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Cours de physiologie respiratoire
Professeur Taoufiq FECHTALI
UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE
MST TBA
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Anatomie du système respiratoire
Inspiration• Phénomène actif
• Mise en jeu de muscles
• Air aspiré dans les poumons = dépression intrathoracique
• Ti/Te = 0,8
Expiration• Phénomène passif
• Forces élastiques
• Forcée: muscles abdominaux
Anatomie du système respiratoire
Voies aériennes
•Voies aériennes de conduction
•Trachée aux bronchioles terminales
•Dépourvues d’alvéoles
•Amener l’air inspiré
•Espace mort anatomique: 150ml
•Zones respiratoires
•B. terminales aux B. respiratoires
•Acinus, alvéoles
•Zone d’échanges gazeux
•300 M d’alvéoles, 140 m2, 2,5 à 3l
Anatomie du système respiratoire
Barrière alvéolo-capillaire• 0,3 à 1,5 µm d’épaisseur
• Pneumocytes I et II
• Interstitium
• C endothéliale
Stabilité de l’alvéole•300 M d’alvéoles de 0,3 mm de •Surfactant
Mécanismes de défense du poumon
• La + grande surface de l’organisme exposée à
l’environnement extérieur
• Fonctions d’épuration = processus mécanique
– Particules inhalées filtrées par le nez ou piégées sur le film de
mucus tapissant les voies aériennes
– Épuration mucociliaires et toux
• Défenses immunologiques = processus cellulaire
– Action des immunoglobulines locales
– Macrophages alvéolaires
– Lymphocytes alvéolaires
Vascularisation pulmonaire
• Circulation pulmonaire = c. fonctionnelle– Artères pulmonaires // aux bronches– Capillaires = réseau dense dans les parois alvéolaires– Veines pulmonaires– Circulation à basse pression
• Circulation bronchique = c. nourrissière– Irrigue les voies aériennes conductrices jusqu’aux
bronchioles terminales– Drainage par les veines pulmonaires– Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Volumes pulmonaires et débits aériens
Volumes pulmonaires statiquesVt: volume d’air inspiré et expiré lors d’un cycle respiratoire normal
VRI: volume d’air supplémentaire inspiré lors d’une inspiration forcée
VRE: volume d’air supplémentaire expiré après une expiration normale
CV: volume maximum d’air mobilisable
CRF: volume d’air restant au décours d’une expiration normale
VR: volume d’air restant au décours d’une expiration forcée
Méthode de dilution à l’hélium
Pléthysmographe
Volume expiratoire maximum seconde (VEMS)
• Volume expiré au cours de la 1ère seconde après le début d’une expiration forcée maximum
• Dépend de l’effort fourni (collaboration) +++
• Grosses voies aériennes
• DEM 25-75: débit aérien moyen entre 25 et 75% de la CV; explore les petites voies aériennes
Courbe débit-volume
Tests pharmacodynamiques
• Mesure des débits aériens à l’état basal et après inhalation de drogues: -2 +
• Réversibilité si augmentation du VEMS > 20% ou > 200 ml
– Métacholine• Test de provocation + si chute du VEMS > 20% pour une dose < à
1600 mcg de métacholine• PD20: dose minimale de métacholine induisant une baisse de
20% du VEMS
Expression des résultats
• Mesures en position assise
• Expression en – valeur absolue (l ou ml) – Pourcentages / aux
valeurs théoriques (sexe, âge, taille, race)
• Ecart > 20% pour affirmer que l’épreuve est anormale
Valeurs normales chez un homme de 40 ans mesurant 1,75m
•CV (ml)4900
•VRI (ml) 3000
•Vt (ml)500
•VRE (ml) 1400
•CRF (ml) 3400
•VR (ml)3400
•CPT (ml) 6900
•VEMS (ml) 3900
•VEMS/CV (%) 80
•DEM25-75 (l/s) 4,4
Modifications pathologiques
• Syndrome obstructif– Diminution des débits aériens
– Diminution du VEMS/CV > 20%
– Atteinte précoce du DEM25-75
