Physiologie respiratoire.docx

# Introduction à la physiologie respiratoire et anatomie Ce chapitre présente la fonction respiratoire générale, l'échange gazeux, et la structure anatomique du système respiratoire, incluant les voies aériennes et les poumons. ### 1.1 Définition et fonction générale de la respiration La respiration, au sens large, concerne l'échange de gaz entre le milieu ambiant et les cellules de l'organisme. Pour les organismes unicellulaires, cet échange se fait par diffusion simple. Pour les métazoaires, un appareil respiratoire spécialisé est nécessaire pour capter l'oxygène (utilisé pour la respiration cellulaire) et rejeter le dioxyde de carbone. ### 1.2 Anatomie du système respiratoire Le système respiratoire comprend les voies aériennes et les poumons. #### 1.2.1 Les voies aériennes * **Parcours de l'air :** L'air entre par le nez, passe par le pharynx et le larynx, puis descend dans la trachée. La trachée se divise en deux bronches principales qui se ramifient en bronchioles, menant finalement aux alvéoles. * **Larynx :** Le larynx partage une fonction commune avec le système digestif (pharynx), tandis que le reste des voies aériennes est indépendant. * **Structure des bronches :** Les bronches ne sont pas rigides ; elles contiennent des plaques de cartilage qui permettent leur contraction et relaxation. Elles sont riches en vaisseaux sanguins pour oxygéner et nourrir les tissus. * **Épithélium :** Les voies aériennes sont tapissées d'un épithélium qui joue un rôle immunitaire. Les cellules ciliées, associées aux cellules produisant du mucus, piègent les particules de poussière et les agents pathogènes, offrant une protection. #### 1.2.2 Les poumons * **Structure :** Les poumons sont constitués de muscle lisse et sont recouverts d'une double membrane (plèvre). Le poumon gauche, plus petit, possède deux lobes, tandis que le poumon droit en a trois. * **Alvéoles :** Les alvéoles sont les unités d'échange gazeux. Elles sont entourées par un sac alvéolaire de tissu conjonctif, ainsi que par des capillaires sanguins. * **Circulation sanguine pulmonaire :** Deux circuits circulatoires sont impliqués dans les poumons : un circuit nutritif pour les cellules pulmonaires et un circuit fonctionnel pour les échanges gazeux. * **Nombre d'alvéoles :** Les poumons contiennent entre 600 et 800 millions d'alvéoles, dont le nombre peut diminuer au cours de la vie en raison de pathologies. ### 1.3 Fonctions du système respiratoire Outre la fonction principale de respiration (oxygénation des tissus et élimination du CO2), le système respiratoire remplit plusieurs autres fonctions : * Maintien de l'équilibre acido-basique. * Phonation (parler, chanter). * Processus physiologiques variés : déglutition, hoquet, bâillement, soupir, vomissement. * Filtration du sang et fonction de réservoir sanguin. * Fonctions immunitaires. * Thermorégulation et équilibre hydrique. * Synthèse de l'angiotensine II, un vasoconstricteur impliqué dans l'hypertension. #### 1.3.1 Fonctions immunitaires Les cils épithéliaux et le mucus forment une barrière protectrice contre les particules étrangères, les virus et les bactéries. En cas de mucoviscidose, un mucus épais entrave le fonctionnement des cils, favorisant les infections et les inflammations. #### 1.3.2 Régulation pulmonaire de la température et de l'hydratation L'air inhalé est réchauffé et humidifié par les muqueuses des voies aériennes. Cette humidification entraîne une perte de vapeur d'eau par évaporation, contribuant à la thermorégulation et à la balance hydrique. ### 1.4 Étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire comprend plusieurs étapes : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvements d'air entre l'environnement extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Passage de l'O2 des alvéoles vers les capillaires sanguins et du CO2 dans le sens inverse. 3. **Transport des gaz dans le sang :** L'O2 et le CO2 sont transportés dans le sang. 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Passage de l'O2 des capillaires vers les cellules et du CO2 dans le sens inverse. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'O2 par les cellules pour produire de l'ATP à partir du glucose. ### 1.5 Contrôle nerveux de la respiration La respiration est principalement autonome mais peut être contrôlée volontairement par le système nerveux central. Elle est innervée par le système nerveux autonome. ### 1.6 Ventilation pulmonaire : composition de l'air et pression partielle #### 1.6.1 Composition de l'air atmosphérique L'air est un mélange de gaz, dont les fractions principales sont : * Azote ($N_2$) : environ 78% * Oxygène ($O_2$) : environ 21% * Argon ($Ar$) : environ 0,85% * Dioxyde de carbone ($CO_2$) : environ 0,05% * Traces d'autres gaz (Hydrogène, eau, ozone) : environ 0,10% #### 1.6.2 Pression partielle des gaz La pression partielle d'un gaz dans un mélange gazeux est le produit de la pression totale par la fraction de ce gaz. La pression atmosphérique ($P_{atm}$) est le poids de la colonne d'air par unité de surface, environ 760 mmHg (101 kPa) à l'altitude zéro. * Pression partielle de l'oxygène ($P_{O_2}$) = $P_{atm} \times \text{fraction d' } O_2$. Par exemple, à pression atmosphérique normale : $P_{O_2} = 760 \text{ mmHg} \times 0,21 = 160 \text{ mmHg}$ (21 kPa). #### 1.6.3 Rappel d'unités de pression * 1 kPa = 7,5 mmHg * 1 mmHg = 0,133 kPa * 1 bar = 100 kPa = 750 mmHg #### 1.6.4 Effet de l'altitude Avec l'augmentation de l'altitude, la pression atmosphérique diminue. La fraction des gaz reste la même, mais leur pression partielle diminue. Par exemple, au sommet de l'Everest, la $P_{atm}$ est d'environ 250 mmHg, donc la $P_{O_2}$ est de seulement 53 mmHg, rendant l'oxygénation plus difficile. #### 1.6.5 Effet de la vapeur d'eau La pression partielle de vapeur d'eau augmente avec la température, réduisant la pression partielle des autres gaz. L'air alvéolaire est toujours à 37°C et 100% d'humidité, tandis que l'air inhalé a une température et une humidité variables. L'équation pour la pression partielle de l'oxygène dans l'air alvéolaire est influencée par la pression partielle de la vapeur d'eau : $P_{O_2} = (P_{atm} - P_{H_2O}) \times 0,21$. ### 1.7 Cycle respiratoire et ventilation pulmonaire #### 1.7.1 Mouvements respiratoires Le cycle respiratoire comprend l'inspiration (entrée d'air) et l'expiration (sortie d'air). * **Inspiration :** Phénomène actif impliquant la contraction du diaphragme (qui descend, repoussant les organes abdominaux vers le bas) et des muscles intercostaux externes, augmentant le volume de la cage thoracique. * **Expiration :** Généralement passive, résultant du relâchement des muscles inspiratoires et du retour élastique de la cage thoracique et des poumons. L'expiration forcée nécessite l'activation de muscles expiratoires supplémentaires. #### 1.7.2 Fréquence et durée des cycles * **Cycle respiratoire :** Inspiration + expiration. Durée d'environ 4-5 secondes chez l'adulte au repos. * **Fréquence respiratoire :** Nombre de cycles par minute (15-20 chez l'adulte, 40-60 chez le bébé). Cette fréquence double lors d'un effort. * **Rapport inspiration/expiration (au repos) :** La durée de l'inspiration ($T_I$) est généralement plus courte que celle de l'expiration ($T_E$), avec un rapport $T_I/T_E$ d'environ 1/2. #### 1.7.3 Production du débit aérien Le débit aérien est produit par les différences de pression entre l'atmosphère et les alvéoles, selon la loi de Boyle-Mariotte (pression inversement proportionnelle au volume à température constante). L'augmentation du volume de la cage thoracique lors de l'inspiration entraîne une diminution de la pression alvéolaire ($P_{alv}$) par rapport à la pression atmosphérique ($P_{atm}$), provoquant l'entrée d'air. L'expiration est causée par l'inverse. #### 1.7.4 Rôle des plèvres Les plèvres, une double membrane (pariétale et viscérale) entourant les poumons, créent une cavité pleurale où règne une pression négative. Cette pression négative maintient les deux feuillets accolés et permet aux poumons de suivre les mouvements de la cage thoracique, assurant leur expansion lors de l'inspiration. ### 1.8 Volumes et capacités respiratoires Ces paramètres sont mesurables par spirométrie. * **Volume Courant ($VC$) :** Volume d'air inspiré ou expiré lors d'une respiration normale au repos (environ 500 ml chez l'adulte). * **Volume Inspiratoire de Réserve ($VRI$) :** Volume maximal d'air pouvant être inspiré à la fin d'une inspiration normale (2-3 litres). * **Volume Expiratoire de Réserve ($VRE$) :** Volume maximal d'air pouvant être expiré à la fin d'une expiration normale (environ 1 litre). * **Volume Résiduel ($VR$) :** Volume d'air restant dans les poumons après une expiration maximale (environ 1 litre). Il n'est pas mobilisable. Les capacités sont des sommes de volumes : * **Capacité Vitale ($CV$) :** Somme de tous les volumes mobilisables ($VRI + VC + VRE$), soit la capacité maximale d'inspiration et d'expiration (4-5 litres). * **Capacité Résiduelle Fonctionnelle ($CRF$) :** Volume pulmonaire au repos après une expiration normale ($VRE + VR$), environ 2 litres. * **Capacité Pulmonaire Totale ($CPT$) :** Somme de tous les volumes pulmonaires ($VRI + VC + VRE + VR$), environ 5 litres. ### 1.9 Ventilation minute, espaces morts et ventilation alvéolaire #### 1.9.1 Ventilation minute Le débit ventilatoire par minute est le produit du volume courant et de la fréquence respiratoire : Ventilation minute = $VC \times \text{fréquence respiratoire}$. Il varie de 5-8 L/min au repos à 60-100 L/min lors d'un effort intense. #### 1.9.2 Espaces morts L'air inspiré ne participe pas entièrement aux échanges gazeux. * **Espace mort anatomique :** Volume d'air contenu dans les voies aériennes conductrices (nez, pharynx, larynx, trachée, bronches) qui ne participent pas aux échanges gazeux (environ 150 ml, soit 20% du $VC$). * **Espace mort alvéolaire :** Alvéoles non perfusées par les capillaires. Normalement négligeable, il peut augmenter en cas d'embolie pulmonaire. * **Espace mort physiologique :** Somme de l'espace mort anatomique et alvéolaire. Chez un sujet sain, il est essentiellement égal à l'espace mort anatomique. La ventilation alvéolaire est le volume d'air qui atteint réellement les alvéoles pour les échanges. #### 1.9.3 Distribution régionale de la ventilation La ventilation est généralement meilleure à la base des poumons qu'au sommet, en raison de l'effet de la gravité sur la perfusion. La partie supérieure des poumons est davantage sollicitée lors d'inspirations maximales ou d'efforts intenses. ### 1.10 Propriétés mécaniques de l'appareil respiratoire #### 1.10.1 Propriétés élastiques L'appareil respiratoire (poumons et cage thoracique) est une structure élastique. Les muscles inspiratoires doivent vaincre ces forces élastiques pour permettre l'entrée d'air. Après l'arrêt de la contraction musculaire, les forces de rétraction élastique ramènent le système à sa position initiale. L'expiration passive repose sur ces forces élastiques. * **Compliance pulmonaire :** Mesure de la capacité d'un poumon à se distendre. Elle est représentée par la pente de la courbe pression-volume des poumons. Le poumon possède des propriétés élastiques dues à son tissu (fibres élastiques et collagène) et aux forces de tension superficielle du liquide alvéolaire. #### 1.10.2 Tension superficielle et surfactant La tension superficielle, due aux forces de rétraction du liquide à l'interface air-liquide, tend à réduire la surface et peut provoquer le collapsus des alvéoles. Le surfactant, une lipoprotéine sécrétée par les pneumocytes de type II, diminue cette tension superficielle, empêchant le collapsus des alvéoles, particulièrement les plus petites. * **Loi de Laplace :** La pression ($P$) à l'intérieur d'une sphère est proportionnelle à la tension superficielle ($TS$) et inversement proportionnelle au rayon ($r$) : $P = 2TS/r$. Cela explique pourquoi les petites alvéoles ont une tendance plus forte à se collapser. #### 1.10.3 Propriétés résistives Les forces résistives s'opposent au passage de l'air dans les voies aériennes. Elles sont dues à la résistance à l'écoulement de l'air dans les conduits (80%) et aux frottements tissulaires (20%). * **Loi de Poiseuille-Darcy :** La résistance ($R$) est inversement proportionnelle à la puissance quatre du rayon ($r$) du conduit : $R \propto l/\pi r^4$, où $l$ est la longueur et $n$ la viscosité. La résistance totale des voies aériennes est une somme de résistances en série (pour les gros troncs) et en parallèle (pour les petites bronches). La faible contribution des petites bronches à la résistance totale, malgré leur petit diamètre, s'explique par leur arrangement en parallèle. * **Mesure de la VEMS (VEMS) :** Le Volume d'Expiration Maximal en 1 Seconde, mesuré par spirométrie, est un indicateur de la résistance des voies aériennes. Le Rapport de Tiffeneau ($VEMS/CV$) normal est de 75-80%. Un rapport inférieur indique une obstruction des voies aériennes ou une réduction du volume pulmonaire. ### 1.11 Circulation pulmonaire #### 1.11.1 Anatomie et spécificités hémodynamiques Le système circulatoire pulmonaire forme un réseau à basse pression. Il reçoit l'intégralité du débit cardiaque via l'artère pulmonaire issue du ventricule droit. L'artère pulmonaire se ramifie jusqu'aux capillaires pulmonaires entourant les alvéoles, puis les capillaires se rejoignent pour former les veines pulmonaires qui se jettent dans l'oreillette gauche. Les artères pulmonaires sont pauvres en O2 et riches en CO2, tandis que les veines pulmonaires sont riches en O2 et pauvres en CO2. #### 1.11.2 Caractéristiques de la circulation pulmonaire * **Basse pression :** Le système pulmonaire fonctionne à une pression significativement plus basse que la circulation systémique. * **Forte compliance :** Les vaisseaux pulmonaires sont très distensibles. * **Faible résistance :** La résistance vasculaire pulmonaire est environ 10 fois inférieure à celle de la circulation générale. * **Fonctionnelle et non nutritive :** La circulation pulmonaire est principalement dédiée aux échanges gazeux, contrairement à la circulation systémique qui a aussi une fonction nutritive pour les organes. Les bronches ont leur propre système circulatoire nutritif. #### 1.11.3 Débits, pressions et résistances * **Débit pulmonaire :** Égal au débit cardiaque (environ 5 L/min au repos). * **Résistance Vasculaire Pulmonaire (RVP) :** $RVP = (P_{artère pulmonaire} - P_{oreillette gauche}) / \text{Débit}$. * **Résistance Vasculaire Générale (RVG) :** $RVG = (P_{artérielle moyenne} - P_{oreillette droite}) / \text{Débit}$. La $RVP$ est environ 10 fois plus faible que la $RVG$. #### 1.11.4 Contrôle de la résistance pulmonaire * **Mécanismes passifs :** Incluent le débit cardiaque, le volume pulmonaire et la gravité. Une augmentation du débit cardiaque peut entraîner une diminution de la résistance par recrutement des capillaires et distensibilité des vaisseaux. La gravité influence la répartition du débit sanguin, avec une perfusion plus importante à la base des poumons. * **Mécanismes actifs :** Impliquent des facteurs comme l'hypoxie, le contrôle nerveux et les agents vasoactifs. L'hypoxie locale entraîne une vasoconstriction hypoxique qui redirige le sang vers les zones mieux ventilées. Les substances vasoactives (vasodilatatrices comme le NO, vasoconstrictrices comme l'angiotensine II) modulent le diamètre des vaisseaux et donc la résistance. ### 1.12 Échanges gazeux : diffusion alvéolo-capillaire #### 1.12.1 Facteurs contrôlant les échanges Les échanges d'O2 et de CO2 entre les alvéoles et les capillaires dépendent principalement des gradients de pression partielle et de la surface et épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire (MAC). * **Membrane alvéolo-capillaire (MAC) :** Extrêmement fine (0,3-0,5 micromètre d'épaisseur), elle est composée d'une couche de cellules endothéliales des capillaires, d'une membrane basale commune et d'une couche de pneumocytes de type I des alvéoles. Sa grande surface (environ 100 $m^2$) facilite le transfert rapide des gaz. #### 1.12.2 Pressions gazeuses * Pression alvéolaire en O2 ($P_{AO_2}$) : environ 100 mmHg. * Pression capillaire en O2 (avant les alvéoles, $P_{cO_2}$) : environ 40 mmHg. * Pression capillaire en CO2 (avant les alvéoles, $P_{cCO_2}$) : environ 45 mmHg. * Pression alvéolaire en CO2 ($P_{ACO_2}$) : environ 40 mmHg. #### 1.12.3 Diffusion de l'O2 et du CO2 * **Oxygène :** Le gradient de pression ($P_{AO_2} > P_{cO_2}$) favorise le passage de l'O2 des alvéoles vers les capillaires. L'équilibre est atteint rapidement (0,3-0,4 secondes) en raison du gradient important et de la diffusion efficace. * **Dioxyde de carbone :** Le gradient de pression ($P_{cCO_2} > P_{ACO_2}$) favorise le passage du CO2 des capillaires vers les alvéoles. Bien que le gradient soit plus faible que pour l'O2, la diffusion du CO2 est beaucoup plus rapide (20 000 fois plus soluble que l'O2), permettant un équilibre tout aussi rapide. #### 1.12.4 Rapport Ventilation/Perfusion (V/Q) Le rapport entre la ventilation alvéolaire et la perfusion capillaire est crucial pour l'efficacité des échanges gazeux. * **Zone 1 (sommet) :** Ventilation > Perfusion ($V/Q$ élevé). Moins sollicitée au repos. * **Zone 2 (milieu) :** Ventilation = Perfusion ($V/Q$ idéal). Principalement utilisée au repos. * **Zone 3 (base) :** Perfusion > Ventilation ($V/Q$ faible). Sollicitée lors d'efforts. ### 1.13 Transport des gaz dans le sang #### 1.13.1 Généralités * L'O2 et le CO2 sont transportés dans le sang, dissous dans le plasma ou liés à des transporteurs. Seule la fraction dissoute participe à la pression partielle des gaz. * **Transport de l'O2 :** Principalement lié à l'hémoglobine dans les globules rouges (97%), avec une petite fraction dissoute dans le plasma (3%). * **Transport du CO2 :** Principalement sous forme de bicarbonates ($HCO_3^-$) dans le plasma (65%), une partie liée à l'hémoglobine (30%), et une petite fraction dissoute (5-10%). #### 1.13.2 Structure et propriétés de l'hémoglobine L'hémoglobine (Hb) est un pigment respiratoire composé de quatre chaînes polypeptidiques et de quatre groupes hème contenant du fer ($Fe^{2+}$) capable de fixer l'O2. Elle a une affinité pour l'O2, le CO2, les protons ($H^+$), le CO et le 2,3-DPG. Le CO a la plus forte affinité pour l'Hb. * **Types d'hémoglobine :** HbA1 (adulte, $\alpha_2\beta_2$), HbF (fœtale, $\alpha_2\gamma_2$). Des mutations génétiques peuvent entraîner des formes anormales d'Hb, comme dans la drépanocytose. #### 1.13.3 Transport de l'oxygène * **Pouvoir oxyphorique de l'hémoglobine :** La capacité de fixation de l'O2 par l'hémoglobine est d'environ 1,34 ml d'O2 par mg d'Hb. * **Saturation en O2 de l'Hb ($SaO_2$) :** Exprimée en pourcentage, elle représente la quantité d'O2 liée à l'Hb par rapport à la quantité maximale possible. * **Effet Bohr :** L'affinité de l'Hb pour l'O2 est influencée par plusieurs facteurs : * Une augmentation de la $P_{CO_2}$ ou une diminution du pH (acidose) diminuent l'affinité de l'Hb pour l'O2, favorisant le relargage de l'O2 dans les tissus. * Une diminution de la $P_{CO_2}$ ou une augmentation du pH (alcalose) augmentent l'affinité de l'Hb pour l'O2, favorisant sa captation dans les poumons. #### 1.13.4 Transport du dioxyde de carbone Le CO2 est transporté sous trois formes : 1. **Dissous :** Petite fraction, mais importante pour les gradients de pression. Le CO2 est 20 000 fois plus soluble que l'O2. 