles)

  • Plèvre

  • Diaphragme

• Rôle :

  • Apporter de l'oxygène (O₂) au sang pour l'approvisionnement des cellules.

  • Éliminer le dioxyde de carbone (CO₂) du sang.

Types de Respiration

• Respiration externe : Échanges gazeux entre le sang et l'air dans les poumons.

• Respiration interne : Échanges gazeux entre le sang et les cellules du corps.

• Respiration cellulaire : Utilisation de l'O₂ par les cellules pour le métabolisme énergétique.

L'Appareil Respiratoire

L'appareil respiratoire se divise en deux parties principales : les voies aériennes supérieures et les voies aériennes inférieures.

Les Voies Aériennes Supérieures

• Description : Comprennent les fosses/cavités nasales et le pharynx.

• Rôle :

  • Conditionner l'air (le chauffer à 37°C et le saturer en humidité).

  • Filtration de l'air grâce à la clairance muco-ciliaire, un mécanisme de balayage des particules étrangères.

Les Voies Aériennes Inférieures

Description et Rôle

• Description : Incluent le larynx, la trachée et le système bronchique.

• Rôle : Similaire aux voies supérieures (conditionnement de l'air et filtration par la clairance muco-ciliaire).

• Mucoviscidose : Maladie caractérisée par un dysfonctionnementdu système de clairance muco-ciliaire, entraînant une accumulation de mucus épais.

Épithélium de la Zone de Conduction

L'épithélium des voies aériennes inférieures est spécialisé :

• Cellules caliciformes : Produisent le mucus.

• Cellules ciliées : Propulsent le mucus vers le pharynx pour son élimination.

Le Larynx

• Position : Situé dans la région cervicale, de C4 à C6.

• Structure : Majoritairement ostéo-cartilagineuse.

La Trachée

• Position : S'étend de C6 à T5.

• Terminaison : Se divise en deux bronches souches.

• Rôle : Assurer et maintenir le passage de l'air.

• Paroi : Divisée en plusieurs couches :

  • Muqueuse : Contient des cellules caliciformes et ciliées.

  • Sous-mu

queuse : Tissu conjonctif, 16-20 anneaux cartilagineux hyalins (maintien de la perméabilité) et fibres musculaires lisses.

• Adventice : Tissu conjonctif riche en vaisseaux et nerfs.

• Trachéotomie : Intervention chirurgicale facilitant la ventilation assistée et l'aspiration des sécrétions. Inconvénients : risque d'infections, altération de la parole, conditionnement de l'air perturbé.

Système Bronchique

Les bronches souches se subdivisent progressivement :

1. Bronches souches (droite en 3, gauche en 2 lobes).

2. Bronches lobaires.

3. Bronches segmentaires.

4. Bronchioles (diminution du diamètre).

5. Bronchioles terminales.

6. Bronchioles respiratoires.

7. Conduits alvéolaires.

8. Alvéoles pulmonaires.

Paroi des Bronches etBronchioles

• Bronches :

  • Armature cartilagineuse fragmentée.

  • Fibres musculaires lisses.

  • Fibres élastiques.

  • Asthme : Inflammation desbronches et hypersécrétion de mucus.

• Bronchioles :

  • Absence de cartilage.

  • Contiennent des fibres musculaires permettant la bronchodilatation/constriction.

Alvéoles Pulmonaires

• Regroupées en Acini : Unité de base des poumons.

• Membrane alvéolo-capillaire : Perméable aux gaz (environ 2 µm d'épaisseur), site de la respiration externe.

Le Surfactant

• Synthèse : Produit par les pneumocytes de type II.

• Composition : Substance phospholipidique.

• Fonctions :

  • Empêche l'assèchement des alvéoles.

  • Diminue la tension superficielle air/liquide.

  • Facilite l'expansion des alvéoles à l'inspiration.

  • Empêche les alvéoles de collaber (s'affaisser).

  • Maintient la perméabilité des alvéoles.

  • Participe au mécanisme de défense contre les micro-organismes.

• Insuffisance : Chez les prématurés (avant 28 semaines), ellepeut entraîner un syndrome de détresse respiratoire du nouveau-né.

Les Poumons

Définition et Caractéristiques

• Définition : Organes de la respiration.

• Consistance : Molle et élastique, deforme conique.

• Capacité respiratoire : Environ 5 litres.

• Localisation :

  • Base concave reposant sur le diaphragme.

  • Apex situé derrière la clavicule.

