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PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATOIN. Anatomie Fonctionnement Régulation. Dr H. MEKHFI. 2013 - 2014. INTRODUCTION. RESPIRATION = Échanges Gazeux entre milieu ambiant et cellule vivante. - Cellule vivante : besoin d’énergie - Source d’énergie : mitochondrie

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  1. PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATOIN Anatomie Fonctionnement Régulation Dr H. MEKHFI 2013 - 2014

  2. INTRODUCTION RESPIRATION = Échanges Gazeux entre milieu ambiant et cellule vivante • - Cellule vivante : besoin d’énergie • - Source d’énergie : mitochondrie • Mitochondrie consomme O2 et produit CO2 • = ... RESPIRATION CELLULAIRE MAMMIFÈRES - Système respiratoire fermé (milieu pseudo externe) - Capillaires (lieu d’échanges) 2

  3. INTRODUCTION ECHANGES : à 2 niveaux Échanges Air / Sang = Échanges Pulmonaires Poumon : interface entre milieu externe / sang Échanges Sang / Tissus = Échanges Tissulaires

  4. INTRODUCTION RÔLE APPAREIL RESPIRATOIRE Oxygénation tissulaire Élimination du CO2 Maintien pH sanguin normal, … ETAPES DE LA RESPIRATION Ventilation pulmonaire Échanges gazeux air/sang Transport des gaz dans le sang Échanges gazeux sang/cellule vivante 4

  5. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Cage thoracique Voies aériennes supérieures (VAS) Voies aériennes inférieures (VAI) VAS VAI 5

  6. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE • a. CAGE THORACIQUE :Poumons + Cœur. • En avant : Sternum, Côtes et MusclesIntercostaux (Int – Ext) • En bas : Diaphragme (m. squelettique) • … tendons, ligaments, tissu adipeux. Diamètres variables : antéropostérieur vertical latéral 6

  7. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE - Corps élastique : Déformable (L, V) sous l’action d’une Force (F, P) - Si Ressort : Distensibilité = L / F - Si corps 3D : Compliance = V / P Cas du Système Thorax – Poumons (STP) : Compliance = V / P - Retour à l’état initial = Force de Rappel - Cas du Système TP : Muscles Respiratoires (D & ICE) - Si contraction : STP s’étire et du volume - Si relâchement : retour au repos (FR) et  volume

  8. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE - T-P : solidarisés par la plèvre chez l’être vivant - Plèvre : Mb. Séreuse délimitant un espace virtuel entre P et T (vide normalement) - 2 feuillets : - Plèvre pariétale: contre paroi T. - Plèvre viscérale : accolée aux P. Pas de relation entre cavités pleurales D et G.

  9. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE - Rôle :  Frottements causés par les mouvements respiratoires (grâce au lubrifiant sécrété = Liquide pleural) - Cavité pleurale : Pression intrapleurale (Pip) négative(dépression ) - Pip < à pression atmosphérique (- 5 mmHg)  Dimensions pulmonaires - Pip = maintien les 2 plèvres colées l’une à l’autre (comme Lame et Lamelles) 9

  10. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Thorax et Poumons 2 forces élastiques de rappel, mais opposées FR mises en évidence si vide pleural en contact avec l’atmosphère 10 Selon : Physiologie humaine H. Guénard, 2009

  11. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Cycle Respiratoire (respiration calme): • inspiration = phénomène actif (volume CT ) • expiration = phénomène passif (grâce à Energie élastique stockée dans paroi et poumons (volume CT ) • Si respiration forcée : • expiration = phénomène actif 11

  12. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE 3.Sterno-cleido-mastoïdien MUSCLES RESPIRATOIRES 4.Scalènes 2.Muscles intercostaux (externes/internes) 1.Diaphragme 5.M. abdominaux, … 12

  13. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Muscles respiratoires : • Muscles Respiratoires Inspiratoires (MRI) • Muscles Respiratoires expiratoires (MRE) MRI : Diaphragme M. Intercostaux Externes Scalènes Sternocléidomastoïdiens MRE : M. Intercostaux Internes M. Abdominaux 13

  14. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE MUSCLES INTERCOSTAUX (Int/Ext) : Si contraction MIE : -   latéral CT Si contraction MII : -   latéral CT 14

  15. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE • DIAPHRAGME : • Sépare cavité thoracique / cavité abdominale • M. strié inspiratoire principal • Innervé par nerfs phréniques D et G (mixte) • Rôle :  volume CT (par sa contraction) et crée Pression Pleurale (-)  Distension pulmonaire ( pression intra-abdominale) Variations : en RN : 1 cm en RF : 10 cm 15

  16. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE M. INTERCOSTAUX EXTERNES Plusieurs couches musculaires : - Externe : bas-avant, - Interne : bas-arrière Innervation par les nerfs intercostaux Scalènes SCALÈNE : insertion sur les 2ères côtes et vertèbres cervicales Rôle : Fixer/Elever p. sup de la CT 16

  17. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Sternocléido-mastoïdien MUSCLES INSPIRATOIRES ACCESSOIRES : Sternocléidomastoïdiens : - Insertion sur clavicule, …. - Rôle : Elévation p. sup. CT (1ères côtes et sternum) Pectoraux, … 17

  18. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE MUSCLES EXPIRATOIRES Muscles abdominaux : M. expiratoires:mis en jeu en expiration forcée Si contraction : Diaphragme vers haut    vertical et latéral Si relâchement : Diaphragme vers bas    vertical et latéral 18

  19. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE centres respiratoires moelle Muscles respiratoires 19