2. **Lié à l'hémoglobine :** Sous forme d'hémoglobine carbaminée. 3. **Sous forme de bicarbonate ($HCO_3^-$) :** Le CO2 réagit avec l'eau dans les globules rouges en présence de l'enzyme anhydrase carbonique pour former de l'acide carbonique ($H_2CO_3$), qui se dissocie en ions $H^+$ et $HCO_3^-$. Les ions $HCO_3^-$ sortent des globules rouges en échange d'ions chlorure ($Cl^-$) (échange de Hamburger) pour maintenir la neutralité électrique. Les ions $H^+$ sont tamponnés par l'hémoglobine. * **Effet Haldane :** La fixation de l'O2 sur l'Hb diminue son affinité pour le CO2, favorisant ainsi le relargage du CO2 dans les poumons. Inversement, une faible $PO_2$ (dans les tissus) augmente l'affinité de l'Hb pour le CO2. ### 1.14 Contrôle nerveux de la respiration #### 1.14.1 Automatisme respiratoire L'automatisme respiratoire, responsable de la rythme respiratoire fondamental, est généré par des réseaux de neurones situés dans le tronc cérébral (bulbe rachidien et protubérance). * **Centre pneumotaxique (protubérance) :** Modère le rythme respiratoire et facilite la transition inspiration/expiration. * **Groupes respiratoires bulbaires :** * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Contrôle l'inspiration en innervant les muscles inspiratoires via les nerfs phréniques. Il reçoit des informations sensitives. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Contient des neurones impliqués dans l'inspiration et l'expiration (surtout pour l'expiration forcée). #### 1.14.2 Chimiorécepteurs Ils détectent les variations des gaz du sang et du pH. * **Chémorécepteurs centraux :** Situés à la surface ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de $H^+$ dans le liquide céphalo-rachidien, qui reflètent principalement les variations de $P_{CO_2}$ du sang. Une augmentation de $P_{CO_2}$ (et donc de $H^+$) stimule la respiration. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils sont sensibles aux variations de $P_{O_2}$, $P_{CO_2}$ et du pH du sang artériel. Ils sont particulièrement sensibles à une baisse de $P_{O_2}$. #### 1.14.3 Mécanorécepteurs * **Mécanorécepteurs pulmonaires (réflexe de Hering-Breuer) :** Sensibles à l'étirement des poumons, ils peuvent inhiber l'inspiration lorsque les poumons sont trop distendus. * **Mécanorécepteurs pharyngés :** Sensibles à l'étirement, ils jouent un rôle dans la déglutition et la protection des voies aériennes. #### 1.14.4 Autres facteurs La température, la douleur, les stimuli émotionnels et certains agents pharmacologiques (comme les opiacés) peuvent également influencer le contrôle de la respiration en agissant sur les centres respiratoires. #### 1.14.5 Adaptation de la respiration Le centre respiratoire ajuste en permanence la fréquence et le volume courant pour maintenir l'homéostasie des gaz sanguins et du pH. Des boucles de rétrocontrôle négatif permettent de revenir à une respiration normale lorsque les paramètres reviennent à la normale. Une augmentation de $P_{CO_2}$ ou une diminution de $P_{O_2}$ stimulent l'hyperventilation, tandis qu'une diminution de $P_{CO_2}$ ou une augmentation de $P_{O_2}$ peuvent entraîner une hypoventilation ou une apnée. --- Voici un résumé détaillé sur l'introduction à la physiologie respiratoire et à l'anatomie, axé sur les pages 10 à 12 du document fourni. La physiologie respiratoire concerne l'échange de gaz entre l'environnement extérieur et les cellules de l'organisme, un processus essentiel soutenu par une structure anatomique complexe. ### 1.1 Le système respiratoire : structure et fonctions générales Le système respiratoire permet l'entrée de l'oxygène (O2) et le rejet du dioxyde de carbone (CO2). Il comprend les voies aériennes supérieures (nez, pharynx, larynx) et inférieures (trachée, bronches, bronchioles) menant aux alvéoles, les unités fondamentales d'échange gazeux. Les voies aériennes sont constituées de structures cartilagineuses flexibles tapissées d'un épithélium doté de cellules ciliées et productrices de mucus, jouant un rôle protecteur contre les particules et les infections. Les poumons, composés de muscles lisses et de double feuillet pleural, présentent des différences anatomiques : le poumon gauche a deux lobes et le droit en a trois. Les alvéoles, entourées de sacs alvéolaires, de tissu conjonctif et de capillaires, sont le site principal des échanges gazeux. Le système circulatoire pulmonaire assure non seulement l'oxygénation du sang mais aussi la nutrition des cellules alvéolaires. **Fonctions principales du système respiratoire :** * **Respiration :** Oxygénation des tissus et élimination du CO2. * **Maintien de l'équilibre acido-basique.** * **Production de la parole, du chant, et d'autres vocalisations.** * **Fonctions annexes :** déglutition, hoquet, bâillement, soupir, vomissement. * **Filtration du sang et rôle de réservoir sanguin.** * **Fonctions immunitaires.** * **Thermorégulation et balance hydrique.** * **Formation de l'angiotensine II**, un vasoconstricteur impliqué dans l'hypertension. #### 1.1.1 Fonctions immunitaires et thermorégulation Les cils des cellules épithéliales, aidés par les cellules caliciformes produisant du mucus, forment un tapis muco-ciliaire qui piège les agents pathogènes et les particules. Des pathologies comme la mucoviscidose, caractérisée par un mucus dense, compromettent cette fonction et entraînent des inflammations et infections récurrentes. Le système respiratoire participe également à la thermorégulation en réchauffant et humidifiant l'air inhalé. L'air chaud et humide expiré contribue à la perte de chaleur et de vapeur d'eau. ### 1.2 Étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire s'articule autour de plusieurs étapes clés : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvement d'air entre l'environnement extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Transfert d'O2 des alvéoles vers les capillaires et de CO2 dans le sens inverse. 3. **Transport des gaz dans le sang.** 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Transfert d'O2 des capillaires vers les cellules et de CO2 dans le sens inverse. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'O2 pour la production d'ATP à partir du glucose. Le contrôle de la respiration est largement autonome, mais le système nerveux central peut intervenir. ### 1.3 La ventilation pulmonaire : principes et mécanismes La ventilation pulmonaire, ou mouvement de l'air, est régie par la différence de pression entre l'atmosphère et les alvéoles, ainsi que par la composition de l'air. #### 1.3.1 Composition de l'air et pression partielle L'atmosphère est un mélange de gaz. Les principales fractions sont : * Azote (N2) : environ 78% * Oxygène (O2) : environ 21% * Argon (Ar) : environ 0,85% * Dioxyde de carbone (CO2) : environ 0,05% La pression partielle ($P_{gaz}$) d'un gaz est le produit de sa fraction ($F_{gaz}$) et de la pression atmosphérique totale ($P_{atm}$). Par exemple, la pression partielle de l'oxygène à une pression atmosphérique de 760 mmHg est de $P_{O2} = 0.21 \times 760 \text{ mmHg} \approx 160 \text{ mmHg}$. **Unités de pression :** * 1 kPa $\approx$ 7.5 mmHg * 1 mmHg $\approx$ 0.133 kPa **Effet de l'altitude :** L'altitude diminue la pression atmosphérique totale ($P_{atm}$). Par conséquent, la pression partielle de chaque gaz, y compris l'O2, diminue avec l'altitude, ce qui rend l'oxygénation plus difficile. **Effet de la vapeur d'eau :** La pression partielle de la vapeur d'eau augmente avec la température, réduisant ainsi la pression partielle des autres gaz. L'air alvéolaire est toujours saturé à 100% d'humidité et à 37°C. La pression partielle de l'oxygène dans l'air alvéolaire est ajustée par : $P_{O2} = (P_{atm} - P_{H2O}) \times 0.21$. #### 1.3.2 Le cycle respiratoire * **Inspiration :** Phénomène actif impliquant la contraction du diaphragme (qui descend) et des muscles intercostaux externes, augmentant le volume de la cage thoracique. Ceci entraîne une diminution de la pression intra-alvéolaire ($P_{alv}$) par rapport à la pression atmosphérique ($P_{atm}$), provoquant le flux d'air vers les poumons. * **Expiration :** Généralement un phénomène passif où les muscles inspiratoires se relâchent, réduisant le volume de la cage thoracique. L'élasticité des poumons et de la cage thoracique entraîne une augmentation de la pression intra-alvéolaire au-dessus de la pression atmosphérique, expulsant l'air. L'expiration forcée implique l'activation de muscles expiratoires accessoires. La durée de l'inspiration est généralement plus longue que celle de l'expiration au repos (rapport TI/TE $\approx$ 1/2). #### 1.3.3 Débit aérien et loi de Boyle-Mariotte Le débit aérien est produit par les différences de pression entre l'extérieur et les alvéoles. La loi de Boyle-Mariotte stipule que, à température constante, la pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume. L'augmentation du volume de la cage thoracique réduit la pression alvéolaire, créant un gradient de pression qui entraîne le flux d'air. #### 1.3.4 Le rôle des plèvres Les plèvres (pariétale et viscérale) créent une cavité pleurale où règne une pression négative. Cette pression négative maintient les feuillets en contact et permet au poumon de suivre les mouvements de la cage thoracique, assurant ainsi l'expansion pulmonaire lors de l'inspiration. #### 1.3.5 Volumes et capacités respiratoires La spirométrie permet de mesurer différents volumes et capacités pulmonaires : * **Volume courant (VC) :** Volume d'air inspiré ou expiré lors d'une respiration normale au repos (environ 500 ml chez l'adulte). * **Volume d'inspiration supplémentaire (VRI) :** Volume maximal que l'on peut inspirer après une inspiration normale (2-3 litres). * **Volume d'expiration supplémentaire (VRE) :** Volume maximal que l'on peut expirer après une expiration normale (1 litre). * **Volume résiduel (VR) :** Volume d'air restant dans les poumons après une expiration forcée (environ 1 litre). * **Capacité Vitale (CV) :** Somme des volumes mobilisables (VRI + VRE + VC) $\approx$ 4-5 litres. C'est la capacité d'inspiration et d'expiration maximale. * **Capacité Résiduelle Fonctionnelle (CRF) :** Volume d'air dans les poumons après une expiration normale (VRE + VR) $\approx$ 2 litres. * **Capacité Pulmonaire Totale (CPT) :** Somme de tous les volumes pulmonaires (VRI + VC + VRE + VR) $\approx$ 5 litres. #### 1.3.6 Ventilation minute, espaces morts et distribution * **Ventilation minute :** Volume total d'air échangé par minute. Elle est calculée par : $Ventilation\ minute = VC \times Fréquence\ respiratoire$. Elle varie considérablement avec l'activité. * **Espace mort :** Volume d'air qui n'est pas impliqué dans les échanges gazeux. * **Espace mort anatomique :** Air dans les voies aériennes conductrices (150 ml). * **Espace mort alvéolaire :** Alvéoles mal perfusées (négligeable chez le sujet sain). * **Espace mort physiologique :** Somme des deux ; égal à l'espace mort anatomique chez le sujet sain. * **Ventilation alvéolaire :** Volume d'air qui atteint les alvéoles et participe aux échanges gazeux. * **Distribution régionale de la ventilation :** La ventilation est généralement meilleure à la base du poumon qu'au sommet, particulièrement au repos. Le sommet est davantage sollicité lors d'efforts intenses. ### 1.4 Propriétés mécaniques de l'appareil respiratoire L'appareil respiratoire possède des propriétés élastiques et résistives. #### 1.4.1 Propriétés élastiques Le système poumons-cage thoracique est élastique. Les muscles inspiratoires doivent vaincre la rétraction élastique du système pour permettre l'inspiration. L'expiration passive repose sur ces forces élastiques. * **Compliance :** Mesure la capacité du système à se distendre. Elle est définie par la pente de la relation pression-volume. Le thorax et les poumons ont des propriétés élastiques distinctes : * **Cage thoracique :** Squelette ostéocartilagineux, muscles, ligaments. * **Poumons :** Fibres élastiques et collagène de l'arbre bronchique et de la structure alvéolaire, ainsi que les forces de tension superficielle. * **Tension superficielle :** Au niveau de l'interface air-liquide dans les alvéoles, les forces de tension superficielle tendent à réduire la surface, ce qui peut entraîner un collapsus alvéolaire (loi de Laplace : $P = 2TS/r$). Le surfactant, une lipoprotéine complexe sécrétée par les pneumocytes de type II, réduit la tension superficielle, prévenant le collapsus, surtout dans les petites alvéoles. Les nouveau-nés prématurés peuvent présenter un manque de surfactant (syndrome de détresse respiratoire). #### 1.4.2 Propriétés résistives Les muscles respiratoires doivent également vaincre les résistances au passage de l'air (résistance des voies aériennes) et les frottements tissulaires. * **Résistance des voies aériennes :** Constitue la majeure partie de la résistance globale. * **Résistance tissulaire :** Frottement des tissus pulmonaires. **Types d'écoulement de l'air :** * **Laminaire :** Dans les petites voies aériennes, molécules circulent parallèlement. * **Transitionnel :** Hybride entre laminaire et turbulent. * **Turbulent :** Dans la trachée, molécules circulent de façon aléatoire. La résistance est principalement située dans les voies aériennes supérieures et la trachée/grosses bronches. Paradoxalement, la contribution des petites bronches à la résistance totale est faible en raison de leur arrangement en parallèle (loi de Poiseuille-Darcy : $R \propto 1/r^4$). * **VEMS (Volume d'Expiration Maximal en 1 Seconde) et Rapport de Tiffeneau (VEMS/CV) :** La mesure de ces paramètres par spirométrie forcée permet d'évaluer les troubles obstructifs (résistances augmentées). Un rapport inférieur à 75-80% suggère une obstruction. ### 1.5 Circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire est un réseau à basse pression qui reçoit l'intégralité du débit cardiaque. * **Anatomie :** L'artère pulmonaire (pauvre en O2, riche en CO2) issue du ventricule droit se ramifie jusqu'aux capillaires pulmonaires entourant les alvéoles, où les échanges gazeux ont lieu. Les veines pulmonaires (riches en O2, pauvres en CO2) retournent ensuite le sang à l'oreillette gauche. * **Spécificités hémodynamiques :** C'est une circulation à basse pression (environ 25/10 mmHg), avec des vaisseaux très compliants et peu résistifs. Le débit sanguin est fonctionnel et non nutritif, ce dernier étant assuré par le système artériel bronchique. * **Capillaires pulmonaires :** Ils recouvrent environ 75% de la surface alvéolaire, facilitant l'échange gazeux sur une très grande surface malgré leur grande finesse. * **Débit, pression et résistance :** Le débit pulmonaire est égal au débit cardiaque (environ 5 L/min au repos). La résistance vasculaire pulmonaire (RVP) est environ 10 fois inférieure à la résistance de la circulation générale. Les variations de pression pendant la respiration influencent la RVP. * **Contrôle de la résistance pulmonaire :** * **Mécanismes passifs :** Débit cardiaque, volume pulmonaire, gravité. Une augmentation du débit cardiaque entraîne une baisse de la résistance par recrutement des capillaires et distensibilité des vaisseaux. La pression sanguine varie entre le sommet et la base du poumon en raison de la gravité. * **Mécanismes actifs :** Hypoxie (vasoconstriction hypoxique des artérioles pulmonaires en réponse à une faible $P_{O2}$), contrôle nerveux (rôle limité), et agents vasoactifs (vasodilatateurs comme le NO, vasoconstricteurs comme l'AngII). ### 1.6 Les échanges gazeux : diffusion alvéolo-capillaire L'échange d'O2 et de CO2 entre les alvéoles et les capillaires est un processus de diffusion basé sur les gradients de pression partielle. * **Membrane alvéolo-capillaire (MAC) :** Structure très fine (0.3-0.5 micromètre) composée de l'épithélium alvéolaire (pneumocytes de type I), de la membrane basale fusionnée, et de l'endothélium capillaire. Cette minceur facilite le transfert des gaz. * **Pressions gazeuses :** * Dans les capillaires artériels avant les alvéoles : $P_{O2} \approx 40 \text{ mmHg}$, $P_{CO2} \approx 45 \text{ mmHg}$. * Dans les alvéoles : $P_{O2} \approx 100 \text{ mmHg}$, $P_{CO2} \approx 40 \text{ mmHg}$. * **Diffusion de l'O2 :** Le gradient $P_{O2}$ (alvéole > capillaire) assure le passage de l'O2 vers le sang. L'équilibre est atteint rapidement (0.3-0.4 s). * **Diffusion du CO2 :** Le gradient $P_{CO2}$ (capillaire > alvéole) assure