– Réduction du VEMS tardive mais constituant un élément pronostique important
– Augmentation du VR, de la CRF de la CPT
• Syndrome restrictif– Diminution harmonieuse des volumes (CV, VR, CPT,
CRF)
– VEMS/CV normal
Composition de l’air atmosphérique et alvéolaire
AIR ATMOSPHERIQUE SEC
21% d’O2 79% de N2
PatmO2 = 0,21 x 760 = 160 mmHg, PatmN2 = 600 mmHg
AIR INSPIRE TRACHEAL RECHAUFFE ET SATURE EN VAPEUR D’EAU
PtrachO2 = 0,21 x (760 – 47) = 150 mmHg
PtrachN2 = 563 mmHg
AIR ALVEOLAIRE
14% d’O2, 80,4% de N2, 5,6% de CO2
PAO2 = 0,14 x (760 – 47) = 100 mmHg
PAN2 = 573 mmHg
PACO2 = 40 mmHg
Equation de l’air alvéolaire
PAO2 = PiO2 – PACO2 / R
• En pratique clinique– PACO2 = PaCO2
– R = quotient respiratoire = VCO2 / VO2 = 250/300 = 0,8
– PiO2 = 150 mmHg
PAO2 = 140 – PaCO2
Espace mort anatomique VD
• Ne participe pas aux échanges gazeux
• Zone de conduction: 150 ml (2ml/kg)
• Rôle +++– Réchauffer et humidifier l’air inspiré
– Épurer l’air inspiré des grosses particules
• En série entre la bouche et les alvéoles
• Altère l’efficacité de la ventilation– Une fraction de l’air inspiré ne parvient pas aux
alvéoles
Ventilation alvéolaire et espace mort anatomique
Ventilation alvéolaire VA
• Fraction de la ventilation totale (VE) qui
parvient aux alvéoles
vt = vA + vD
f . vt = f . vA + f . vD
VA = VE – f . vD
Equation de la Ventilation alvéolaire
• Aucun échange gazeux dans l’espace mort anatomique
• Tout le CO2 expiré provient donc du gaz alvéolaire
VCO2 = VA . FACO2
PACO2 = K . FACO2
VA = 863 . VCO2 / PACO2
VA = 863 . VCO2 / PaCO2
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Loi de Fick
Surface membrane alvéolo-capillaire: 140 m2
Epaisseur membrane alvéolo-capillaire: 0,3 à 1,5 µm
Diffusion passive
Echanges gazeux le long du capillaire
O2
CO2
Vt
PO2 = 40 mmHg
PCO2 = 47 mmHg
PO2 = 100 mmHg
PCO2 = 40 mmHg
PAO2 = 100 mmHg
PACO2 = 40 mmHg
Temps de transit : 0,75 s
Capacité de transfert du CO• Coefficient de diffusion du CO voisin de celui de l’O2• Quantité de CO traversant la membrane alvéolo-
capillaire par minute et pour une différence de pression partielle de 1 mmHg
• Le patient inspire un mélange gazeux contenant une concentration connue de CO (0,1-0,3%) et d’hélium (10%)
• Apnée de 10 s puis expiration à la fin de laquelle est recueilli un échantillon de gaz alvéolaire
• Mesures des concentrations alvéolaires d’hélium et de CO et de la durée de l’apnée pour calculer le TCO
• Mesure rapportée à la surface d’échange VA
Echanges gazeux pathologiques
• Fibrose pulmonaire:– Épaississement de la membrane alvéolo-
capillaire– Diminution de la diffusion– Hypoxémie
• Emphysème, BPCO:– Destruction parenchymateuse, membrane
alvéolo-capillaire intacte– Hypoventilation alvéolaire– Hypoxémie, hypercapnie
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Vascularisation pulmonaire
• Circulation pulmonaire = c. fonctionnelle– Artères pulmonaires // aux bronches– Capillaires = réseau dense dans les parois alvéolaires– Veines pulmonaires– Circulation à basse pression
• Circulation bronchique = c. nourrissière– Irrigue les voies aériennes conductrices jusqu’aux
bronchioles terminales– Drainage par les veines pulmonaires– Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique
Circulations pulmonaire / systémique
Basse pression
100% du DC
Parois fines
Travail du VD faible
Chute de pression dans les capillaires
Haute pression
Parois épaisses
Travail du VG important
Chute de pression en amont des capillaires
Organisation de la circulation pulmonaire
• Zone proximale:– Grosses artères
élastiques (> 500µm)– Volume = 150 ml– Distensible, non
résistive– Chambre de