• Protection : Protégés par les côtes 1 à 7.

Morphologie

• Face médiale concave : Contient le hile pulmonaire.

• Hile pulmonaire : Zone de passage pour la bronche souche,l'artère pulmonaire, les nerfs, les veines pulmonaires et les vaisseaux lymphatiques.

La Plèvre

• Définition : Membrane séreuse à deux feuillets définissant une cavité pleurale.

  • Pariétal : Adhère à la face interne de la paroi thoracique et à la face supérieure du diaphragme.

  • Viscéral : Adhère étroitement à la face externe des poumons.

• Rôles :

  • Maintiende la pression négative dans la cavité pleurale pour garder les alvéoles ouvertes.

  • Défense des poumons contre les infections et l'inflammation.

Débit Aérien et Ventilation Pulmonaire

L'air entreet sort des alvéoles de manière passive, en réponse à des gradients de pression. L'air se déplace toujours d'une zone de haute pression vers une zone de plus basse pression.

Pressions Impliquées

• Pression atmosphérique ( ou) :

  • Constante : environ 760 mmHg ou 101,3 kPa.

  • Pression de référence du système respiratoire (par convention, ).

• Pression alvéolaire ( ou ) :

  • Varie en fonction du cycle respiratoire.

  • Influencée par les variations de volume pulmonaire.

• Pression pleurale :

  • Toujours négative par rapport à la pression atmosphérique.

  • Toujours inférieure à la pression alvéolaire.

Définition du Débit Aérien

Phénomène mécanique

et automatique contrôlé par les centres respiratoires du bulbe. Un volume pulmonaire induit un gradient de pression qui produit un débit vers les alvéoles.

L'Inspiration

• Processus : Actif, résultant de la contraction simultanée du diaphragme (++) et des muscles intercostaux externes.

• Mécanisme :

  • Augmentation du volume thoracique.

  • Expansion pulmonaire.

  • Diminution de la pression intrapulmonaire ().

  • L'air est attiré de l'extérieur ().

Les Muscles Respiratoires

• Le Diaphragme :

  • Muscle puissant en forme de coupole convexe, séparant la cavité thoracique de la cavité abdominale.

  • Vascularisation : Artères/veines phréniques.

  • Innervation : Nerfs phréniques.

  • Contraction :Abaissement du diaphragme, augmentant le volume thoracique.

• Muscles respiratoires accessoires :

  • Sterno-cléido-mastoïdien, grand pectoral, scalènes.

  • Interviennent principalement dans l'inspiration forcée.

Le Cycle Respiratoire

Inspiration

1. Contraction des muscles inspiratoires.

2. Expansion thoracique.

3. Pression pleurale diminue.

4. Expansion pulmonaire.

5. diminue.

6. .

7. Débit aérien vers les alvéoles.

Expiration

• L'expiration normale :

  • Phénomène passif lié au relâchement musculaire.

  • Diminution du volume thoracique.

  • Rejet d'air riche en CO₂ et pauvre en O₂.

  • Pression de l'air alvéolaire > Pression de l'air atmosphérique ().

  • Rétraction élastique du poumon, expulsant l'air.

• L'expiration forcée :

  • Phénomène actiflié à la contraction des muscles intercostaux internes et abdominaux.

  • Les côtes s'abaissent davantage, réduisant encore le volume thoracique.

Durée du Cycle Respiratoire

• Durée totale du cycle respiratoire () = Durée de l'Inspiration () + Durée de l'Expiration ().

• Au repos : .

Composition des Gaz dans l'Air

La somme des fractions des gaz est égale à 1 ou 100%. Par exemple, la fraction O₂ inspirée () est de 0,21 ou 21%.

Mesure des Volumes et des Pressions Pulmonaires

L'amplitude des mouvements thoraciques est variable et la ventilation pulmonaire ne mobilise pas la totalité des volumes pulmonaires.

Mesures Clés

• Volume pulmonaire : Mesure directe ou indirecte.

• Pression :

  • Pression atmosphérique (mesurée par baromètre).

  • Pression alvéolaire (mesurée parpression buccale lors d'une apnée).

  • Pression pleurale (mesurée par pression œsophagienne).

• Spirométrie : Technique utilisée pour mesurer les volumes et débits pulmonaires.

Volumes Pulmonaires

• Volume Résiduel (VR) :

  • Volume pulmonaire à la fin d'une expiration forcée.

  • Non mobilisable, mesuré indirectement.