le passage du CO2 vers les alvéoles. Bien que le gradient soit plus faible qu'avec l'O2, la diffusion du CO2 est tout aussi rapide, voire plus, en raison de sa solubilité beaucoup plus élevée. **Facteurs contrôlant les échanges :** * **Ventilation alvéolaire :** Impacte la $P_{O2}$ et $P_{CO2}$ alvéolaires. * **Perfusion pulmonaire :** Le débit sanguin dans les capillaires. * **Rapport Ventilation/Perfusion (V/Q) :** Idéalement, ce rapport est équilibré ($V/Q \approx 1$) dans la zone médiane du poumon au repos. Au sommet, $V/Q$ est élevé (plus de ventilation que perfusion), à la base, $V/Q$ est faible (plus de perfusion que ventilation). ### 1.7 Transport des gaz dans le sang L'O2 et le CO2 sont transportés dans le sang sous différentes formes : dissoute et liée à des transporteurs. Seule la fraction dissoute participe à la pression partielle. #### 1.7.1 Transport de l'Oxygène * **Forme dissoute :** Environ 3% dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges (GR). * **Lié à l'hémoglobine (Hb) :** Environ 97% dans les GR. Chaque molécule d'Hb peut lier jusqu'à 4 molécules d'O2. Le pouvoir oxyphorique de l'Hb est d'environ 1.34 ml O2/mg Hb. La concentration normale d'Hb est d'environ 15 g/100 ml de sang. **Affinité de l'O2 pour l'Hb (Effet Bohr) :** L'affinité de l'Hb pour l'O2 est influencée par plusieurs facteurs : * **$P_{CO2}$ et pH :** Une augmentation de la $P_{CO2}$ et une diminution du pH (acidité) diminuent l'affinité de l'Hb pour l'O2, favorisant le relargage de l'O2 aux tissus. Inversement, une baisse de $P_{CO2}$ et une augmentation du pH augmentent l'affinité, favorisant la captation de l'O2 dans les poumons. * **2,3-DPG :** Un métabolite intracellulaire qui diminue l'affinité de l'Hb pour l'O2. #### 1.7.2 Transport du Dioxyde de Carbone Le CO2 est transporté de trois manières : * **Forme dissoute :** Environ 5-10% dans le plasma et le cytoplasme des GR. Bien que quantitativement faible, cette forme dissoute est cruciale pour définir les gradients de pression pour les échanges gazeux, car le CO2 est 20 000 fois plus soluble que l'O2. * **Lié à l'hémoglobine (hémoglobine carbaminée) :** Environ 30% se lie à l'Hb, sur des sites différents de ceux de l'O2. * **Sous forme de bicarbonate (HCO3-) :** Environ 65% est converti en ions bicarbonate dans les GR grâce à l'enzyme anhydrase carbonique. Ce bicarbonate sort ensuite dans le plasma en échange d'ions chlorure (effet Hamburger). Les ions H+ produits sont tamponnés par l'Hb. **Effet Haldane :** La fixation de l'O2 sur l'Hb dans les poumons diminue l'affinité de l'Hb pour le CO2, facilitant son rejet. Inversement, la faible $P_{O2}$ dans les tissus favorise la fixation du CO2 sur l'Hb. ### 1.8 Contrôle nerveux de la respiration L'automatisme respiratoire est rythmique et généré par des neurones situés dans le tronc cérébral. * **Centres respiratoires bulbaires :** * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Contrôle l'inspiration, principalement par l'innervation du diaphragme via le nerf phrénique. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Impliqué dans l'inspiration et l'expiration (surtout forcée). * **Centre pneumotaxique (protubérance) :** Modère la transition inspiration/expiration et reçoit des informations du cortex et de la périphérie. **Récepteurs impliqués :** * **Chémorécepteurs centraux :** Situés sur la face ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de H+ dans le liquide céphalo-rachidien (LCR), reflétant les variations de $P_{CO2}$. Ils jouent un rôle majeur dans la régulation de la respiration. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils détectent principalement les baisses de $P_{O2}$ artérielle et, secondairement, les variations de $P_{CO2}$ et de pH. * **Mécanorécepteurs :** * **Pulmonaires (réflexe de Hering-Breuer) :** Sensibles à l'étirement des poumons, ils inhibent l'inspiration lorsque les poumons sont trop dilatés. * **Pharyngés :** Sensibles à l'étirement de la paroi pharyngée, importants pour la protection des voies aériennes. * **Autres effets :** La douleur et la température peuvent influencer la respiration via les nocicepteurs. Certaines substances (ex: opiacés) peuvent déprimer le centre respiratoire. La régulation se fait par des boucles de rétrocontrôle négatif, ajustant la fréquence et le volume courant respiratoires pour maintenir l'homéostasie des gaz sanguins. --- # Mécanismes de la respiration et régulation Voici le résumé du sujet "Mécanismes de la respiration et régulation" pour votre guide d'étude, en français. ## 2. Mécanismes de la respiration et régulation Ce sujet détaille les processus complexes de la respiration pulmonaire, depuis la mécanique de la ventilation jusqu'à la régulation nerveuse, en passant par les propriétés physiques de l'appareil respiratoire et les adaptations physiologiques à des conditions environnementales spécifiques. ### 2.1 Introduction à la physiologie respiratoire La respiration, au sens large, désigne l'échange de gaz entre le milieu ambiant et l'environnement intracellulaire. Chez les organismes unicellulaires, cet échange s'effectue par diffusion simple. Chez les métazoaires, l'appareil respiratoire joue un rôle crucial dans l'apport d'oxygène nécessaire à la respiration cellulaire et l'élimination du dioxyde de carbone. L'air entre par les voies aériennes supérieures (nez, pharynx, larynx) pour atteindre les poumons, où se trouvent les bronchioles se ramifiant jusqu'aux alvéoles, unités fonctionnelles de l'échange gazeux. Le système respiratoire est largement indépendant du système digestif, à l'exception du pharynx et du larynx. Les bronches ne sont pas des structures rigides mais possèdent du cartilage permettant une certaine contraction et relaxation musculaire. Elles sont riches en vaisseaux sanguins pour assurer la nutrition des tissus. Un épithélium cilié tapisse les voies aériennes, jouant un rôle immunitaire en piégeant les particules et les agents pathogènes grâce à la production de mucus par les cellules caliciformes. ### 2.2 Anatomie et fonctions des poumons Les poumons sont constitués de tissu lisse et sont entourés d'un double feuillet pleural. Le poumon gauche possède deux lobes, tandis que le poumon droit en a trois. Les alvéoles, environ 600 à 800 millions, sont entourées d'un sac alvéolaire, de tissu conjonctif et de capillaires sanguins. Deux circuits circulatoires irriguent les poumons : l'un pour la nutrition des cellules pulmonaires, l'autre pour l'échange gazeux. Les fonctions du système respiratoire sont multiples : * **Respiration :** Oxygénation des tissus et élimination du CO2. * **Équilibre acido-basique :** Régulation du pH sanguin. * **Phonation :** Production de la voix, parler, chanter. * **Autres fonctions :** Déglutition, hoquet, bâillement, soupir, vomissement. * **Filtration du sang et réservoir sanguin.** * **Fonctions immunitaires :** Le tapis mucociliaire piège les particules. * **Thermorégulation et balance hydrique :** L'air inhalé est chauffé et humidifié. * **Formation de l'angiotensine 2 :** Joue un rôle dans l'hypertension. #### 2.2.1 Fonctions immunitaires Les cils épithéliaux, aidés par les cellules caliciformes productrices de mucus, forment une barrière protectrice. Une pathologie comme la mucoviscidose illustre l'importance de ce système : un mucus dense obstrue les voies aériennes, favorise les infections et peut entraîner une perte progressive des fonctions pulmonaires. #### 2.2.2 Régulation pulmonaire de la température L'air inhalé, souvent plus froid, est chauffé et saturé en vapeur d'eau par les muqueuses nasales, buccales et pharyngées, très vascularisées. Cet air atteint la température corporelle avant d'atteindre les poumons. ### 2.3 Étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire se déroule en plusieurs étapes : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvement de l'air entre le milieu extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Passage de l'O2 des alvéoles vers les capillaires sanguins et du CO2 des capillaires vers les alvéoles. 3. **Transport des gaz dans le sang.** 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Passage de l'O2 des capillaires vers les cellules et du CO2 des cellules vers les capillaires. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'O2 par les cellules pour produire de l'ATP. ### 2.4 Contrôle nerveux de la respiration La respiration est principalement autonome, contrôlée par le système nerveux autonome, mais le système nerveux central permet d'en prendre le contrôle volontaire. ### 2.5 La ventilation pulmonaire #### 2.5.1 Principes et paramètres La ventilation pulmonaire correspond aux mouvements respiratoires qui assurent l'entrée et la sortie d'air. * **Cycle respiratoire :** Composé d'une inspiration (active) et d'une expiration (passive au repos). * **Fréquence respiratoire :** Nombre de cycles par minute (environ 15-20 chez l'adulte au repos). * **Volume courant (VC) :** Volume d'air inspiré ou expiré lors d'une respiration normale (environ 500 ml chez l'adulte). * **Ventilation minute :** Débit total d'air déplacé par minute. Calculé par la formule : $Ventilation \, minute = VC \times Fréquence \, respiratoire$. #### 2.5.2 Mécanismes de la ventilation L'inspiration est un phénomène actif impliquant la contraction du diaphragme (qui descend et augmente le volume de la cavité abdominale) et des muscles intercostaux externes, élargissant ainsi la cage thoracique. L'expiration au repos est passive, résultant du relâchement de ces muscles et du retour élastique de la cage thoracique et des poumons. L'expiration forcée fait appel à des muscles accessoires. Le débit aérien est produit par la différence de pression entre l'atmosphère et les alvéoles, conformément à la loi de Boyle-Mariotte ($P \propto 1/V$ à température constante). #### 2.5.3 Rôle des plèvres Les plèvres, deux membranes entourant chaque poumon, créent une cavité pleurale remplie d'un liquide pleural. La pression négative dans cet espace permet aux plèvres pariétale et viscérale de glisser l'une sur l'autre tout en restant adhérentes, assurant le mouvement synchronisé des poumons avec la cage thoracique. Une pression négative insuffisante (par exemple, en cas de pneumothorax) empêche le bon déroulement de la respiration. #### 2.5.4 Volumes et capacités respiratoires La spirométrie permet de mesurer différents volumes et capacités pulmonaires : * **Volume courant (VC) :** 500 ml. * **Volume de réserve inspiratoire (VRI) :** Volume additionnel inspiré au-delà du VC (2-3 litres). * **Volume de réserve expiratoire (VRE) :** Volume additionnel expiré au-delà du VC (environ 1 litre). * **Volume résiduel (VR) :** Volume d'air restant dans les poumons après une expiration maximale (environ 1 litre). * **Capacité vitale (CV) :** VC + VRI + VRE (4-5 litres) ; volume maximal d'air mobilisable. * **Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) :** VRE + VR (environ 2 litres) ; volume d'air après une expiration normale. * **Capacité pulmonaire totale (CPT) :** Somme de tous les volumes (environ 5 litres). #### 2.5.5 Espaces morts et ventilation alvéolaire L'air inspiré n'est pas entièrement utilisé pour les échanges gazeux. Une partie reste dans les voies aériennes conductrices (espace mort anatomique, environ 150 ml). L'espace mort alvéolaire correspond aux alvéoles mal perfusées et est généralement négligeable chez un sujet sain. La ventilation efficace dépend du rapport ventilation/perfusion. ### 2.6 Propriétés élastiques de l'appareil respiratoire L'appareil respiratoire (poumons et cage thoracique) est une structure élastique dont la rétraction naturelle tend à expulser l'air. Les muscles inspiratoires doivent vaincre cette élasticité pour permettre l'inspiration. * **Propriétés élastiques pulmonaires :** Liées aux fibres élastiques et au collagène, ainsi qu'aux forces de tension superficielle à l'interface air-liquide dans les alvéoles. * **Surfactant :** Une substance produite par les pneumocytes de type II réduit la tension superficielle, empêchant le collapsus des petites alvéoles et diminuant le travail respiratoire. La loi de Laplace ($P = 2TS/r$) explique pourquoi les petites alvéoles ont une tendance plus grande au collapsus sans surfactant. * **Propriétés élastiques thoraciques :** Liées à la structure ostéocartilagineuse et musculaire de la cage thoracique. La **compliance** mesure la capacité d'un poumon à se distendre et est le rapport entre le changement de volume et le changement de pression ($Compliance = \Delta V / \Delta P$). ### 2.7 Propriétés résistives de l'appareil respiratoire Les résistances s'opposent à l'écoulement de l'air. Elles sont principalement dues aux frottements dans les voies aériennes et, dans une moindre mesure, aux frottements tissulaires. * **Types d'écoulement :** * **Laminaire :** Dans les petites voies, ordonné, faible résistance. * **Transitionnel :** Hybride, dans les bronches de taille moyenne. * **Turbulent :** Dans la trachée, désordonné, haute résistance. * **Distribution de la résistance :** La majorité de la résistance (environ 50%) se trouve dans les voies aériennes supérieures au repos. Les voies aériennes inférieures contribuent moins en raison de leur branchement en parallèle, ce qui répartit la résistance. La loi de Poiseuille-Darcy décrit la résistance des voies aériennes : $R = 8nl/(\pi r^4)$, où $R$ est la résistance, $n$ la viscosité, $l$ la longueur du conduit, et $r$ le rayon. * **Mesure de la résistance :** La VEMS (Volume d'Expiration Maximal en 1 seconde) mesurée par spirométrie, ainsi que le rapport VEMS/CV (Rapport de Tiffeneau), sont des indicateurs de la présence de résistances accrues, typiques de maladies comme l'asthme ou la BPCO. ### 2.8 Circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire est un réseau à basse pression qui reçoit la totalité du débit cardiaque. * **Anatomie :** L'artère pulmonaire, issue du ventricule droit, se ramifie jusqu'aux capillaires pulmonaires qui entourent les alvéoles. Les veines pulmonaires ramènent le sang oxygéné à l'oreillette gauche. Les artères pulmonaires transportent du sang pauvre en O2 et riche en CO2, tandis que les veines pulmonaires transportent du sang riche en O2 et pauvre en CO2. * **Spécificités hémodynamiques :** C'est un système à basse pression (environ 25/10 mmHg) avec des vaisseaux à haute compliance, résultant en une résistance vasculaire pulmonaire (RVP) environ 10 fois inférieure à celle de la circulation systémique. Les vaisseaux pulmonaires suivent étroitement l'arbre bronchique. Les bronches ont leur propre système circulatoire (artère bronchique), dont le sang veineux peut légèrement contaminer le sang oxygéné des veines pulmonaires. * **Débits, pressions et résistances :** Le débit pulmonaire est égal au débit cardiaque. La RVP est calculée par $RVP = (PAP - POG) / Débit$, où $PAP$ est la pression artérielle pulmonaire et $POG$ la pression dans l'oreillette gauche. * **Contrôle de la résistance pulmonaire :** * **Mécanismes passifs :** Débit cardiaque, volume pulmonaire, gravité. L'augmentation du débit cardiaque est compensée par une diminution de la résistance grâce au recrutement des capillaires et à la distensibilité des vaisseaux. Les variations de pression dues à la gravité sont plus marquées à la base du poumon qu'au sommet. * **Mécanismes actifs :** * **Hypoxie :** La vasoconstriction hypoxique des artérioles pulmonaires en réponse à une faible PO2 dans les alvéoles redirige le flux sanguin vers les zones mieux ventilées. Cet effet est bénéfique localement mais délétère si l'hypoxie est généralisée. * **Contrôle nerveux et agents vasoactifs :** Le système nerveux autonome a un rôle limité. Les vasodilatateurs (Ach, NO) et vasoconstricteurs (ET-1, AngII) modulent le diamètre des vaisseaux et donc la résistance. ### 2.9 Échanges gazeux : Diffusion alvéolo-capillaire Les échanges d'O2 et de CO2 entre les alvéoles et le sang s'effectuent par diffusion à travers la membrane alvéolo-capillaire (MAC). * **Membrane alvéolo-capillaire :** Très fine (0,3-0,5 micromètre), composée d'une couche de cellules endothéliales capillaires, d'une membrane basale fusionnée et de la couche épithéliale des pneumocytes de type 1. * **Pressions partielles des gaz :** Les échanges sont dictés par les gradients de pression partielle. Dans les capillaires pulmonaires avant les alvéoles, $P_{CO2} \approx 45$ mmHg et $P_{O2} \approx 40$ mmHg. Dans les alvéoles, $P_{CO2} \approx 40$ mmHg et $P_{O2} \approx 100$ mmHg. * **Diffusion de l'O2 :** Le gradient ($100$ mmHg dans les alvéoles vers $40$ mmHg dans les capillaires) favorise le passage de l'O2 vers le sang. L'équilibre est atteint rapidement (0,3-0,4 secondes). Le sang veineux pulmonaire a une $P_{O2}$ légèrement inférieure à 100 mmHg en raison de la contamination par le sang des artères bronchiques. * **Diffusion du CO2 :** Le gradient ($45$ mmHg dans les capillaires vers $40$ mmHg dans les alvéoles) favorise le passage du CO2 vers les alvéoles. La diffusion du CO2 est rapide malgré un gradient plus faible car le CO2 est environ 20 000 fois plus soluble que l'O2. * **Facteurs contrôlant les échanges :** * **Ventilation alvéolaire :** Nécessaire pour maintenir les gradients de pression. * **Perfusion capillaire :** Nécessaire pour transporter les gaz. * **Surface de la membrane alvéolo-capillaire :** Une grande surface (environ 100 m²) facilite la diffusion. Des anomalies (embolie, pneumonectomie, tumeur bronchique) peuvent réduire cette surface ou la ventilation. * **Rapport ventilation/perfusion (V/Q) :** Idéalement égal à 1. Au sommet du poumon, V/Q est élevé (ventilation > perfusion), à la base, V/Q est faible (perfusion > ventilation). Le milieu du poumon présente un V/Q idéal au repos. ### 2.10 Transport des gaz dans le sang Les gaz dissous dans le plasma et dans les globules rouges contribuent à la pression partielle, tandis que la majorité de l'O2 et du CO2 est transportée liée à des molécules. #### 2.10.1 Transport de l'oxygène * **O2 dissous :** Environ 3% de l'O2 est dissous dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges. Cette fraction est celle qui détermine la pression partielle. * **O2 lié à l'hémoglobine (Hb) :** Environ 97% de l'O2 se lie réversiblement à l'hémoglobine des globules rouges, formant l'oxyhémoglobine. Le pouvoir oxyphorique de l'Hb est d'environ 1,34 ml d'O2 par gramme d'Hb. * **Saturation en O2 de l'Hb (SaO2) :** Le pourcentage d'hémoglobine saturée en O2. Une SaO2 inférieure à 90% peut indiquer une insuffisance cardiaque. * **Affinité de l'O2 pour l'Hb (Effet Bohr) :** L'affinité de l'Hb pour l'O2 diminue lorsque la $P_{CO2}$ augmente, le pH diminue, ou la température augmente. Ces conditions, rencontrées dans les tissus, favorisent le relâchement de l'O2. Inversement, dans les poumons, une faible $P_{CO2}$ et un pH plus élevé augmentent l'affinité, facilitant la captation de l'O2. #### 2.10.2 Transport du dioxyde de carbone Le CO2 est transporté de trois manières : * **CO2 dissous :** Environ 5-10% du CO2 est dissous dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges. Cette fraction est cruciale car elle détermine la pression partielle du CO2 et donc les mouvements gazeux. Le CO2 est environ 20 fois plus soluble que l'O2. * **CO2 lié à l'hémoglobine :** Environ 30% du CO2 se lie à l'hémoglobine pour former de l'hémoglobine carbaminée. * **Bicarbonates (HCO3-) :** Environ 65% du CO2 réagit avec l'eau dans les globules rouges pour former de l'acide carbonique ($H_2CO_3$), qui se dissocie ensuite en protons ($H^+$) et bicarbonates ($HCO_3^-$). Cette réaction est catalysée par l'anhydrase carbonique. Les bicarbonates sortent des globules rouges en échange d'ions chlorure (échange Hamburger) pour maintenir la neutralité électrique. Les protons sont tamponnés par l'hémoglobine. * **Effet Haldane :** La capacité de l'hémoglobine à fixer le CO2 diminue lorsque la saturation en O2 augmente. Inversement, une faible saturation en O2 (dans les tissus) augmente la capacité de l'hémoglobine à fixer le CO2. ### 2.11 Régulation de la respiration Le contrôle de la respiration est assuré par le système nerveux central, intégrant des informations provenant de divers récepteurs. #### 2.11.1 Automatisme respiratoire L'automatisme respiratoire, assurant une respiration rythmique et permanente, est généré par des neurones situés dans le tronc cérébral (bulbe et protubérance). * **Centres respiratoires bulbaires :** * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Principalement responsable de l'inspiration, il contrôle les muscles inspiratoires via les nerfs phréniques. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Contient des neurones inspiratoires et expiratoires. * **Centre pneumotaxique (protubérance) :** Régule la transition entre inspiration et expiration, et reçoit des informations du cortex. #### 2.11.2 Chémorécepteurs * **Chémorécepteurs centraux :** Situés à la surface ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de $H^+$ dans le LCR (reflet de la $P_{CO2}$ dans le sang). Ils sont le principal régulateur de la respiration. Une augmentation de la $P_{CO2}$ ou une diminution du pH entraînent une hyperventilation. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils sont sensibles à une baisse de la $P_{O2}$ artérielle (principalement) et, de manière secondaire, à une augmentation de la $P_{CO2}$ et une diminution du pH. Ils sont moins sensibles que les chémorécepteurs centraux à la $P_{O2}$ jusqu'à des valeurs très basses. #### 2.11.3 Mécanorécepteurs * **Mécanorécepteurs pulmonaires :** Situés dans les poumons et les voies aériennes, ils détectent l'étirement des poumons (réflexe de Hering-Breuer) et peuvent inhiber l'inspiration pour éviter une distension excessive. * **Mécanorécepteurs pharyngés :** Sensibles à l'étirement dans le pharynx, ils jouent un rôle dans la protection des voies aériennes. #### 2.11.4 Autres effets La température, la douleur, et certaines substances pharmacologiques (comme les opiacés) peuvent moduler la respiration en agissant sur les centres respiratoires. ### 2.12 Effets de l'altitude et de la vapeur d'eau #### 2.12.1 Effet de l'altitude L'altitude entraîne une diminution de la pression atmosphérique ($P_{atm}$). Bien que la fraction d'O2 dans l'air reste constante (21%), sa pression partielle ($P_{O2}$) diminue significativement. Par exemple, au sommet de l'Everest, la $P_{O2}$ est beaucoup plus basse qu'au niveau de la mer. L'organisme s'adapte à cette baisse de $P_{O2}$ via des mécanismes physiologiques. #### 2.12.2 Effet de la vapeur d'eau La pression partielle de vapeur d'eau ($P_{H2O}$) dans l'air ambiant augmente avec la température, réduisant la pression partielle des autres gaz. L'air alvéolaire est toujours à 37°C et saturé à 100% d'humidité, ce qui signifie que la $P_{H2O}$ alvéolaire est d'environ 47 mmHg. La formule de la pression partielle de l'oxygène alvéolaire ($P_{AO2}$) doit en tenir compte : $P_{AO2} = P_{atm} - P_{H2O}$ (dans l'air humidifié). La formule plus précise utilisant la fraction d'oxygène et en tenant compte de la pression partielle de vapeur d'eau est : $P_{O2} = (P_{atm} - P_{H2O}) \times F_{O2}$. ### 2.13 Effets de la vapeur d'eau sur la composition de l'air L'air inhalé, quelle que soit sa température et son humidité initiale, est chauffé à 37°C et saturé en vapeur d'eau à 100% dans les alvéoles. Cela signifie que la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air alvéolaire est d'environ 47 mmHg. $$ P_{O2 \text{ alvéolaire}} = P_{atm} - P_{H2O \text{ alvéolaire}} \times F_{O2} $$ où $F_{O2}$ est la fraction d'oxygène dans l'air. Cette humidification constante est essentielle pour le bon fonctionnement de la MAC. --- Voici un résumé détaillé sur les mécanismes de la respiration et leur régulation, conçu pour être un support d'étude complet. Ce chapitre détaille les étapes de la respiration pulmonaire, le mécanisme de la ventilation, la régulation nerveuse de la respiration, les propriétés élastiques et résistives de l'appareil respiratoire, ainsi que l'impact de l'altitude et de la vapeur d'eau sur la respiration. ### 2.1 Le système respiratoire : structure et fonctions Le système respiratoire est responsable des échanges gazeux entre le milieu ambiant et les cellules de l'organisme. Chez les métazoaires, il comprend les voies aériennes (nez, pharynx, larynx, trachée, bronches, bronchioles) qui mènent aux alvéoles, unités d'échange gazeux. Les bronches, soutenues par du cartilage non soudé, permettent une certaine contraction et relaxation musculaire, et sont tapissées d'un épithélium cilié produisant du mucus pour piéger les particules et agents pathogènes, assurant ainsi un rôle immunitaire de protection. Les poumons, composés de muscle lisse et de feuillets, sont entourés par une plèvre. Les échanges gazeux s'effectuent au niveau des millions d'alvéoles, qui sont richement vascularisées par des capillaires. La circulation pulmonaire assure l'apport d'oxygène et l'élimination du dioxyde de carbone. Les fonctions du système respiratoire vont au-delà de l'échange gazeux : * **Maintien de l'équilibre acido-basique** * **Fonctions vocales et phonatoires** (parler, chanter) * **Déglutition, hoquet, bâillement, soupir, vomissement** * **Filtration du sang et rôle de réservoir sanguin** * **Fonctions immunitaires** (via les cils et le mucus) * **Thermorégulation et équilibre hydrique** (chauffage et humidification de l'air inhalé) * **Production de l'angiotensine 2**, impliquée dans la régulation de la pression artérielle. #### 2.1.1 Thermorégulation et balance hydrique L'air inhalé, souvent plus froid que le corps, est chauffé et saturé en vapeur d'eau par les muqueuses nasales, buccales et pharyngées, qui sont très vascularisées. L'évaporation de cette vapeur d'eau contribue à la régulation de la température corporelle. L'air alvéolaire atteint ainsi la température corporelle (environ 37°C) et une humidité de 100%. ### 2.2 Étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire comprend plusieurs étapes essentielles : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvement de l'air entre l'environnement extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Passage de l'oxygène des alvéoles vers les capillaires et du dioxyde de carbone dans le sens inverse. 3. **Transport des gaz dans le sang :** L'oxygène et le dioxyde de carbone sont transportés par le système circulatoire. 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Passage de l'oxygène des capillaires vers les cellules et du dioxyde de carbone dans le sens inverse. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'oxygène par les cellules pour produire de l'ATP à partir du glucose. ### 2.3 Contrôle de la respiration La respiration est un processus largement autonome, régulé par le système nerveux central, mais peut également être contrôlée volontairement. #### 2.3.1 La ventilation pulmonaire et les facteurs influençant l'air La ventilation pulmonaire dépend de plusieurs facteurs : * **Composition de l'air :** Mélange de gaz dont les fractions sont relativement constantes à l'état normal (environ 79% d'azote, 21% d'oxygène). * **Pressions partielles des gaz :** La pression atmosphérique totale (Patm) à l'altitude zéro est d'environ 760 mmHg ou 101 kPa. La pression partielle d'un gaz est le produit de sa fraction dans l'air par la pression atmosphérique totale. Par exemple, la pression partielle de l'oxygène (PO2) est d'environ $760 \text{ mmHg} \times 0.21 = 160 \text{ mmHg}$. * **Effet de l'altitude :** La pression atmosphérique diminue avec l'altitude, entraînant une diminution des pressions partielles des gaz, y compris l'oxygène. Par exemple, au sommet de l'Everest (Patm ≈ 250 mmHg), la PO2 est d'environ $250 \text{ mmHg} \times 0.21 = 53 \text{ mmHg}$. L'organisme doit s'adapter à cette baisse. * **Effet de la vapeur d'eau :** La pression partielle de la vapeur d'eau augmente avec la température, réduisant la pression partielle des autres gaz. Dans l'air alvéolaire, la température est de 37°C et l'humidité de 100%, donc la PO2 alvéolaire est calculée comme suit : $P\text{O}_2 = (P_{\text{atm}} - P_{\text{H}_2\text{O}}) \times 0.21$. #### 2.3.2 Le cycle respiratoire Le cycle respiratoire comprend l'inspiration (entrée d'air) et l'expiration (sortie d'air). * **Inspiration :** Phénomène actif résultant de la contraction du diaphragme (qui descend, augmentant le volume abdominal) et des muscles intercostaux externes (qui soulèvent la cage thoracique). Cela augmente le volume de la cage thoracique, entraînant une diminution de la pression intrapleurale et une expansion des poumons. La pression alvéolaire (Palv) devient inférieure à la pression atmosphérique (Patm), provoquant un flux d'air vers les poumons. La durée de l'inspiration est généralement plus longue que celle de l'expiration (ratio TI/TE d'environ 1:2 au repos). * **Expiration :** Phénomène généralement passif au repos, dû au relâchement des muscles inspiratoires. L'élasticité des poumons et de la cage thoracique provoque une diminution du volume pulmonaire. La Palv devient supérieure à la Patm, expulsant l'air. L'expiration forcée implique l'activation de muscles expiratoires accessoires. La **fréquence respiratoire** est le nombre de cycles par minute (15-20 chez un adulte au repos). La **ventilation minute** est le produit du volume courant (VC) par la fréquence respiratoire. > **Tip :** Le rapport inspiration/expiration (TI/TE) est important. Une inspiration plus longue que l'expiration au repos est normale car elle est active et permet une meilleure distribution de l'air. ##### 2.3.2.1 Volumes et capacités respiratoires Ces mesures, réalisées par spirométrie, quantifient les volumes d'air mobilisables et non mobilisables : * **Volume de Réserve Inspiratoire (VRI) :** Volume maximal inspirable après une inspiration normale (2-3 litres). * **Volume de Réserve Expiratoire (VRE) :** Volume maximal expirable après une expiration normale (environ 1 litre). Les capacités respiratoires sont des sommes de volumes : * **Capacité Vitale (CV) :** Somme des volumes mobilisables (VRI + VC + VRE), représentant la capacité maximale d'inspiration et d'expiration (4-5 litres). * **Capacité Résiduelle Fonctionnelle (CRF) :** Volume d'air restant après une expiration normale (VRE + VR) (environ 2 litres). * **Capacité Pulmonaire Totale (CPT) :** Somme de tous les volumes pulmonaires (VRI + VC + VRE + VR) (environ 5 litres). ##### 2.3.2.2 Espaces morts et ventilation alvéolaire L'air inspiré ne participe pas entièrement aux échanges gazeux. * **Espace mort anatomique :** Volume d'air dans les voies aériennes conductrices, non impliqué dans les échanges (environ 150 ml, soit 20% du VC). * **Espace mort alvéolaire :** Alvéoles non perfusées par les capillaires, normalement négligeable, mais peut augmenter en cas d'embolie pulmonaire. * **Espace mort physiologique :** Somme de l'espace mort anatomique et alvéolaire. La ventilation minute est composée de la ventilation alvéolaire ($VC \times \text{fréquence}$) et de la ventilation de l'espace mort. #### 2.3.3 Les plèvres et la mécanique pulmonaire Les plèvres (pariétale et viscérale) entourent les poumons et créent une cavité pleurale avec une pression négative. Cette pression négative maintient les feuillets en contact, permettant aux poumons de suivre les mouvements de la cage thoracique lors de l'inspiration. La diminution de la pression intrapleurale durant l'inspiration tire sur le parenchyme pulmonaire, déployant les poumons. > **Tip :** Une pneumothorax (présence d'air dans la cavité pleurale) rompt cette pression négative, provoquant le décollement des plèvres et le collapsus du poumon. ### 2.4 Propriétés élastiques de l'appareil respiratoire L'appareil respiratoire est une structure élastique. Les muscles inspiratoires doivent vaincre les forces de rétraction élastique des poumons et de la cage thoracique pour permettre l'entrée d'air. L'expiration est largement passive, reposant sur ces forces élastiques. * **Propriétés élastiques pulmonaires :** Elles sont dues aux fibres élastiques et collagènes des alvéoles et des bronches, ainsi qu'aux forces de tension superficielle créées par le liquide alvéolaire. Ces tensions tendent à réduire la surface du liquide et donc à faire collapser les alvéoles. * **Surfactant :** Produit par les pneumocytes de type II, le surfactant est une lipoprotéine qui réduit la tension superficielle, diminuant ainsi le travail respiratoire et prévenant le collapsus alvéolaire, particulièrement important pour les petites alvéoles selon la loi de Laplace ($P = 2 \times \text{TS} / r$). Chez les prématurés, un manque de surfactant peut entraîner un syndrome de détresse respiratoire. * **Compliance :** Mesure de la capacité d'un organe à se distendre. La compliance pulmonaire est la pente de la relation entre le changement de volume et le changement de pression. ### 2.5 Propriétés résistives de l'appareil respiratoire Les muscles respiratoires doivent surmonter les résistances au passage de l'air. * **Résistances des voies aériennes :** La majorité de la résistance est due à l'écoulement de l'air dans les voies aériennes (environ 80%), le reste étant dû aux frottements tissulaires (environ 20%). * **Laminaire :** Dans les bronchioles terminales, flux parallèle et efficace. * **Transitionnel :** Hybride, dans la majeure partie de l'arbre bronchique. * **Turbulent :** Dans la trachée, surtout à l'effort, flux aléatoire et moins efficace. * **Distribution de la résistance :** Au repos, la résistance est principalement située dans les voies aériennes supérieures et la trachée-grosses bronches. Les petites bronches contribuent peu en raison de leurs connexions en parallèle. * **Loi de Poiseuille-Darcy :** La résistance est inversement proportionnelle à la puissance quatre du rayon du conduit ($R = 8nl/\pi r^4$). * **VEMS (Volume Maximal Expiré en 1 Seconde) :** Mesuré par spirographie, il reflète la rapidité d'expiration. Le rapport VEMS/CV (Rapport de Tiffeneau) est un indicateur de la fonction pulmonaire ; un rapport inférieur à 75-80% suggère une obstruction des voies aériennes ou une réduction du volume pulmonaire. ### 2.6 Circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire est un réseau à basse pression (environ 25/10 mmHg) qui reçoit tout le débit cardiaque. Ses vaisseaux sont très compliants, d'où une faible résistance. Cette circulation est principalement fonctionnelle (échange gazeux) et non nutritive, le sang des bronches étant oxygéné par le système pulmonaire. #### 2.6.1 Pressions, débits et résistances La résistance vasculaire pulmonaire (RVP) est environ 10 fois inférieure à celle de la circulation générale. $$RVP = \frac{P_{\text{AP}} - P_{\text{OG}}}{D}$$ où $P_{\text{AP}}$ est la pression artérielle pulmonaire et $P_{\text{OG}}$ est la pression dans l'oreillette gauche, $D$ est le débit cardiaque. #### 2.6.2 Contrôle de la résistance pulmonaire * **Mécanismes passifs :** Influencés par le débit cardiaque, le volume pulmonaire et la gravité. Une augmentation du débit cardiaque entraîne une diminution de la RVP par recrutement des capillaires et distensibilité des vaisseaux. La gravité favorise le débit sanguin à la base des poumons par rapport au sommet. * **Mécanismes actifs :** Incluent les réponses à l'hypoxie (vasoconstriction hypoxique des artérioles pulmonaires si l'alvéole est mal ventilée), le contrôle nerveux (rôle limité du SNA) et les agents vasoactifs (vasodilatateurs comme l'Ach, le NO ; vasoconstricteurs comme l'ET-1, l'AngII). ### 2.7 Échanges gazeux alvéolo-capillaires Les échanges d'O2 et de CO2 entre les alvéoles et les capillaires pulmonaires sont régis par des gradients de pression partielle et se déroulent au travers de la membrane alvéolo-capillaire (MAC). Cette membrane est très fine (0.3-0.5 micromètre) et composée d'une couche d'endothélium capillaire, d'une membrane basale fusionnée et de pneumocytes de type