compression: énergie restituée pendant la diastole
– Rôle unique: le transport
• Zone distale:– Petites artères
musculaires et artérioles
– Peu distensible, très résistive = barrage
– Fonctions multiples et complexes:
• Échanges gazeux et de fluides
• Filtrage mécanique et métabolique
• Recrutement des populations cellulaires participant à la défense du poumon
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression artérielle pulmonaire:
• Systole: montée rapide jusqu’à 20 – 25 mmHg puis décroissance jusqu’à l’incisure (fermeture valves). Dépend de l’accélération du sang et de la distensibilité de la paroi
• Diastole: ressaut dicrote puis décroissance jusqu’à 8 – 10 mmHg. Dépend des résistances périphériques à l’écoulement
•Moyenne : varie entre 10 et 17 mmHg, augmente avec l’âge
Modifications pathologiques des pressions intravasculaires pulmonaires
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression veineuse pulmonaire:
• Proche de la POG
• Faible amplitude des oscillations de pression (2 – 4 mmHg)
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression capillaire pulmonaire:
• Non mesurable directement
• Supérieure à la PAPO
Pressions autour des vaisseaux pulmonaires
• Vaisseaux alvéolaires:
• Capillaires
• Soumis à la pression alvéolaire
• Ouverts si Pim > Palv
• Vaisseaux extra-alvéolaires:
• Vaisseaux intraparenchymateux
• Soumis à la pression pleurale
• Calibre déterminé par les tractions du parenchyme
Distribution du débit sanguin pulmonaire
West JB: J Appl Physiol 1964
Résistances vasculaires pulmonaires
• Loi de Poiseuille:
R = (Pentrée – Psortie) / Q = 8.l. / .r4
RVP = (PAP – POG) / Q
RVP = (15 – 5) / 6 = 1,7 mmHg/l/mn
QPentrée Psortie
Q
P
R
Résistances vasculaires pulmonaires
2 mécanismes sont responsables de la diminution des RVP quand les pressions
augmentent
Résistances vasculaires pulmonaires
Equilibre hydrique du poumon
capillaire
alvéole
interstitium
Pcap= 7 cap= 28
Pint= -5 int= 17
Palv
tension de surface (surfactant) -5
lymphatique
Equation de Starling
Qfilt = K [(Pcap – Pint) - (cap - int)]
+ 1 cmH2O
Oedèmes pulmonaires
• Œdème hydrostatique: OAP cardiogénique– Pcap: passage d’eau + petites molécules
– Dilution des protéines interstitielles: (cap - int)
– L’augmentation du gradient osmotique s’oppose à la fuite liquidienne initialement
– Passage de fluide dans l’espace alvéolaire = OAP
• Œdème de perméabilité: œdème lésionnel– Modification des propriétés intrinsèques de la mb
• K et – Disparition du gradient osmotique
Vasoréactivité pulmonaire
• Facteurs passifs– Pression dans l’OG
– DC
– Volume pulmonaire
• Facteurs actifs– Contrôle nerveux
– Médiateurs moléculaires
Augmentation de la vasoréactivité pulmonaire
• Système nerveux sympathique
• Endothéline
• Angiotensine
• Leucotriènes
• Thromboxane A2
• Sérotonine
• Hypoxémie
Diminution de la vasoréactivité pulmonaire
• Système nerveux para-sympathique
• Prostacycline (PgI2)
• Bradykinine
• Monoxyde d’azote (NO)
Vasoconstriction pulmonaire hypoxique
• Circulation pulmonaire = seule circulation dotée de vasoconstriction hypoxique
• Contraction du muscle lisse des artérioles pulmonaires perfusant la zone hypoxique
• Redistribution du sang vers les zones les mieux ventilées
• Préserve les échanges gazeux
• HTAP hypoxiques (BPCO, fibroses...)
Vasoconstriction pulmonaire hypoxique
Kv
K+
HYPOXIE
Dépolarisation
Ca2+
CONTRACTION
HYPOXIE
VASOCONSTRICTION
•Fermeture canaux Kv
•Dépolarisation CML
•Entrée de Ca2+
EXPRESSION DE GENES
•Glycolyse anaérobie et néoglucogenèse
•Érythropoïétine
•Angiogenèse (VEGF...)
•NOSi, hème oxygénase...