  • Adulte : environ 1000 ml.

• Volume Courant (VC ou ) :

  • Volume mobilisé au cours d'un cycle respiratoire normal (aussi appelé Volume tidal).

  • Adulte au repos : ml.

• Volume de Réserve Inspiratoire (VRI) :

  • Volume additionnel pouvant être inspiré après une inspiration normale.

  • Adulte : ml.

• Volume de Réserve Expiratoire (VRE) :

  • Volume additionnel pouvant être expiré après une expiration normale.

  • Adulte : ml.

• CapacitéVitale (CV) :

  • Totalité des volumes mobilisables.

  • .

  • Adulte : ml.

• CapacitéRésiduelle Fonctionnelle (CRF) :

  • Volume pulmonaire en fin d'expiration normale.

  • Volume pulmonaire de repos.

  • .

  • Mesuré indirectement.

  • Adulte : ml.

• Capacité Pulmonaire Totale (CPT) :

  • Somme de tous les volumes pulmonaires.

  • .

  • Adulte : ml.

• Volume Mort Physiologique () :

  • Volume d'air qui ne participe pas aux échanges gazeux.

  • .

  • Volume mort anatomique : air contenu dans les voies aériennes de conduction ( ml).

  • Volume mort alvéolaire : air contenu dans un territoire alvéolaire ventilé mais mal perfusé (négligeable chez le sujet normal).

  • Chez le sujet normal, le volume mort physiologique est égal au volume mort anatomique.

Ventilation Minute ( ou ) = Débit Ventilatoire

• Volume pulmonaire mobilisé en une minute.

• .

• Au repos : .

• En exercice intense : .

• Ventilation alvéolaire () : .

Échanges Gazeux

Les échanges gazeux ont lieu au travers de la barrière alvéolo-capillaire.

$V_{gas} \propto A \cdot D \cdot (P_1 - P_2)" data-type="inline-math"></span>$

Où :

• : Débit de gaz.

• : Surface alvéolaire (50 à 100 m² due aux 500 millions d'alvéoles).

• : Épaisseur de la barrière (0,5 µm).

• : Différence des pressions partielles.

• : Constante de diffusion ().

  • : Solubilité du gaz.

  • : Poids moléculaire.

  • Le CO₂ est plus soluble et diffuse donc plus vite que l'O₂.

Ventilation Alvéolaire

Au niveau de l'alvéole, les échanges se font par diffusion, selon la loi de Fick. La force motrice est la pression partielle des gaz entre l'alvéole et le globule rouge.

Diffusion Alvéolo-Capillaire

L'O₂ se combine chimiquement avec l'hémoglobine.

Transport des Gaz Respiratoires

• Transport de l'O₂ :

  • Principalement transporté par l'hémoglobine (Hb),formant l'oxyhémoglobine.

  • 1 molécule d'Hb transporte 4 molécules d'O₂.

  • 1 globule rouge contient environ 280 millions d'Hb.

  • Le sang contient environ 15 g d'Hb pour 100 mL, transportant environ 21 mL d'O₂.

  • L'oxyhémoglobine est instable et libère l'O₂ dans les tissus où la est basse et le pH est bas (effet Bohr).

• Lespropriétés de liaison entre l'oxygène et l'hémoglobine peuvent changer (par exemple, influencées par les modifications du pH).

Consommation d'O₂ et Production de CO₂

Les mesures sont effectuées à l'aide d'un embout buccal et d'une pince-nez, avec des analyseurs mesurant l'O₂ et le CO₂ inspirés et expirés à chaque cycle.

• Consommation d'O₂ () : $V'O_2 = (V'_I \times FIO_2) - (V'_E \times FEO_2)" data-type="inline-math"></span>$

• Production de CO₂ () : $V'CO_2 = (V'_E \times FECO_2) - (V'_I \times FICO_2)" data-type="inline-math"></span>$ (La FICO₂ est généralement assumée comme 0)

• Quotient Respiratoire (R) : $R = \frac{V'CO_2}{V'O_2}" data-type="inline-math"></span>$

  Pour le glucose : 1 glucose + 1 O₂ + ADP 1 CO₂ + H₂O + ATP, donc R = 1.

Équilibre Acide-Base

Maintenu par plusieurs systèmes tampons, dont le système bicarbonate.