I. * **Diffusion de l'O2 :** La pression partielle d'O2 dans les capillaires artériels est de 40 mmHg, et de 100 mmHg dans les alvéoles. Ce gradient important permet un passage rapide de l'O2 de l'alvéole vers le capillaire. * **Diffusion du CO2 :** La pression partielle de CO2 dans le capillaire est de 45 mmHg, et de 40 mmHg dans les alvéoles. Le gradient est moins important, mais le CO2 est environ 20 000 fois plus soluble que l'O2, ce qui permet une diffusion rapide. La **ventilation alvéolaire** et la **perfusion capillaire** doivent être en équilibre (rapport V/Q idéal) pour des échanges gazeux optimaux. Le rapport V/Q est plus élevé au sommet des poumons (ventilation > perfusion) et plus faible à la base (perfusion > ventilation). ### 2.8 Transport des gaz dans le sang #### 2.8.1 Transport de l'oxygène L'oxygène est transporté de deux manières : * **Dissous :** Une petite fraction (environ 3%) est dissoute dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges. La quantité de gaz dissous est proportionnelle à sa pression partielle (loi d'Henry). * **Combiné à l'hémoglobine :** La grande majorité (environ 97%) est liée réversiblement à l'hémoglobine (Hb) dans les globules rouges, formant l'oxyhémoglobine. Chaque molécule d'Hb peut fixer jusqu'à 4 molécules d'O2. Le **pouvoir oxyphorique de l'hémoglobine** est la capacité de fixation de l'O2 par l'Hb. La **saturation en O2 de l'Hb ($SaO_2$)** est le pourcentage de sites de liaison de l'Hb occupés par l'O2. > **Tip :** L'effet Bohr décrit comment l'affinité de l'Hb pour l'O2 est influencée par la PCO2, le pH et la température. Une augmentation de PCO2 ou une diminution du pH (acidose) diminue l'affinité de l'Hb pour l'O2, favorisant le relargage d'O2 aux tissus. Inversement, une baisse de PCO2 ou une augmentation du pH (alcalose) augmente cette affinité, favorisant la captation d'O2 par les poumons. #### 2.8.2 Transport du dioxyde de carbone Le CO2 est transporté sous trois formes : * **Dissous :** Environ 5-10% dans le plasma et les globules rouges. Bien que quantitativement faible, la pression partielle du CO2 dissous est le principal moteur des mouvements de CO2. * **Combiné à l'hémoglobine :** Environ 30% se lie à l'hémoglobine pour former l'hémoglobine carbaminée. Le site de liaison est différent de celui de l'O2. * **Sous forme de bicarbonate :** Environ 65% du CO2 réagit avec l'eau dans les globules rouges en présence de l'enzyme anhydrase carbonique, formant de l'acide carbonique ($H_2CO_3$), qui se dissocie en bicarbonate ($HCO_3^-$) et protons ($H^+$). Le $HCO_3^-$ sort dans le plasma en échange d'ions chlorure ($Cl^-$) (échange de Hamburger). Les protons sont tamponnés par l'hémoglobine. L'**effet Haldane** décrit la perte d'affinité de l'Hb pour le CO2 lorsque la PO2 augmente (dans les poumons), favorisant la libération de CO2. > **Tip :** Seule la fraction dissoute de CO2 peut traverser les membranes alvéolo-capillaires pour être éliminée. Le système bicarbonate est essentiel pour le transport du CO2 et le maintien de l'équilibre acido-basique. #### 2.8.3 Monoxyde de carbone Le monoxyde de carbone (CO) a une affinité environ 200 à 250 fois supérieure à celle de l'oxygène pour l'hémoglobine, formant la carboxyhémoglobine (COHb). Cette liaison est quasi irréversible, ce qui empêche l'Hb de transporter l'oxygène et peut entraîner une intoxication grave. ### 2.9 Contrôle nerveux de la respiration #### 2.9.1 Automatisme respiratoire L'automatisme respiratoire est généré par des neurones situés dans le tronc cérébral, principalement au niveau du bulbe. Ces centres respiratoires coordonnent l'activité des muscles respiratoires. * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Contrôle principalement l'inspiration en activant les neurones moteurs des nerfs phrénique et intercostaux. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Contient des neurones pour l'inspiration et l'expiration, impliqué dans la respiration forcée. * **Centre pneumotaxique :** Situé dans la protubérance, il régule la transition inspiration/expiration et module l'activité des centres bulbaires. #### 2.9.2 Chémorécepteurs Ces récepteurs détectent les variations des gaz sanguins et du pH : * **Chémorécepteurs centraux :** Situés à la surface ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de pH du liquide céphalo-rachidien (LCR), qui reflètent principalement les variations de PCO2. Une augmentation de PCO2 (et donc des $H^+$ dans le LCR) stimule la ventilation. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils sont sensibles principalement à la diminution de PO2 artérielle (en dessous de 70 mmHg) et, secondairement, à l'augmentation de PCO2 et à la diminution du pH. #### 2.9.3 Mécanorécepteurs * **Mécanorécepteurs pulmonaires :** Situés dans les poumons et les voies aériennes, ils réagissent à l'étirement. Le **réflexe de Hering-Breuer** (inhibition de l'inspiration lorsque les poumons sont trop distendus) protège contre une surdistension excessive. * **Mécanorécepteurs pharyngés :** Sensibles à l'étirement dans le pharynx, ils jouent un rôle dans la déglutition et la protection des voies aériennes. #### 2.9.4 Autres effets La température, la douleur, et certaines substances pharmacologiques (comme les opiacés) peuvent moduler la respiration en agissant sur les centres respiratoires. La température et la douleur peuvent entraîner une hyperventilation. L'hypoxie locale (comme en altitude) peut entraîner une vasoconstriction pulmonaire, redirigeant le sang vers des zones mieux ventilées, un mécanisme bénéfique à petite échelle mais délétère si généralisé. ### 2.10 Effets de l'altitude et de la vapeur d'eau #### 2.10.1 Effet de l'altitude La diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude entraîne une réduction des pressions partielles des gaz. La pression partielle de l'oxygène ($P\text{O}_2$) est particulièrement affectée, ce qui peut entraîner une hypoxie. Le corps s'adapte à cette situation, notamment par une augmentation de la production de globules rouges (augmentation de l'hématocrite). #### 2.10.2 Effet de la vapeur d'eau L'air inhalé est chauffé et humidifié dans les voies aériennes supérieures. L'humidité de l'air alvéolaire est de 100%, ce qui augmente la pression partielle de vapeur d'eau et diminue proportionnellement la pression partielle des autres gaz, y compris l'oxygène. La formule de la pression partielle d'oxygène alvéolaire en tient compte : $P\text{O}_2 = (P_{\text{atm}} - P_{\text{H}_2\text{O}}) \times \text{fraction d'O}_2$. --- # Échanges gazeux et transport sanguin Voici une synthèse complète sur les échanges gazeux et le transport sanguin, conçue pour être un guide d'étude complet et prêt pour l'examen. ## 3. Échanges gazeux et transport sanguin Ce chapitre détaille les mécanismes fondamentaux permettant l'oxygénation de l'organisme et l'élimination du dioxyde de carbone, en se concentrant sur la diffusion gazeuse, le transport sanguin des gaz et les facteurs qui régulent ces processus. ### 3.1 Introduction aux échanges gazeux Les échanges gazeux sont essentiels à la vie, permettant l'apport d'oxygène (O\(_2\)) nécessaire à la respiration cellulaire et l'élimination du dioxyde de carbone (CO\(_2\)), un déchet métabolique. Chez les organismes unicellulaires, ces échanges se font par diffusion simple à travers la membrane cellulaire. Pour les organismes multicellulaires, un système respiratoire et un système circulatoire sont dédiés à cette fonction. ### 3.2 Anatomie et fonctions du système respiratoire Le système respiratoire humain comprend les voies aériennes supérieures (nez, pharynx, larynx), les voies aériennes inférieures (trachée, bronches, bronchioles) et les poumons, dont l'unité fonctionnelle est l'alvéole. * **Voies aériennes :** Les bronches possèdent une paroi musculaire richement vascularisée et tapissée d'un épithélium cilié produisant du mucus. Ce tapis mucociliaire piège les particules étrangères et protège des infections. * **Poumons :** Ils sont composés de millions d'alvéoles, sites principaux des échanges gazeux. Le système circulatoire pulmonaire assure la vascularisation de ces alvéoles. * **Fonctions diverses :** Outre la respiration (oxygénation et élimination de CO\(_2\)), le système respiratoire participe à l'équilibre acido-basique, à la phonation, à la déglutition, à la filtration du sang, à la fonction immunitaire, à la thermorégulation et à la balance hydrique, et joue un rôle dans la production d'angiotensine II. ### 3.3 Étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire s'articule autour de plusieurs étapes : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvements d'air entre l'environnement extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Diffusion de l'O\(_2\) des alvéoles vers les capillaires pulmonaires et du CO\(_2\) dans le sens inverse. 3. **Transport des gaz dans le sang :** Circulation de l'O\(_2\) et du CO\(_2\) par le système sanguin. 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Diffusion de l'O\(_2\) des capillaires vers les cellules et du CO\(_2\) des cellules vers les capillaires. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'O\(_2\) dans les mitochondries pour produire de l'ATP. ### 3.4 Ventilation pulmonaire : Mécanismes et Volumes La ventilation pulmonaire est le processus d'entrée et de sortie d'air des poumons, principalement motivé par des différences de pression. * **Composition de l'air et pressions partielles :** L'air atmosphérique est un mélange de gaz (environ 79% azote, 21% oxygène). La pression totale de l'air (pression atmosphérique, Patm) est d'environ 760 mmHg (101 kPa) au niveau de la mer. La pression partielle d'un gaz est le produit de sa fraction dans l'air et de la pression atmosphérique totale. $$P_{\text{gaz}} = F_{\text{gaz}} \times P_{\text{atm}}$$ où \(F_{\text{gaz}}\) est la fraction du gaz dans l'air. * Exemple : La pression partielle d'oxygène à 0m est \(P_{\text{O}_2} = 0.21 \times 760 \text{ mmHg} = 160 \text{ mmHg}\). * **Effets de l'altitude et de la vapeur d'eau :** La pression atmosphérique diminue avec l'altitude, réduisant la pression partielle des gaz. La pression partielle de vapeur d'eau augmente avec la température et réduit celle des autres gaz. L'air alvéolaire est toujours à 37°C et saturé en humidité. * **Cycle respiratoire :** L'inspiration est un processus actif impliquant la contraction du diaphragme et des muscles intercostaux externes, augmentant le volume de la cage thoracique et des poumons, et diminuant la pression intra-alvéolaire en dessous de la pression atmosphérique. L'expiration au repos est passive, résultant du relâchement de ces muscles et du retour élastique des poumons et de la cage thoracique, augmentant la pression intra-alvéolaire au-dessus de la pression atmosphérique. * **Volumes et capacités respiratoires :** La spirométrie permet de mesurer divers volumes (air inspiré/expiré, volume résiduel) et capacités (capacité vitale, capacité résiduelle fonctionnelle, capacité pulmonaire totale). * Volume courant (VC) : Volume d'air déplacé lors d'une respiration normale (environ 500 mL chez l'adulte). * Capacité vitale (CV) : Volume maximal d'air pouvant être expiré après une inspiration maximale (environ 4-5 litres). * Volume résiduel (VR) : Volume d'air restant dans les poumons après une expiration maximale (environ 1 litre). * Capacité pulmonaire totale (CPT) : Volume total d'air dans les poumons après une inspiration maximale. * **Ventilation minute :** Débit d'air total entrant et sortant des poumons par minute, calculé comme Volume Courant (\(VC\)) multiplié par la fréquence respiratoire (\(f\)). $$Ventilation\ minute = VC \times f$$ Elle augmente avec l'effort. * **Espaces morts :** L'air inspiré ne participe pas entièrement aux échanges gazeux. L'espace mort anatomique correspond aux voies aériennes où aucun échange n'a lieu (environ 150 mL). L'espace mort alvéolaire correspond aux alvéoles non perfusées. L'espace mort physiologique est la somme des deux. La ventilation alvéolaire est le volume d'air réellement disponible pour les échanges. ### 3.5 Circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire est un réseau à basse pression, contrastant avec la circulation systémique. * **Structure :** L'artère pulmonaire part du ventricule droit, se ramifie en artères, artérioles, puis capillaires pulmonaires qui entourent les alvéoles. Les capillaires rejoignent les veinules, puis les 4 veines pulmonaires qui retournent à l'oreillette gauche. Les artères pulmonaires sont pauvres en O\(_2\) et riches en CO\(_2\), tandis que les veines pulmonaires sont riches en O\(_2\) et pauvres en CO\(_2\). * **Caractéristiques hémodynamiques :** Le système pulmonaire fonctionne avec une pression relativement basse (systolique environ 25 mmHg, diastolique environ 10 mmHg) et une faible résistance vasculaire pulmonaire (RVP). $$RVP = \frac{P_{\text{artère pulmonaire}} - P_{\text{oreillette gauche}}}{Débit\ pulmonaire}}$$ La RVP est environ 10 fois inférieure à la résistance vasculaire systémique. * **Contrôle de la résistance pulmonaire :** * **Mécanismes passifs :** Le débit cardiaque, le volume pulmonaire et la gravité influencent la RVP. Une augmentation du débit cardiaque entraîne une diminution de la résistance par recrutement et distension des capillaires. * **Mécanismes actifs :** L'hypoxie provoque une vasoconstriction pulmonaire (hypoxie hypoxique), détournant le sang vers des zones mieux ventilées. Le contrôle nerveux a un rôle limité, tandis que les substances vasoactives (vasodilatateurs comme le NO, et vasoconstricteurs comme l'angiotensine II) modulent le diamètre des vaisseaux. ### 3.6 Échanges gazeux alvéolo-capillaires Les échanges d'O\(_2\) et de CO\(_2\) entre les alvéoles et les capillaires pulmonaires sont régis par la loi de la diffusion des gaz. * **Membrane alvéolo-capillaire (MAC) :** Cette membrane mince (environ 0.3-0.5 micromètres) est composée de l'épithélium alvéolaire (pneumocytes de type I), de l'endothélium capillaire et d'une membrane basale fusionnée. Sa grande surface (environ 100 m\(_2\)) et sa faible épaisseur facilitent la diffusion rapide des gaz. * **Gradient de pression :** La diffusion se produit d'une zone de haute pression partielle vers une zone de basse pression partielle. * **Oxygène :** La pression partielle d'O\(_2\) dans les alvéoles (\(P_{\text{AO}_2}\)) est d'environ 100 mmHg, tandis que dans le sang artériel arrivant aux poumons (\(P_{\text{avO}_2}\)), elle est d'environ 40 mmHg. Le gradient favorise le passage de l'O\(_2\) dans le sang. Le sang sortant des capillaires pulmonaires (\(P_{\text{aO}_2}\)) atteint environ 100 mmHg (légèrement réduit par le shunt bronchique). * **Dioxyde de carbone :** La pression partielle de CO\(_2\) dans le sang arrivant aux poumons (\(P_{\text{avCO}_2}\)) est d'environ 45 mmHg, tandis que dans les alvéoles (\(P_{\text{A}\text{CO}_2}\)), elle est d'environ 40 mmHg. Le gradient favorise le passage du CO\(_2\) dans les alvéoles. Le sang sortant des capillaires (\(P_{\text{a}\text{CO}_2}\)) a une pression d'environ 40 mmHg. * **Facteurs contrôlant les échanges :** La diffusion dépend du gradient de pression, de la surface d'échange et de l'épaisseur de la membrane. La ventilation alvéolaire et la perfusion capillaire (rapport V/Q) sont cruciales. Un rapport V/Q élevé (sommet du poumon) signifie plus de ventilation que de perfusion, tandis qu'un rapport faible (base du poumon) signifie plus de perfusion que de ventilation. L'idéal est un rapport V/Q équilibré (zone médiane). ### 3.7 Transport des gaz dans le sang Le sang transporte l'O\(_2\) des poumons vers les tissus et le CO\(_2\) des tissus vers les poumons. * **Transport de l'oxygène :** * **Dissous :** Une très petite quantité d'O\(_2\) est dissoute dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges (environ 3%). Cette fraction dissoute détermine la pression partielle d'O\(_2\) (\(P_{\text{O}_2}\)). * **Lié à l'hémoglobine :** La majorité de l'O\(_2\) (environ 97%) est transportée liée à l'hémoglobine (Hb) dans les globules rouges, formant l'oxyhémoglobine. Chaque molécule d'Hb peut lier jusqu'à 4 molécules d'O\(_2\). $$ \text{Hb} + 4 \text{O}_2 \rightleftharpoons \text{Hb-O}_2 $$ La capacité de liaison de l'Hb à l'O\(_2\) est appelée pouvoir oxyphorique (environ 1.34 mL O\(_2\) par mg d'Hb). * **Structure de l'hémoglobine :** L'Hb est une protéine composée de quatre chaînes polypeptidiques (deux alpha et deux bêta dans l'HbA adulte) contenant chacune un groupe hème avec un atome de fer (Fe\({}^{2+}\)). Ce fer est le site de liaison de l'O\(_2\). * **Courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine :** L'affinité de l'Hb pour l'O\(_2\) est influencée par plusieurs facteurs, notamment la \(P_{\text{O}_2}\), le pH, la température et la concentration de 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-DPG). * **Effet Bohr :** Une augmentation de la \(P_{\text{CO}_2}\) ou une diminution du pH (acidose) déplace la courbe vers la droite, diminuant l'affinité de l'Hb pour l'O\(_2\) et favorisant sa libération dans les tissus. Inversement, une diminution de la \(P_{\text{CO}_2}\) ou une augmentation du pH (alcalose) augmente l'affinité et favorise la fixation de l'O\(_2\) dans les poumons. * **Transport du dioxyde de carbone :** * **Dissous :** Environ 5-10% du CO\(_2\) est dissous dans le plasma et les globules rouges. Cette fraction détermine la \(P_{\text{CO}_2}\). * **Lié à l'hémoglobine :** Environ 30% du CO\(_2\) se lie à l'hémoglobine, formant des carbaminohémoglobines. La liaison du CO\(_2\) à l'Hb est indépendante de la liaison de l'O\(_2\) mais influence l'affinité de l'Hb pour l'O\(_2\) (effet Haldane). * **Sous forme de bicarbonate :** La majorité du CO\(_2\) (environ 60-70%) est transportée sous forme d'ions bicarbonate (\(\text{HCO}_3^-\)) dans le plasma. Dans les globules rouges, le CO\(_2\) réagit avec l'eau en présence de l'enzyme anhydrase carbonique pour former de l'acide carbonique (\(\text{H}_2\text{CO}_3\)), qui se dissocie rapidement en ions \(\text{H}^+\) et \(\text{HCO}_3^-\). Les ions \(\text{HCO}_3^-\) sortent des globules rouges en échange d'ions chlorure (\(\text{Cl}^-\)) (échangeur Cl\(_-/\)\(\text{HCO}_3^-\), ou effet Hamburger). $$ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Anhydrase carbonique}} \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- $$ L'ion \(\text{H}^+\) est tamponné par l'hémoglobine. L'effet Haldane décrit la tendance de l'hémoglobine à libérer l'O\(_2\) lorsque la \(P_{\text{CO}_2}\) est élevée et à fixer le CO\(_2\) lorsque la \(P_{\text{O}_2}\) est basse. Dans les poumons, le processus est inversé pour libérer le CO\(_2\). ### 3.8 Contrôle nerveux de la respiration L'automatisme respiratoire est sous le contrôle du système nerveux central, principalement par les centres respiratoires situés dans le tronc cérébral (bulbe et protubérance). * **Centres respiratoires :** * **Centre pneumotaxique (protubérance) :** Régule la transition entre inspiration et expiration, limitant la durée de l'inspiration. * **Groupes neuronaux bulbaires :** * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Principalement responsable de l'inspiration, il active les muscles inspiratoires (diaphragme, muscles intercostaux). * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Impliqué dans l'expiration forcée et peut aussi contribuer à l'inspiration. * **Régulation des paramètres sanguins :** * **Chémorécepteurs centraux :** Situés à la surface ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de \(\text{H}^+\) dans le liquide céphalo-rachidien (LCR), qui reflètent la \(P_{\text{CO}_2}\) sanguine. Une augmentation de la \(P_{\text{CO}_2}\) entraîne une augmentation de \(\text{H}^+\), stimulant la ventilation. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils détectent principalement une baisse de la \(P_{\text{O}_2}\) sanguine (sous 60 mmHg), mais aussi une augmentation de la \(P_{\text{CO}_2}\) et une diminution du pH. Ils envoient des signaux via les nerfs glossopharyngien (IX) et vague (X) aux centres respiratoires. * **Réflexes :** * **Mécanorécepteurs pulmonaires :** Situés dans les voies aériennes, ils déclenchent le réflexe de Hering-Breuer, qui inhibe l'inspiration lorsque les poumons sont trop distendus, prévenant une sur-expansion. * **Récepteurs pharyngés :** Détectent les étirements dans le pharynx, jouant un rôle dans la déglutition et la protection des voies aériennes. * **Autres influences :** La température corporelle, la douleur, les émotions et certains médicaments (comme les opiacés) peuvent modifier la respiration en agissant sur les centres respiratoires. La parole et le chant nécessitent un contrôle volontaire de la respiration. > **Tip:** Il est crucial de comprendre comment les variations des pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone, ainsi que du pH sanguin, influencent la fréquence et la profondeur de la respiration via les chémorécepteurs. La capacité d'ajustement est essentielle pour maintenir l'homéostasie. --- Voici une synthèse détaillée et complète sur le sujet des échanges gazeux et du transport sanguin, préparée pour un examen. Les échanges gazeux sont un processus vital assurant l'apport d'oxygène aux tissus et l'élimination du dioxyde de carbone. ### 3.1 Les principes des échanges gazeux L'échange de gaz, au sens large, concerne le passage de molécules d'oxygène et de dioxyde de carbone entre l'environnement extérieur et les cellules de l'organisme. Chez les organismes unicellulaires, cela se fait par diffusion simple. Pour les métazoaires, le système respiratoire, complété par le système circulatoire, est essentiel. La respiration cellulaire consomme de l'oxygène et produit du dioxyde de carbone. #### 3.1.1 L'anatomie du système respiratoire Le système respiratoire est composé des voies aériennes (nez, pharynx, larynx, trachée, bronches, bronchioles) et des poumons, qui contiennent les alvéoles, unités fonctionnelles de l'échange gazeux. Les bronches, riches en cartilage, sont des structures dynamiques dont le diamètre peut être modulé par les muscles lisses. Elles sont tapissées d'un épithélium cilié produisant du mucus, jouant un rôle de protection immunitaire contre les particules et les agents pathogènes. Les poumons sont constitués de tissu élastique et sont recouverts par une double membrane, la plèvre. > **Tip:** La mucoviscidose illustre l'importance du mucus et des cils : un mucus trop épais gêne le fonctionnement des cils, favorisant les infections. #### 3.1.2 Les étapes de la respiration pulmonaire La respiration pulmonaire se déroule en plusieurs étapes : 1. **Ventilation pulmonaire :** Mouvement de l'air entre l'environnement extérieur et les alvéoles. 2. **Échanges gazeux alvéolo-capillaires :** Diffusion de l'O₂ des alvéoles vers les capillaires et du CO₂ des capillaires vers les alvéoles. 3. **Transport des gaz dans le sang :** Circule dans le système cardiovasculaire. 4. **Échanges gazeux tissulaires :** Diffusion de l'O₂ des capillaires vers les cellules et du CO₂ des cellules vers les capillaires. 5. **Respiration cellulaire :** Utilisation de l'O₂ par les cellules pour produire de l'ATP. #### 3.1.3 Les facteurs influençant la ventilation pulmonaire La ventilation pulmonaire dépend de plusieurs facteurs : * **Composition de l'air :** Mélange de gaz avec des fractions spécifiques (environ 79% N₂, 21% O₂). * **Pressions partielles des gaz :** La pression atmosphérique totale ($P_{atm}$) est d'environ 760 mmHg (ou 101 kPa) à l'altitude zéro. La pression partielle d'un gaz ($P_X$) est le produit de sa fraction ($F_X$) par la pression atmosphérique : $P_X = F_X \times P_{atm}$. Par exemple, la pression partielle de l'oxygène ($PO_2$) est d'environ 160 mmHg. * **Altitude :** La pression atmosphérique diminue avec l'altitude, réduisant ainsi la pression partielle des gaz, y compris celle de l'oxygène ($PO_2$). * **Vapeur d'eau :** La présence de vapeur d'eau dans l'air alvéolaire (toujours saturé à 37°C et 100% d'humidité) réduit la pression partielle des autres gaz. La formule devient : $P_{O_2} = (P_{atm} - P_{H_2O}) \times 0.21$. > **Tip:** La pression partielle est le moteur de la diffusion des gaz. Une baisse de la pression partielle d'un gaz dans un compartiment entraîne son mouvement vers ce compartiment. #### 3.1.4 Le cycle respiratoire Le cycle respiratoire comprend l'inspiration (entrée d'air) et l'expiration (sortie d'air). Il est généré par la contraction et le relâchement des muscles respiratoires (principalement le diaphragme et les muscles intercostaux externes). * **Inspiration :** Active, impliquant la contraction du diaphragme (qui descend) et des muscles intercostaux externes, augmentant le volume de la cage thoracique. Cette augmentation de volume diminue la pression intra-alvéolaire ($P_{alv}$) en dessous de la pression atmosphérique ($P_{atm}$), créant un gradient de pression qui fait entrer l'air. * **Expiration :** Passive au repos, résultant du relâchement élastique de la cage thoracique et des poumons, qui diminue le volume pulmonaire. Cela augmente la pression intra-alvéolaire au-dessus de la pression atmosphérique, expulsant l'air. L'expiration forcée est active et fait appel à d'autres muscles. La durée de l'inspiration est généralement plus longue que celle de l'expiration au repos ($T_I / T_E \approx 1/2$). #### 3.1.5 Volumes et capacités respiratoires Ces volumes peuvent être mesurés par spirométrie : * **Volume courant (VC) :** Volume d'air inspiré ou expiré lors d'une respiration normale (environ 500 ml chez l'adulte). * **Volume de réserve inspiratoire (VRI) :** Volume maximal pouvant être inspiré après une inspiration normale (2 à 3 litres). * **Volume de réserve expiratoire (VRE) :** Volume maximal pouvant être expiré après une expiration normale (environ 1 litre). * **Volume résiduel (VR) :** Volume d'air restant dans les poumons après une expiration forcée (environ 1 litre), non mobilisable. * **Capacité vitale (CV) :** Somme des volumes mobilisables (VRI + VC + VRE) = 4 à 5 litres. * **Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) :** Volume d'air dans les poumons après une expiration normale (VRE + VR) = 2 litres. * **Capacité pulmonaire totale (CPT) :** Volume total d'air dans les poumons (VRI + VC + VRE + VR) = 5 litres. La **ventilation minute** est le volume d'air total échangé par minute : $Ventilation_{minute} = VC \times Fréquence_{respiratoire}$. Elle varie de 5-8 L/min au repos à plus de 100 L/min lors d'un effort intense. #### 3.1.6 Espaces morts L'air inspiré n'est pas entièrement utilisé pour les échanges gazeux. * **Espace mort anatomique :** Volume d'air dans les voies aériennes conductrices (nez, pharynx, larynx, trachée, bronches) qui n'atteint pas les alvéoles (environ 150 ml, soit 20% du VC). * **Espace mort alvéolaire :** Alvéoles non perfusées par les capillaires. Il est généralement négligeable mais peut augmenter en cas d'embolie pulmonaire. * **Espace mort physiologique :** Somme de l'espace mort anatomique et alvéolaire. #### 3.1.7 Propriétés élastiques et résistives L'appareil respiratoire est un système élastique dont les muscles doivent vaincre : * **Forces élastiques :** Forces de rétraction des poumons et de la cage thoracique. La compliance représente la capacité d'un poumon à se distendre ($Compliance = \Delta Volume / \Delta Pression$). Les tensions superficielles créées par l'interface air-liquide dans les alvéoles contribuent significativement à ces forces, réduites par le **surfactant** (une lipoprotéine produite par les pneumocytes de type II). La loi de Laplace ($P = 2TS/r$, où TS est la tension superficielle et r le rayon) explique que les petites alvéoles tendent à se collaber davantage en raison de leur rayon plus petit. * **Forces résistives :** Résistance au passage de l'air dans les voies aériennes (principalement la résistance des voies aériennes) et frottements tissulaires. La résistance ($R$) est inversement proportionnelle à la puissance quatre du rayon du conduit ($R \propto 1/r^4$ selon la loi de Poiseuille-Darcy). Bien que les petites bronches aient un faible diamètre, leur contribution à la résistance totale est faible car elles sont organisées en parallèle. #### 3.1.8 La membrane alvéolo-capillaire La membrane alvéolo-capillaire (MAC) est extrêmement fine (0.3 à 0.5 micromètres) et est composée de l'épithélium alvéolaire (pneumocytes de type I), de la membrane basale fusionnée et de l'endothélium capillaire. Cette structure optimisée facilite la diffusion rapide des gaz. #### 3.1.9 Facteurs contrôlant les échanges gazeux Les échanges gazeux sont contrôlés par : * **Le gradient de pression partielle des gaz :** L'O₂ diffuse des alvéoles (environ 100 mmHg) vers les capillaires pulmonaires (environ 40 mmHg), tandis que le CO₂ diffuse des capillaires (environ 45 mmHg) vers les alvéoles (environ 40 mmHg). * **La surface d'échange :** Les 75% de la surface alvéolaire recouverte par les capillaires pulmonaires forment une surface d'environ 100 m². * **L'épaisseur de la membrane :** Une MAC fine assure une diffusion rapide. * **Le rapport ventilation/perfusion (V/Q) :** C'est le rapport entre le volume d'air entrant dans les alvéoles et le débit sanguin dans les capillaires pulmonaires. Idéalement, ce rapport est proche de 1. * **Zone 1 (sommet des poumons) :** V/Q élevé (plus de ventilation que de perfusion), sollicitée lors d'efforts intenses. * **Zone 2 (milieu des poumons) :** V/Q idéal, la plus active au repos. * **Zone 3 (base des poumons) :** V/Q faible (plus de perfusion que de ventilation), sollicitée pendant l'effort. ### 3.2 Le transport des gaz dans le sang Le sang transporte l'oxygène des poumons vers les tissus et le dioxyde de carbone des tissus vers les poumons. #### 3.2.1 Transport de l'oxygène (O₂) * **Forme dissoute :** Environ 3% de l'O₂ est dissous dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges (GR). Ce gaz dissous est le seul à contribuer à la pression partielle de l'oxygène ($PO_2$). * **Forme combinée :** Environ 97% de l'O₂ se lie de manière réversible à l'hémoglobine (Hb) des GR, formant l'oxyhémoglobine. **L'hémoglobine (Hb)** est un pigment respiratoire composé de quatre chaînes polypeptidiques (deux alpha et deux bêta dans l'HbA adulte) portant chacune un groupe hème contenant un atome de fer (Fe²⁺) capable de fixer une molécule d'O₂. Une molécule d'Hb peut donc fixer jusqu'à 4 molécules d'O₂. Le **pouvoir oxyphorique** de l'Hb est la capacité de fixation de l'O₂ par mg d'Hb (environ 1.34 ml O₂/mg Hb). La saturation en O₂ de l'Hb ($SaO_2$) est le pourcentage de sites de fixation de l'O₂ occupés par l'O₂. > **Tip:** L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène est influencée par des facteurs (effet Bohr) : > * **Augmentation de la $PCO_2$ ou diminution du pH (acidose) :** Diminue l'affinité de l'Hb pour l'O₂, favorisant le relargage de l'O₂ dans les tissus (où la $PCO_2$ est élevée). > * **Diminution de la $PCO_2$ ou augmentation du pH (alcalose) :** Augmente l'affinité de l'Hb pour l'O₂, favorisant la captation de l'O₂ dans les poumons. Le monoxyde de carbone (CO) se lie à l'Hb avec une affinité environ 200 fois supérieure à celle de l'O₂, formant la carboxyhémoglobine, de manière quasi irréversible. #### 3.2.2 Transport du dioxyde de carbone (CO₂) Le CO₂ est transporté sous trois formes : * **Forme dissoute :** Environ 5-10% est dissous dans le plasma et le cytoplasme des GR. Bien que quantitativement faible, c'est la seule forme participant à la pression partielle du CO₂ ($PCO_2$). Sa solubilité étant 20 000 fois supérieure à celle de l'O₂, une petite quantité dissoute génère une pression partielle significative. * **Forme combinée à l'hémoglobine :** Environ 30% se lie à l'hémoglobine (mais à un site différent de celui de l'O₂), formant les carbaminohémoglobines. * **Forme de bicarbonate :** Environ 65% est transporté sous forme d'ions bicarbonate ($HCO_3^-$) dans le plasma. La réaction : $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons HCO_3^- + H^+$. Cette réaction est catalysée par l'enzyme **anhydrase carbonique**, présente dans les GR. Pour maintenir l'électroneutralité, les ions $HCO_3^-$ sortent des GR en échange d'ions chlorure ($Cl^-$) (échange Hamburger). Les ions $H^+$ produits sont tamponnés par l'hémoglobine. > **Tip:** L'effet Haldane décrit la perte d'affinité du CO₂ pour l'Hb lorsque la $PO_2$ augmente. Ceci favorise le transport du CO₂ des tissus vers les poumons. ### 3.3 Contrôle nerveux de la respiration L'automatisme respiratoire, essentiel à la vie, est contrôlé par des centres nerveux situés dans le tronc cérébral (bulbe rachidien et protubérance). #### 3.3.1 Centres respiratoires * **Groupe Respiratoire Dorsal (GRD) :** Principalement responsable de l'inspiration ; reçoit des informations sensitives (nerfs vague et glossopharyngien) et commande les muscles inspiratoires via le nerf phrénique. * **Groupe Respiratoire Ventral (GRV) :** Contient des neurones inspiratoires et expiratoires ; modulé par le GRD. * **Centre Pneumotaxique (protubérance) :** Modère la durée de l'inspiration et de l'expiration, influençant la transition entre ces deux phases. #### 3.3.2 Récepteurs et rétrocontrôle * **Chémorécepteurs centraux :** Situés sur la surface ventrale du bulbe, sensibles aux variations de $PCO_2$ et de pH dans le liquide céphalo-rachidien (LCR). Une augmentation de $PCO_2$ entraîne une augmentation des $H^+$ dans le LCR, stimulant les neurones et augmentant la ventilation. * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens (bifurcations des artères carotides), sensibles principalement à une forte baisse de $PO_2$ (inférieure à environ 60 mmHg), ainsi qu'à l'augmentation de $PCO_2$ et à la diminution du pH. * **Mécanorécepteurs :** * **Pulmonaires (réflexe de Hering-Breuer) :** Sensibles à l'étirement des poumons, ils limitent l'inspiration excessive. * **Pharyngés :** Répondent à l'étirement de la paroi pharyngée, jouant un rôle dans la déglutition et la protection des voies aériennes. * **Autres facteurs :** La douleur, la température, la parole, les émotions peuvent moduler la respiration. Le contrôle de la respiration s'effectue par des boucles de rétrocontrôle négatif, où les variations des paramètres physiologiques déclenchent des réponses correctrices qui ramènent ces paramètres à la normale. ### 3.4 La circulation pulmonaire La circulation pulmonaire est un système à basse pression qui assure l'oxygénation du sang. #### 3.4.1 Structure et spécificités Elle comprend l'artère pulmonaire (issue du ventricule droit, pauvre en O₂ et riche en CO₂), les artérioles, les capillaires pulmonaires (autour des alvéoles), les veinules et les quatre veines pulmonaires (qui retournent au cœur gauche, riches en O₂ et pauvres en CO₂). La pression dans le système pulmonaire est faible (environ 25/10 mmHg) comparée à la circulation systémique. Les vaisseaux pulmonaires ont une compliance élevée et une faible résistance vasculaire pulmonaire ($RVP$). Le débit sanguin pulmonaire est égal au débit cardiaque. #### 3.4.2 Contrôle de la résistance pulmonaire La résistance vasculaire pulmonaire est influencée par des mécanismes passifs (débit cardiaque, volume pulmonaire, gravité) et actifs (hypoxie, agents vasoactifs). * **Mécanismes passifs :** Une augmentation du débit cardiaque entraîne une baisse de la résistance grâce au recrutement de nouveaux capillaires et à la distensibilité des vaisseaux. La gravité influence la perfusion, la base du poumon étant mieux perfusée que le sommet. * **Mécanismes actifs :** L'hypoxie locale entraîne une vasoconstriction hypoxique, dirigeant le sang vers les zones mieux ventilées. Des substances vasoactives, vasodilatatrices (comme le $NO$ et le $PGI_2$) ou vasoconstrictrices (comme l'angiotensine II), modulent également la résistance. ### 3.5 Échanges gazeux alvéolo-capillaires Les échanges d'O₂ et de CO₂ au niveau de la membrane