•Facteur HIF se fixe sur séquence HRE du promoteur
PROLIFERATION CML
REMODELAGE VASCULAIRE PULMONAIRE
HTAP
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Rapports ventilation-perfusion
Rapports ventilation-perfusion
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Oxygène dissout
• Loi de Henry: le volume de gaz dissout est
proportionnel à la pression partielle de ce gaz
• 1 à 2% de l’O2 transporté par le sang
• O2 dissout (ml/100ml) = 0,003 x PO2
(mmHg)
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Hémoglobine
– Protéine, PM 64500 Da
– 4 chaines polypeptidiques
(HbA: 2 ß et 2 )
– 1 atome de fer Fe 2+
• Oxydation en Fe 3+ =
méthémoglobine incapable
de fixer l’O2
– Fixe 4 molécules d’O2
– Transition allostérique : 1ère
molécule d’O2 fixée facilite
la fixation de la suivante
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Combinaison réversible ++++
• Hb + O2 HbO2
– PO2 élevée (capillaires pulm) fixation O2 à l’Hb
– PO2 basse (capillaires tissulaires) libération d’O2
• P50 = PO2 pour laquelle SO2 = 50%
• 27 mmHg
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet Bohr
– Hb + O2 HbO2 + H+
– pH modifie l’affinité de l’Hb pour l’O2
– Acidose déplace vers la droite la CDO et augmente la
P50
– Alcalose effet inverse
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet du CO2
– Hypercapnie déplace la CDO vers la droite et
augmente la P50
• Par effet Bohr: baisse du pH en cas d’hypercapnie
• Effet spécifique: synthèse de carbamates: augmente la
stabilité de la désoxy-Hb
– Hypocapnie: effet inverse
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet du 2,3-DPG
– Métabolite érythrocytaire d’une voie de la glycolyse
– Réduit l’affinité de l’Hb pour l’O2
• Abaissement du pH
• Stabilisation de la désoxyHb
– Déplacement de la CDO vers la droite
Capacité, contenu et différence artério-veineuse en O2
• Pouvoir oxyphorique de l’Hb
– Volume d’O2 (ml STPD) que peut fixer 1g d’Hb = 1,34
• Contenu en oxygène
– CO2 (ml/100ml) = PO x Hb x SO2 + 0,003 x PO2
• Différence artério-veineuse en oxygène
– DAVO2 (ml/100ml) = CaO2 – CvO2 = 4 à 5
• Consommation tissulaire d’oxygène
– VO2 (mlSTPD/min) = DAVO2 x Q x 10 = 250
STPD = Standard,T°,P=760mmHg,Dry
CO2 dissout
• 20 à 25 fois plus soluble que l’O2
• 5% du CO2 sanguin total
• CO2 dissout = PO2 x 0,03
• CO2 dissout vrai
• Acide carbonique (très faible)
CO2 combiné
• Bicarbonates
• Carbamates
• Effet Haldane
Respiration cellulaire – consommation d’O2
• 4 étapes:
– Dégradation oxydative du glucose (glycolyse anaérobie), -oxydation des
acides gras, oydation des acides aminés = 25% de l’énergie totale
– Décarboxylation et oxydation des radicaux formés dans le cycle de Krebs =
75%
• Libération de CO2, d’ions H+ et d’électrons
– Transfert des H+ et des électrons par la chaine respiratoire des transporteurs
d’électrons jusqu’à l’O2 moléculaire
– Stockage de l’énergie libérée en ATP ou phosphocréatine musculaire
• Au repos: VO2 = 140 ml/m2 chez l’homme; 130 ml/m2 chez la femme
• A l’exercice: x par 10-15 la valeur basale
• Très variable d’un viscère à l’autre
Plan• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux
et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
périphériques
• Contrôle de la ventilation– Comment les échanges gazeux sont réglés
Contrôle de la ventilation
Centres de contrôles
• Bulbe: rythme• Protubérance• Cortex: volonté
Récepteurs
1. Récepteurs bronchopulmonaires• Distension (baisse de la FR)• Irritation (augmentation FR, toux, bronchoconstriction)• Récepteurs J: cloisons alvéolaires (augm FR, bronchoconstr°)
2. Récepteurs nasaux• irritation
3. Chémorécepteurs centraux• Bulbe dans des zones différentes des centres
respiratoires• Sensibles variations locales de [H+] dans le LCR
transmises par les variations de PaCO2: augmentation = augm FR
• épuisable4. Chémorécepteurs périphériques
• Bifurcation carotidienne / sous la crosse de l’aorte• Sensibles variations de PaO2, réponse ventilatoire
hyperbolique, potentialisée par variations de PaCO2
• Épuisable (altitude)
Effecteurs
1. Muscles respiratoires
Glosso-pharyngien
pneumogastrique