Équation d'Henderson-Hasselbach :

$pH = 6.1 + \log \left(\frac{HCO_3^-}{0.03 \, PaCO_2}\right)" data-type="inline-math"></span>$

Valeurs Normales :

• pH : 7.4 (intervalle : 7.38 - 7.42)

• : 40 mmHg (intervalle : 35 - 45 mmHg)

• : 24mmol/L (intervalle : 23 - 28 mmol/L)

• : 90 mmHg (intervalle : 85 - 95 mmHg)

La Circulation Pulmonaire

Réseau trèsdense de vaisseaux sanguins autour des alvéoles.

• Volume : Environ 70 ml.

• Temps de transit moyen : 0,75 s.

• Parois : Fines, favorisant les échanges.

Hémodynamique Pulmonaire

• Pressions : Le sang circule d'une zone de haute pression vers une zone de basse pression.

• Débits : Volume de sang qui s'écoule par unité de temps,proportionnel à la différence de pression entre deux points.

• Résistances : Difficulté d'un liquide à circuler pour une différence de pression donnée.

  • Artère pulmonaire : Relativement basses pressions.

  • Capillaires : Échanges gazeux, faibles pressions.

  • Veine pulmonaire : Très basses pressions.

Comparaison des pressions :

Contrôle du Système Respiratoire

Le système respiratoire est contrôlé par un réseau complexe de centres nerveux et de capteurs.

Composantes du Contrôle

• Centre régulateur : Situé dans la protubérance (pont) et le bulbe rachidien, ainsi que d'autres structures cérébrales.

• Capteurs : Chémorécepteurs,récepteurs pulmonaires et autres.

• Effecteurs : Muscles respiratoires (diaphragme, intercostaux, etc.).

Contrôle du Rythme Respiratoire

• Centres respiratoires (CR) :

  • Bulbaires : Assurent le rythme respiratoire de base (automatisme de l'inspiration).

  • Du pont : Contrôlent la rythmicité du centre bulbaire.

• Chémorécepteurs : Sensibles à la , et au pH.

• Récepteurs à l'étirement : Dans les poumons (réflexe de Hering-Breuer).

• Récepteurs à l'irritation : Dans les voies aériennes.

• Contrôle volontaire : Par des centres supérieurs de l'encéphale et de l'hypothalamus.

• Objectif : Maintenir la (et la ) constantes.

Intégration du Contrôle

• Chémorécepteurs au CO₂ : Récepteurs centraux (dans le bulbe).

• Chémorécepteurs carotidiens : Sensibles à la et au pH.

• Mécanorécepteurs pulmonaires.

• Barorécepteurs.

• Récepteurs à la douleur, à la température.

• Le sommeil, le coma et l'anesthésie peuvent modifier le contrôle ventilatoire.

Pathologies du Système Respiratoire

• Pleurésie : Excès de liquide pleural.

• Épanchement pleural : Accumulation de liquide dans la cavité pleurale.

• Pneumothorax : Présence d'air dans la cavité pleurale, provoquantl'affaissement du poumon.

Réponses aux Questions

Question 1 :

• L'épithélium de la zone de conduction contient des pneumocytes. Faux (il contient des cellules caliciformes et ciliées ; les pneumocytes sont dansles alvéoles).

• L'air qui entre et sort des poumons se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Vrai.

• Le volume résiduel des poumons est de 3 L chez un sujet normal au repos. Faux (il est d'environ 1 L).

• L'inspiration se fait par la relaxation des muscles inspiratoires. Faux (elle se fait par la contraction des muscles inspiratoires).

Question 2 :

• La régulation acido-basique se fait majoritairement par la présence dans le sang du tampon bicarbonate. Vrai.

• Une acidose respiratoire non compensée se traduit par une diminution du pH. Vrai.

• La normalité de la dans le sang artérielest de 15 mmHg. Faux (elle est d'environ 40 mmHg).

• Les résistances vasculaires systémiques sont plus importantes que les résistances vasculaires pulmonaires. Vrai.

Question 3 :

• La grande valeur régulée du système respiratoire est la . Vrai.

• La variation du pH est régulée grâce à la présence de chémorécepteurs présents dans la crosse aortique. Faux (les chémorécepteurs aortiques sont sensibles à la et au pH, mais la régulation du pH est aussi assurée par les récepteurs centraux aux variations de ).

• On trouve des chémorécepteurs qui répondent à la dans lesbifurcations des carotides. Vrai (ce sont les corps carotidiens).

• Pour compenser une augmentation de la , on va hypoventiler. Faux (on va hyperventiler pour éliminer l'excès de ).