alvéolo-capillaire s'effectuent par diffusion, dictée par les gradients de pression partielle. * **Oxygène :** Diffuse des alvéoles (environ 100 mmHg) vers les capillaires pulmonaires (40 mmHg). L'équilibre est atteint rapidement (0.3-0.4 secondes) en raison du fort gradient et de la grande surface d'échange. * **Dioxyde de carbone :** Diffuse des capillaires pulmonaires (45 mmHg) vers les alvéoles (40 mmHg). La diffusion est rapide malgré le faible gradient en raison de la très grande solubilité du CO₂. > **Tip:** Le rapport ventilation/perfusion (V/Q) est crucial pour l'efficacité des échanges gazeux. Une altération de ce rapport (par exemple, une obstruction bronchique réduisant la ventilation, ou une embolie pulmonaire réduisant la perfusion) perturbe les échanges. ### 3.6 Monoxyde de carbone (CO) et le transport sanguin Le monoxyde de carbone est un gaz toxique qui se lie à l'hémoglobine avec une affinité très élevée, formant la carboxyhémoglobine. Cette liaison est quasi irréversible et empêche l'hémoglobine de transporter l'oxygène, conduisant à une hypoxie tissulaire. Cette synthèse couvre les aspects essentiels des échanges gazeux et du transport sanguin, en mettant l'accent sur les mécanismes physiologiques, les facteurs influençant ces processus, et les implications cliniques. --- # Circulation pulmonaire et contrôle Voici un résumé détaillé du sujet "Circulation pulmonaire et contrôle" pour votre guide d'étude, basé sur les informations fournies. ## 4. Circulation pulmonaire et contrôle Ce chapitre décrit l'anatomie, l'hémodynamique, les débits, les pressions et les résistances de la circulation pulmonaire, ainsi que les mécanismes passifs et actifs qui la contrôlent. ### 4.1 Anatomie et spécificités hémodynamiques de la circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire constitue une circulation régionale distincte du réseau systémique. Il reçoit l'intégralité du débit cardiaque (environ 5 litres par minute au repos) par l'intermédiaire de l'artère pulmonaire, qui émane du ventricule droit. Cette artère se subdivise ensuite en artères pulmonaires droite et gauche, puis en artères de plus petit calibre, suivies par des artérioles qui mènent aux capillaires pulmonaires situés autour des alvéoles. Ces capillaires se rejoignent ensuite pour former des veinules, qui convergent en quatre veines pulmonaires. Ces dernières se réunissent pour former les veines pulmonaires droite et gauche qui se déversent dans l'oreillette gauche. Les artères pulmonaires transportent un sang pauvre en oxygène ($O_2$) et riche en dioxyde de carbone ($CO_2$). Inversement, les veines pulmonaires transportent un sang riche en $O_2$ et pauvre en $CO_2$. Il s'agit d'un système caractérisé par de basses pressions (environ 25/10 mmHg) et des vaisseaux dotés d'une grande compliance, ce qui se traduit par une faible résistance. La circulation pulmonaire est principalement fonctionnelle (échange gazeux) et non nutritive pour les tissus pulmonaires eux-mêmes. Les vaisseaux pulmonaires suivent étroitement la ramification de l'arbre bronchique. Le système artériel bronchique, qui assure la nutrition des bronches, se jette dans les veines pulmonaires. Le sang veineux bronchique, légèrement moins oxygéné, contamine donc le sang des artères pulmonaires. Les capillaires pulmonaires, qui tapissent la surface des alvéoles, forment un réseau dense. Ils couvrent environ 75% de la surface alvéolaire, créant une immense surface d'échange (environ 100 $m^2$). Ces capillaires, bien que fins, sont suffisamment résistants pour supporter la pression artérielle. ### 4.2 Débits, pressions et résistances dans les poumons Le débit pulmonaire est égal au débit cardiaque. $$ \text{Débit pulmonaire} = \text{Débit cardiaque} = \text{VES} \times \text{Fréquence cardiaque} $$ où VES représente le volume d'éjection systolique. La résistance vasculaire pulmonaire (RVP) est significativement plus faible que la résistance de la circulation générale (RCG). Elle est calculée comme suit : $$ \text{RVP} = \frac{P_{\text{PAP}} - P_{\text{OG}}}{D} $$ où $P_{\text{PAP}}$ est la pression artérielle pulmonaire, $P_{\text{OG}}$ est la pression dans l'oreillette gauche, et $D$ est le débit cardiaque. En comparaison : $$ \text{RCG} = \frac{P_{\text{PAM}} - P_{\text{OD}}}{D} $$ où $P_{\text{PAM}}$ est la pression artérielle moyenne et $P_{\text{OD}}$ est la pression dans l'oreillette droite. La RVP est environ 10 fois inférieure à la RCG. Ceci s'explique par : * Un réseau vasculaire pulmonaire plus court. * Des capillaires aux parois plus fines. * Une compliance vasculaire élevée. Si l'on compare les pressions, la pression dans l'aorte est d'environ 100 mmHg, tandis que la pression à la sortie du ventricule droit est d'environ 25 mmHg. La pression de sortie de la circulation pulmonaire est d'environ 5 mmHg, et la pression dans la veine cave est d'environ 2 mmHg. ### 4.3 Contrôle de la résistance pulmonaire (mécanismes passifs et actifs) Le contrôle de la résistance pulmonaire s'exerce par des mécanismes passifs et actifs. #### 4.3.1 Mécanismes passifs Ils incluent : * **Le débit cardiaque :** Une augmentation du débit cardiaque (Q) entraîne une augmentation de la pression, mais la résistance (R) diminue grâce à des processus de recrutement et de distension des vaisseaux. La loi de la pression ($P = Q \times R$) montre que pour un débit accru, la résistance doit diminuer pour que la pression varie peu. * **Recrutement des capillaires :** De nouveaux capillaires sont activés pour prendre en charge le flux sanguin accru. * **Distensibilité des vaisseaux :** Les vaisseaux sanguins pulmonaires se dilatent sous l'effet de l'augmentation de la pression. * **Le volume pulmonaire :** L'état de distension des poumons influence la RVP. Les vaisseaux intra-alvéolaires sont comprimés lorsque les alvéoles sont très distendues (fin d'inspiration), tandis que les vaisseaux extra-alvéolaires sont comprimés lorsque les poumons sont peu distendus (fin d'expiration ou inspiration forcée). * **L'influence de la gravité :** Chez un sujet en position debout, la pression sanguine est plus élevée à la base des poumons qu'au sommet. Il y a donc une perfusion sanguine supérieure à la base. L'air alvéolaire, de faible densité, n'est pas significativement influencé par la gravité. #### 4.3.2 Mécanismes actifs * **Hypoxie :** En cas d'hypoxie (faible concentration d'oxygène dans le sang), il se produit une vasoconstriction des artérioles pulmonaires (vasoconstriction hypoxique). Ce mécanisme vise à rediriger le sang vers les zones pulmonaires mieux ventilées afin d'optimiser les échanges gazeux. Cet effet est bénéfique en cas d'hypoxie localisée mais délétère en cas d'hypoxie généralisée. * **Contrôle nerveux :** Le rôle du système nerveux autonome (sympathique et parasympathique) sur la résistance pulmonaire est généralement considéré comme négligeable par rapport aux mécanismes hormonaux et locaux. * **Agents vasoactifs :** Diverses substances peuvent moduler le diamètre des vaisseaux pulmonaires : * **Vasodilatateurs :** Acétylcholine (Ach), oxyde nitrique (NO), prostacycline ($PGI_2$) réduisent la résistance en augmentant le diamètre des vaisseaux. * **Vasoconstricteurs :** Endothéline-1 (ET-1), angiotensine II (AngII), thromboxane A2 ($TXA_2$) augmentent la résistance en réduisant le diamètre des vaisseaux. ### 4.4 Échanges gazeux : Diffusion alvéolo-capillaire Les échanges de gaz ($O_2$ et $CO_2$) entre les alvéoles et les capillaires sont régis par la diffusion. #### 4.4.1 Membrane alvéolo-capillaire (MAC) La MAC est une structure très fine (0,3 à 0,5 micromètre d'épaisseur) composée d'une couche de cellules endothéliales capillaires, d'une membrane basale fusionnée et d'une couche de cellules épithéliales alvéolaires (pneumocytes de type I). Cette minceur est essentielle pour faciliter le transfert rapide des gaz. #### 4.4.2 Pressions gazeuses La diffusion des gaz dépend des différences de pression partielle ($P$) entre les différents compartiments : * $P_{O_2}$ alvéolaire ($P_{A_{O_2}}$) * $P_{O_2}$ capillaire ($P_{c_{O_2}}$) * $P_{O_2}$ veineuse ($P_{v_{O_2}}$) * $P_{O_2}$ artérielle ($P_{a_{O_2}}$) * $P_{CO_2}$ alvéolaire ($P_{A_{CO_2}}$) * $P_{CO_2}$ capillaire ($P_{c_{CO_2}}$) * $P_{CO_2}$ veineuse ($P_{v_{CO_2}}$) * $P_{CO_2}$ artérielle ($P_{a_{CO_2}}$) #### 4.4.3 Diffusion alvéolocapillaire de l'$O_2$ Dans les capillaires pulmonaires avant leur contact avec les alvéoles, la $P_{c_{O_2}}$ est d'environ 40 mmHg. Dans les alvéoles, la $P_{A_{O_2}}$ est d'environ 100 mmHg. Le gradient de pression favorise donc le passage de l'$O_2$ des alvéoles vers les capillaires. L'équilibre de diffusion est atteint rapidement, en environ 0,3 à 0,4 seconde. Dans les capillaires veineux pulmonaires, la $P_{v_{O_2}}$ atteint environ 100 mmHg, bien qu'elle soit légèrement contaminée par le sang veineux bronchique, pauvre en $O_2$. #### 4.4.4 Diffusion alvéolocapillaire du $CO_2$ La $P_{c_{CO_2}}$ dans les capillaires pulmonaires est d'environ 45 mmHg, tandis que la $P_{A_{CO_2}}$ est d'environ 40 mmHg. Le gradient de pression favorise le passage du $CO_2$ des capillaires vers les alvéoles. Bien que le gradient soit plus faible, la diffusion du $CO_2$ est aussi rapide que celle de l'$O_2$ car le $CO_2$ est beaucoup plus soluble dans les liquides biologiques. Dans les capillaires veineux pulmonaires, la $P_{v_{CO_2}}$ est d'environ 40 mmHg. #### 4.4.5 Facteurs contrôlant les échanges alvéolocapillaires * **Ventilation alvéolaire :** Un apport suffisant d'$O_2$ dans les alvéoles et une élimination adéquate du $CO_2$ sont cruciaux. La faible solubilité de l'$O_2$ rend les échanges plus sensibles aux variations de ventilation par rapport au $CO_2$. * **Surface alvéolo-capillaire :** Une réduction de cette surface (par exemple, due à une embolie pulmonaire, une pneumonectomie ou une tumeur bronchique) altère les échanges gazeux. * **Gradient de pression :** La différence de pression partielle des gaz entre l'alvéole et le capillaire est le moteur de la diffusion. #### 4.4.6 Rapport ventilation/perfusion (V/Q) L'efficacité des échanges gazeux dépend du rapport entre la ventilation alvéolaire (V) et la perfusion capillaire (Q). * **Zone 1 (sommet du poumon) :** $V > Q$ (rapport V/Q élevé). Cette zone est moins perfusée et n'est sollicitée que lors d'inspirations maximales ou d'efforts intenses. * **Zone 2 (partie médiane) :** $V = Q$ (rapport V/Q idéal). C'est la zone la plus active au repos. * **Zone 3 (base du poumon) :** $Q > V$ (rapport V/Q faible). Cette zone est plus sollicitée lors d'efforts physiques. ### 4.5 Transport des gaz dans le sang Le transport de l'$O_2$ et du $CO_2$ par le sang s'effectue de différentes manières. #### 4.5.1 Généralités * Seule la fraction dissoute d'un gaz dans le plasma contribue à sa pression partielle. * La loi d'Henry stipule que le volume de gaz dissous est proportionnel à sa pression partielle et à sa solubilité. #### 4.5.2 Transport de l'$O_2$ * **Dissous dans le plasma :** Environ 3%. * **Combiné à l'hémoglobine (Hb) :** Environ 97%, formant l'oxyhémoglobine ($HbO_2$). * L'hémoglobine est une protéine capable de fixer réversiblement quatre molécules d'$O_2$. * Le pouvoir oxyphorique de l'hémoglobine est d'environ 1,34 mL $O_2$ par gramme d'Hb. * La concentration normale d'Hb chez l'homme est d'environ 15 g/100 mL de sang. * La capacité maximale de fixation d'$O_2$ est appelée saturation en $O_2$ de l'Hb ($SaO_2$). L'affinité de l'$O_2$ pour l'Hb est influencée par l'effet Bohr : * Une augmentation de la pression partielle de $CO_2$ ($P_{CO_2}$) ou une diminution du pH (acidose) diminue l'affinité de l'Hb pour l'$O_2$, favorisant sa libération au niveau des tissus. * Inversement, une diminution de la $P_{CO_2}$ ou une augmentation du pH (alcalose) augmente l'affinité de l'Hb pour l'$O_2$, favorisant sa captation au niveau des poumons. #### 4.5.3 Transport du $CO_2$ Le $CO_2$ est transporté de trois manières : * **Dissous dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges :** Environ 5-10%. Cette forme dissoute est la seule à définir la pression partielle du $CO_2$. * **Combiné à l'hémoglobine :** Environ 30%, formant l'hémoglobine carbaminée. Le site de liaison du $CO_2$ sur l'Hb est différent de celui de l'$O_2$. * **Sous forme de bicarbonate ($HCO_3^-$) :** Environ 65%. La réaction entre $CO_2$ et eau ($H_2O$) pour former de l'acide carbonique ($H_2CO_3$) est catalysée par l'enzyme anhydrase carbonique, présente dans les globules rouges. L'$H_2CO_3$ se dissocie ensuite en ions bicarbonate ($HCO_3^-$) et protons ($H^+$). Les ions $HCO_3^-$ sortent du globule rouge en échange d'ions chlorure ($Cl^-$) (échange de Hamburger) pour maintenir l'électroneutralité. Les protons sont tamponnés par l'hémoglobine. L'effet Haldane décrit la perte d'affinité du $CO_2$ pour l'Hb lorsque la pression partielle d'$O_2$ ($P_{O_2}$) augmente, ce qui facilite le relâchement du $CO_2$ dans les poumons. ### 4.6 Contrôle nerveux de la respiration Le contrôle de la respiration est assuré par le système nerveux central, régulant l'automatisme respiratoire et l'adaptation aux besoins métaboliques. #### 4.6.1 Automatisme respiratoire Il est généré par des neurones situés dans le tronc cérébral : * **Centre pneumotaxique (pont) :** Module la transition inspiration/expiration, recevant des informations du cortex et de la périphérie. * **Groupes respiratoires bulbaires :** * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Contrôle l'inspiration en activant les muscles inspiratoires via le nerf phrénique. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Contient des neurones pour l'inspiration et l'expiration. #### 4.6.2 Chémorécepteurs Ils détectent les variations des gaz du sang et du pH : * **Chémorécepteurs centraux (bulbe) :** Sensibles aux $H^+$ dans le liquide céphalo-rachidien (LCR), qui reflètent la $P_{CO_2}$ sanguine. Une augmentation des $H^+$ entraîne une hyperventilation. * **Chémorécepteurs périphériques (corpuscules carotidiens et aortiques) :** Sensibles à la $P_{O_2}$, $P_{CO_2}$ et au pH du sang artériel. Ils influencent les centres respiratoires bulbaires via les nerfs glossopharyngien et vague. #### 4.6.3 Mécanorécepteurs * **Mécanorécepteurs pulmonaires :** Situés dans les poumons et les voies aériennes, ils réagissent à l'étirement. Le réflexe de Hering-Breuer peut arrêter l'inspiration lorsque les poumons sont trop dilatés. * **Mécanorécepteurs pharyngés :** Sensibles à l'étirement de la paroi pharyngée, ils influencent les centres respiratoires. #### 4.6.4 Autres effets La température, la douleur, certains médicaments (comme les opiacés) et les émotions peuvent également moduler la respiration. La ventilation, définie comme le produit de la fréquence respiratoire par le volume courant, est adaptable pour répondre aux besoins métaboliques. --- La circulation pulmonaire est un système vasculaire spécialisé qui assure le transport du sang entre le cœur et les poumons pour permettre l'échange gazeux. ### 4.1 Anatomie et spécificités de la circulation pulmonaire Le système circulatoire pulmonaire est un circuit régional distinct du réseau systémique. Il reçoit la totalité du débit cardiaque au niveau du ventricule droit. #### 4.1.1 Circuit vasculaire * Le sang quitte le ventricule droit par l'artère pulmonaire, qui se divise ensuite en artères pulmonaires droite et gauche. * Ces artères se ramifient en artères plus petites puis en artérioles qui conduisent le sang aux capillaires pulmonaires, entourant les alvéoles. * Après l'échange gazeux, le sang retourne vers l'oreillette gauche via les veinules qui s'unissent pour former quatre veines pulmonaires. #### 4.1.2 Caractéristiques du sang * Les artères pulmonaires transportent du sang pauvre en oxygène ($\text{O}_2$) et riche en dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$). * Les veines pulmonaires transportent du sang riche en $\text{O}_2$ et pauvre en $\text{CO}_2$. #### 4.1.3 Hémodynamique * La circulation pulmonaire est un système à **basse pression**. Les pressions typiques dans l'artère pulmonaire sont d'environ 25 mmHg (systolique) / 10 mmHg (diastolique). * Les vaisseaux pulmonaires présentent une **compliance élevée**, ce qui signifie qu'ils sont très distensibles. * En conséquence, la **résistance vasculaire pulmonaire (RVP)** est considérablement plus faible que celle de la circulation générale (environ 10 fois inférieure). #### 4.1.4 Caractère fonctionnel et nutritif * La circulation pulmonaire est principalement **fonctionnelle**, c'est-à-dire dédiée à l'échange gazeux. * Les bronches disposent de leur propre système circulatoire **nutritif** (artères bronchiques) qui se jette dans les veines pulmonaires, contribuant ainsi à une légère contamination du sang oxygéné par du sang veineux (désoxygéné). #### 4.1.5 Capillaires pulmonaires * Les capillaires pulmonaires recouvrent environ 75% de la surface alvéolaire, formant une surface d'échange immense (environ 100 m²). * Ces capillaires sont très fins pour faciliter le transfert des gaz sur une courte distance. ### 4.2 Débits, pressions et résistances Il est crucial de connaître les valeurs et de comprendre les explications derrière ces paramètres. * **Débit pulmonaire :** Il est égal au débit cardiaque, soit le volume d'éjection systolique (VES) multiplié par la fréquence cardiaque (f). Au repos, le débit cardiaque est d'environ 5 litres par minute (L/min). $$ \text{Débit pulmonaire} = \text{Débit cardiaque} = \text{VES} \times f $$ * **Résistance Vasculaire Pulmonaire (RVP) :** Elle est calculée par la formule : $$ \text{RVP} = \frac{\text{Pression artérielle pulmonaire (PAP)} - \text{Pression dans l'oreillette gauche (POG)}}{\text{Débit}} $$ La RVP est environ 10 fois inférieure à la résistance de la circulation générale. * **Comparaison Circulation Pulmonaire vs. Générale :** * **Résistance :** RVP est ~10x < Résistance générale. * **Réseau :** Le système pulmonaire est plus court, avec des capillaires à parois plus fines et une grande compliance. * **Pression :** La pression dans l'aorte est élevée (~100 mmHg), tandis que la pression dans l'artère pulmonaire est basse (~25/10 mmHg). La pression à la sortie de la veine cave est faible (~2 mmHg), alors que la pression de la veine pulmonaire est légèrement plus élevée, ce qui suggère une certaine capacité de contraction. ### 4.3 Contrôle de la résistance pulmonaire La résistance vasculaire pulmonaire est régulée par des mécanismes passifs et actifs. Ces mécanismes dépendent des propriétés physiques du système. * **Débit cardiaque :** Une augmentation du débit cardiaque entraîne une faible variation de pression grâce à une diminution de la résistance, via des processus de recrutement et de distension des capillaires. $$ P = Q \times R $$ où $P$ est la pression, $Q$ le débit, et $R$ la résistance. * **Volume pulmonaire :** Le volume dans lequel se trouvent les vaisseaux affecte leur résistance. * **Gravité :** * En position assise ou debout, la pression sanguine est plus élevée à la base des poumons qu'au sommet. Il y a une différence d'environ 1 mmHg pour 15 mm de hauteur. * Le débit sanguin est donc supérieur à la base qu'au sommet. * La pression de l'air alvéolaire n'est pas influencée par la gravité en raison de la faible densité de l'air. Ces mécanismes impliquent des réponses physiologiques spécifiques. * **Hypoxie :** * **Hypoxie locale :** Les artérioles pulmonaires se **vasoconstrictent** en réponse à une faible pression partielle d'oxygène ($\text{PO}_2$) dans les alvéoles mal ventilées. Ceci vise à rediriger le sang vers les zones mieux ventilées pour optimiser les échanges gazeux. Ce phénomène est bénéfique lorsqu'il est localisé (par exemple, en haute altitude). * **Hypoxie généralisée :** Une hypoxie généralisée, comme celle causée par le tabagisme chronique ou la BPCO, peut avoir des effets délétères. * La vasoconstriction hypoxique est significative lorsque la pression partielle d'oxygène descend en dessous de 70 mmHg. * **Contrôle nerveux :** Le rôle du système nerveux autonome (sympathique et parasympathique) est **négligeable** dans le contrôle de la résistance pulmonaire. * **Agents vasoactifs :** * **Vasodilatateurs** (ex: acétylcholine ($\text{Ach}$), oxyde nitrique ($\text{NO}$), prostacycline ($\text{PGI}_2$)) : Ils augmentent le diamètre des vaisseaux et diminuent la résistance. * **Vasoconstricteurs** (ex: endothéline-1 ($\text{ET-1}$), angiotensine II ($\text{AngII}$), thromboxane A2 ($\text{TXA}_2$)) : Ils diminuent le diamètre des vaisseaux et augmentent la résistance. L'échange d'oxygène ($\text{O}_2$) et de dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) entre les alvéoles et les capillaires est un processus de diffusion. #### 4.4.1 Facteurs contrôlant les échanges * **Gradient de pression :** La diffusion des gaz est dirigée par la différence de pression partielle entre les deux compartiments. * **Membrane alvéolo-capillaire (MAC) :** * Elle est extrêmement fine (0,3 à 0,5 micromètre), composée d'une couche de cellules endothéliales, d'une membrane basale fusionnée et de cellules épithéliales alvéolaires (pneumocytes de type I). * Sa grande surface et sa faible épaisseur facilitent le transfert rapide des gaz. #### 4.4.2 Pressions gazeuses et gradients Les pressions partielles des gaz dans les différents compartiments sont déterminantes pour la diffusion : * **Pour l'oxygène ($\text{O}_2$) :** * Pression partielle inspirée en $\text{O}_2$ ($\text{PI O}_2$) : Varie selon l'altitude et la fraction d'oxygène de l'air. * Pression partielle alvéolaire en $\text{O}_2$ ($\text{PA O}_2$) : Environ 100 mmHg dans des conditions normales. * Pression partielle dans les capillaires pulmonaires (avant les alvéoles, sang veineux mixte) : Environ 40 mmHg. * Pression partielle dans les capillaires pulmonaires (après les alvéoles, sang artériel pulmonaire) : Environ 100 mmHg, légèrement réduite par le sang des artères bronchiques. * Gradient : $\text{PA O}_2 > \text{P capillaire O}_2$ (favorise le passage de l'alvéole vers le capillaire). L'équilibre de diffusion est atteint rapidement (~0,3-0,4 secondes). * **Pour le dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) :** * Pression partielle dans les capillaires pulmonaires (avant les alvéoles, sang veineux mixte) : Environ 45 mmHg. * Pression partielle alvéolaire en $\text{CO}_2$ ($\text{PA CO}_2$) : Environ 40 mmHg. * Gradient : $\text{P capillaire CO}_2 > \text{PA CO}_2$ (favorise le passage du capillaire vers l'alvéole). La diffusion du $\text{CO}_2$ est beaucoup plus rapide que celle de l'$\text{O}_2$ en raison de sa plus grande solubilité. #### 4.4.3 Facteurs influençant les échanges * **Ventilation alvéolaire :** Un rapport ventilation/perfusion adéquat est crucial. * **Zone 1 (sommet du poumon) :** Rapport V/Q élevé (ventilation > perfusion). Généralement peu sollicitée au repos, principalement utilisée lors d'efforts intenses. * **Zone 2 (milieu du poumon) :** Rapport V/Q idéal (ventilation = perfusion). La zone la plus utilisée au repos. * **Zone 3 (base du poumon) :** Rapport V/Q faible (perfusion > ventilation). Sollicitée lors de l'effort. * **Surface alvéolo-capillaire :** Toute pathologie réduisant cette surface (ex: embolie pulmonaire, emphysème) altère les échanges gazeux. * **Épaisseur de la MAC :** L'œdème pulmonaire ou la fibrose pulmonaire augmentent cette épaisseur et diminuent la diffusion. Le sang transporte l'oxygène et le dioxyde de carbone entre les poumons et les tissus. #### 4.5.1 Transport de l'oxygène ($\text{O}_2$) * **Solution :** Une petite quantité d'$\text{O}_2$ est dissoute dans le plasma et le cytoplasme des globules rouges (GR). Ce volume dissous est proportionnel à la pression partielle en $\text{O}_2$ (loi d'Henry). * **Association à l'hémoglobine (Hb) :** La majorité de l'$\text{O}_2$ (environ 97%) est liée de manière réversible à l'hémoglobine des GR, formant l'oxyhémoglobine. Chaque molécule d'Hb peut fixer jusqu'à 4 molécules d'$\text{O}_2$. * Le pouvoir oxyphorique de l'Hb est d'environ 1,34 mL d'$\text{O}_2$ par gramme d'Hb. * La concentration normale d'Hb est d'environ 15 g/100 mL de sang. * Le contenu artériel en $\text{O}_2$ est donc d'environ 20,85 mL/100 mL (calculé à partir de la fixation à l'Hb) + 0,3 mL/100 mL (dissous), soit environ 21,15 mL/100 mL. * **Courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine :** L'affinité de l'Hb pour l'$\text{O}_2$ est influencée par plusieurs facteurs : * **Effet Bohr :** Une augmentation de la pression partielle en $\text{CO}_2$ ($\text{PCO}_2$) ou une diminution du $\text{pH}$ (acidose) diminue l'affinité de l'Hb pour l'$\text{O}_2$, favorisant le relargage de l'$\text{O}_2$ dans les tissus. Inversement, une diminution de la $\text{PCO}_2$ ou une augmentation du $\text{pH}$ (alcalose) augmente l'affinité, favorisant la fixation de l'$\text{O}_2$ dans les poumons. * **Température :** Une augmentation de la température diminue l'affinité. * **Concentration en 2,3-DPG (diphosphoglycérate) :** Une augmentation de 2,3-DPG diminue l'affinité, ce qui est observé en conditions d'hypoxie chronique. #### 4.5.2 Transport du dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) Le $\text{CO}_2$ est transporté par le sang sous trois formes : * **Solution :** Une petite fraction (5-10%) est dissoute dans le plasma et le cytoplasme des GR. Cette forme dissoute est la seule à participer à la pression partielle et à définir les mouvements de $\text{CO}_2$ entre les compartiments. Le $\text{CO}_2$ est environ 20 000 fois plus soluble que l'$\text{O}_2$. * **Liaison à l'hémoglobine :** Environ 30% du $\text{CO}_2$ se lie à l'Hb pour former l'hémoglobine carbaminée. Ce site de liaison est différent de celui de l'$\text{O}_2$. * **Forme bicarbonate ($\text{HCO}_3^-$) :** La majeure partie (environ 65%) est transportée sous forme de bicarbonate. Dans les GR, le $\text{CO}_2$ réagit avec l'eau en présence de l'enzyme anhydrase carbonique pour former de l'acide carbonique ($\text{H}_2\text{CO}_3$), qui se dissocie ensuite en $\text{H}^+$ et $\text{HCO}_3^-$. Les ions $\text{HCO}_3^-$ sortent des GR dans le plasma en échange d'ions chlorure ($\text{Cl}^-$) (échange de Hamburger) pour maintenir l'électroneutralité. Les ions $\text{H}^+$ sont tamponnés par l'Hb. * **Effet Haldane :** La présence d'oxygène lié à l'Hb réduit l'affinité de l'Hb pour le $\text{CO}_2$. Inversement, une faible saturation en $\text{O}_2$ (sang veineux) augmente la capacité de l'Hb à transporter le $\text{CO}_2$. La respiration est contrôlée par un automatisme nerveux complexe. * Le rythme respiratoire de base est généré par des neurones situés dans le **tronc cérébral**, principalement au niveau du **bulbe rachidien**. * La section du tronc cérébral à différents niveaux montre l'importance de ces centres pour le maintien de la respiration. #### 4.6.2 Centres respiratoires bulbaires * **Groupe respiratoire dorsal (GRD) :** Principalement responsable de l'inspiration. Il reçoit des informations sensitives via les nerfs vague et glossopharyngien et projette sur les nerfs phréniques pour innervar les muscles inspiratoires. * **Groupe respiratoire ventral (GRV) :** Contient des neurones pour l'inspiration et l'expiration. Il reçoit des informations du GRD et projette également sur les nerfs moteurs. #### 4.6.3 Centre pneumotaxique (pont) * Situé dans la protubérance, il régule la **transition** entre l'inspiration et l'expiration, influencé par les informations corticales et périphériques. #### 4.6.4 Récepteurs et voies sensitives * **Chémorécepteurs centraux :** Situés sur la face ventrale du bulbe, ils sont sensibles aux variations de la $\text{PCO}_2$ et du $\text{pH}$ du liquide céphalo-rachidien (LCR). Une augmentation du $\text{CO}_2$ extracellulaire entraîne une augmentation des $\text{H}^+$ dans le LCR, stimulant ces récepteurs et augmentant la ventilation (hyperventilation). * **Chémorécepteurs périphériques :** Situés dans les corpuscules carotidiens et aortiques, ils sont sensibles aux variations de la $\text{PO}_2$ (principalement), de la $\text{PCO}_2$ et du $\text{pH}$ du sang artériel. Une baisse significative de la $\text{PO}_2$ (< 70 mmHg) les active. * **Mécanorécepteurs pulmonaires :** Situés dans les poumons et les voies aériennes, ils sont sensibles à l'étirement des poumons. Le réflexe de Hering-Breuer, par exemple, inhibe l'inspiration lorsque les poumons sont trop distendus. * **Autres voies :** La douleur, la température, les émotions et certaines substances pharmacologiques peuvent influencer le contrôle respiratoire. #### 4.6.5 Adaptation et régulation * Les variations des paramètres physiologiques (ex: $\text{PaO}_2$, $\text{PaCO}_2$, $\text{pH}$) déclenchent des boucles de rétrocontrôle négatif pour ajuster la ventilation (fréquence et volume courant) afin de maintenir l'homéostasie. * Baisse de $\text{PaO}_2$ et/ou augmentation de $\text{PaCO}_2$ → Hyperventilation. * Augmentation de $\text{PaO}_2$ et/ou diminution de $\text{PaCO}_2$ → Hypoventilation. * Diminution du $\text{pH}$ → Hyperventilation. * Augmentation du $\text{pH}$ → Hypoventilation. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Terme | Définition | |------|------------| | Respiration cellulaire | Processus métabolique dans les cellules qui utilise l'oxygène pour produire de l'ATP (énergie) à partir du glucose. | | Alvéoles | Petits sacs aériens dans les poumons où se produisent les échanges gazeux entre l'air et le sang. | | Cellules ciliées | Cellules tapissant les voies respiratoires qui possèdent des cils pour expulser les particules étrangères et le mucus. | | Mucus | Substance visqueuse produite par les cellules des voies respiratoires pour piéger les particules et les agents pathogènes. | | Équilibre acido-basique | Maintien du pH sanguin dans une plage normale, régulé en partie par le système respiratoire. | | Vasoconstricteur | Substance qui provoque le rétrécissement des vaisseaux sanguins, augmentant ainsi la pression artérielle. | | Ventilation pulmonaire | Le processus d'entrée et de sortie d'air des poumons, impliquant les mouvements respiratoires. | | Échanges gazeux alvéolo-capillaires | Le passage de l'oxygène des alvéoles vers les capillaires sanguins et du dioxyde de carbone dans le sens inverse. | | Échanges gazeux tissulaires | Le passage de l'oxygène des capillaires sanguins vers les cellules et du dioxyde de carbone des cellules vers les capillaires. | | ATP (Adénosine Triphosphate) | La principale molécule d'énergie utilisée par les cellules pour leurs fonctions vitales. | | Pression partielle | La pression exercée par un gaz individuel dans un mélange de gaz. | | Loi de Boyle-Mariotte | Décrit la relation inversement proportionnelle entre la pression et le volume d'un gaz à température constante. | | Cavité pleurale | Espace potentiel entre les deux feuillets de la plèvre, contenant une fine couche de liquide pleural. | | Pression intra-pleurale | La pression dans la cavité pleurale, qui est généralement négative et joue un rôle dans le maintien du poumon dilaté. | | Spirométrie | Examen médical qui mesure la capacité pulmonaire et les volumes d'air inspirés et expirés. | | Volume courant (VC) | Le volume d'air inhalé ou exhalé lors d'une respiration normale et calme. | | Capacité vitale (CV) | Le volume maximal d'air qu'une personne peut expirer après une inspiration maximale. | | Ventilaion minute | Le volume total d'air qui traverse les poumons par minute, calculé par la fréquence respiratoire multipliée par le volume courant. | | Espace mort anatomique | Les voies aériennes (nez, pharynx, larynx, trachée, bronches) où l'air circule mais où il n'y a pas d'échange gazeux. | | Espace mort alvéolaire | Les alvéoles qui ne sont pas correctement perfusées par les capillaires sanguins et où les échanges gazeux sont donc réduits. | | Compliance pulmonaire | La capacité des poumons à se distendre en réponse à une augmentation de la pression. | | Surfactant | Substance produite par les poumons qui réduit la tension superficielle dans les alvéoles, facilitant la respiration. | | Loi de La Place | Décrit la relation entre la tension superficielle, le rayon d'une sphère et la pression à l'intérieur de celle-ci. | | Pneumocytes de type II | Cellules des alvéoles qui produisent et sécrètent le surfactant. | | Syndrome de détresse respiratoire | Condition souvent observée chez les prématurés due à un manque de surfactant, entraînant un collapsus alvéolaire. | | Résistance des voies aériennes | L'opposition au flux d'air dans les voies respiratoires, causée par le diamètre des tubes, la viscosité de l'air, etc. | | Écoulement laminaire | Flux d'air ordonné où les molécules se déplacent en couches parallèles, typique des petits calibres. | | Écoulement turbulent | Flux d'air désordonné où les molécules se déplacent de manière aléatoire, typique de la trachée lors d'un effort. | | VEMS (Volume Expiratoire Maximal Seconde) | Le volume maximal d'air qu'une personne peut expirer en une seconde. | | Rapport de Tiffeneau | Rapport entre le VEMS et la CV, utilisé pour évaluer la fonction pulmonaire. | | Circulation pulmonaire | Le système circulatoire qui transporte le sang entre le cœur et les poumons pour l'oxygénation. | | Artère pulmonaire | Artère qui transporte le sang désoxygéné du ventricule droit du cœur vers les poumons. | | Veine pulmonaire | Veine qui transporte le sang oxygéné des poumons vers l'oreillette gauche du cœur. | | Résistance vasculaire pulmonaire (RVP) | L'opposition au flux sanguin dans les vaisseaux pulmonaires. | | Hypoxie | Manque d'oxygène dans les tissus. | | Vasoconstriction hypoxique | Rétrécissement des vaisseaux sanguins pulmonaires en réponse à une faible teneur en oxygène, redirigeant le sang vers des zones mieux ventilées. | | Membrane alvéolo-capillaire (MAC) | La fine barrière entre les alvéoles pulmonaires et les capillaires sanguins, où ont lieu les échanges gazeux. | | Pression partielle de l'oxygène (PAO2) | La pression exercée par l'oxygène dans les alvéoles. | | Pression partielle du dioxyde de carbone (PACO2) | La pression exercée par le dioxyde de carbone dans les alvéoles. | | Hémoglobine (Hb) | Protéine présente dans les globules rouges qui transporte l'oxygène. | | Hémoglobine carbaminée | Hémoglobine liée au dioxyde de carbone. | | Bicarbonate (HCO3-) | Ion impliqué dans le transport du dioxyde de carbone dans le sang. | | Anhydrase carbonique | Enzyme qui catalyse la réaction de formation et de dissociation de l'acide carbonique, essentielle au transport du CO2. | | Effet Bohr | Modification de l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène en fonction de la concentration de CO2 et du pH sanguin. | | Effet Haldane | Modification de l'affinité de l'hémoglobine pour le CO2 en fonction de la concentration d'oxygène. | | Automatisme respiratoire | Le contrôle involontaire et rythmique de la respiration par des centres nerveux dans le tronc cérébral. | | Centres respiratoires bulbaires | Groupes de neurones dans le bulbe rachidien qui régulent le rythme et la profondeur de la respiration. | | Centre pneumotaxique | Centre nerveux dans la protubérance qui régule la transition entre l'inspiration et l'expiration. | | Groupe respiratoire dorsal (GRD) | Centre nerveux responsable principalement de l'inspiration. | | Groupe respiratoire ventral (GRV) | Centre nerveux impliqué dans l'inspiration et l'expiration. | | Chémorécepteurs | Récepteurs sensibles aux changements de composition chimique du sang, tels que les niveaux d'oxygène, de dioxyde de carbone et de pH. | | Mécanorécepteurs | Récepteurs sensibles aux étirements, présents dans les poumons et les voies aériennes. | | Réflexe de Hering-Breuer | Réflexe qui inhibe l'inspiration lorsque les poumons sont trop dilatés, protégeant ainsi contre la sur-inflation. | | Opiacés | Substances pharmacologiques qui peuvent déprimer le centre respiratoire et entraîner un arrêt respiratoire. |