  20. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE a- VOIES AÉRIENNES SUPÉRIEURES (VAS) Fosses nasales Rôle respiratoire et olfactif, Pharynx : Carrefour aéro-digestif, innervation, Larynx : Conduit ostéo-cartilage, épiglotte. b- VOIES AÉRIENNES INFÉRIEURES (VAI) 20

  21. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE b- VOIES AÉRIENNES INFÉRIEURES Zones de conduction/transition : * Trachée * Arbre bronchique : Bronches, bronchioles terminales et respiratoires Zone respiratoire : * Conduits et sacs alvéolaires 1,8 cm 0,15 cm Noter  diamètre des voies 0,04 cm 21

  22. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Zones de conduction/transition : - Epithélium(cellules ciliées et à mucus : Protection) - Muscle lisse(bronchioles : variation du  : Broncho-dilatation ou Broncho-constriction) - Cartilage (absent en bronchioles), fibres élastiques, … 22

  23. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Zone respiratoire : Canaux Alvéolaires, Sacs Alvéolaires et Alvéoles. Alvéoles : - Lieu d’échanges : Air/Sang - 300-500 millions - Diamètre : 300 µm - Surface totale : 80-100 m2 23

  24. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE • Épithélium alvéolaire : • * Pneumocyte I(aplaties, Échanges…) • * Pneumocyte II(cuboïdales, Liquide, …) • * Surfactant : • - liquide : contact air alvéolaire, • produit par pneumocyte II, •  tension superficielle à l’interface air/épithélium alvéolaire (facilite l’expansion des alvéoles lors inspiration) • Macrophages • Pores de Kohn (8 nm, intercirculation entre alvéoles) 24

  25. ANATOMIE FONCTIONNELLE RESPIRATOIRE Effet de Gravité sur élasticité Pulmonaire Effet de Gravité sur ressort • Apex en base (élasticité + propre poids) : • Volume alvéolaire  • Nombre d’alvéoles  Selon : Physiologie humaine H. Guénard, 2009

  26. VOLUMES RESPIRATOIRES Cycle respiratoire :Inspiration puis Expiration Exploration par Spiromètre (à cloche) : Mesurer Volumes d’air mobilisé au cours de la ventilation (inspiration et expiration) Cycle respiratoire 26

  27. VOLUMES PULMONAIRES volume de réserve inspiratoire 3000 ml capacité pulmonaire totale capacité vitale 500 ml/cycle volume courant volume de réserve expiratoire 1100 ml capacité résiduelle fonctionnelle volume résiduel 1200 ml 27 Échelle non respectée

  28. DÉBITS VENTILATOIRES Apnée Fréquence respiratoire (calme) = 12 cycles/min Respiration Normale (Eupnée) VC Tachypnée Dyspnée Respiration périodique Ventilation pulmonaire totale (ml/min) = Volume courant x Fréquence respiratoire VT = VC x FR = 0,5 x 12 = 6 L/min 28

  29. DÉBITS VENTILATOIRES 500 ml Ventilation totale 6 L/min Volume Courant Espace Mort Anatomique 150 ml Ventilation alvéolaire (4,2 L/min) Air alvéolaire 350 ml Rapport ≈ 1 Sang capillaire pulmonaire (70 ml) Débit sanguin pulmonaire (4 à 4,5 L/min) VOLUMES DÉBIT Alvéole Capillaire

  30. ESPACE MORT ANATOMIQUE (VD) • En série entre la bouche et les alvéoles • Zone de conduction:  150 ml • Ne participe pas aux échanges gazeux • Rôles : Réchauffement,Humidification, Épuration de l’air inspiré • Altère l’efficacité de la ventilation : Une fraction d’air inspiré ne parvient pas aux alvéoles 30

  31. VENTILATION TOTALE, ESPACE MORT ANATOMIQUE ET VENTILATION ALVÉOLAIRE 1 VT 1 4 2 3 2 4 EMA 4 4 3 2 1 3 2 1 3 ALVEOLE VA Inspiration Expiration Avant Inspiration Avant Expiration LEGENDE : AirOxygéné, Air Vicié

  32. LOIS PHYSIQUES DES GAZ Air Atmosphérique : mélange de gaz (Sec ou Humide) Pression totale du mélange :  Pression de chaque gaz (Loi de Dalton) A Patm = 760 mmHg (sec, niveau mer) : 78% N2 21% O2 càd : FiO2 = 21% = 21 ml/100 ml = 210 ml d’O2 / L d’air Pression Partielle d’un gaz : - sa pression individuelle dans le mélange - dépend : Humidité, altitude, ….

  33. LOIS PHYSIQUES DES GAZ Si milieu SEC : Ppgaz = Patm x % gaz dans le mélange PO2 = 760 x 21% = 160 mmHg Si milieu HUMIDE (Vapeur d’eau 47 mmHg) : Ppgaz = (Patm– Pve) x % gaz dans le mélange Exemple : PO2 = (760 – 47) x 21% = 150 mmHg

  34. LOIS PHYSIQUES DES GAZ Valeurs Pressions Partielles des gaz : mmHg Donc : Pression du Gaz dépend deTempérature et Humidité C’est le cas du Système Respiratoire

  35. LOIS PHYSIQUES DES GAZ Flux Air (échanges) : Gradient de pression DECROISSANT Origine des Flux Air : Mouvements de CT Soit Réservoir : Pression du Gaz Collisions de ces molécules entres elles et contre paroi du réservoir Si Volume  ( 2)  Collisions et Pression  (x 2) Relation Pression – Volume (Loi de Boyle) Équation : P1V1 = P2V2 (P1 / V2 = P2 / V1) En Ventilation :  Volume CT   Pression  Flux d’air

  36. AIR ATMOSPHERIQUE ET ALVEOLAIRE Alvéole Capillaire Dans l’atmosphère(Patm = 760 mmHg, sec) 21 % O2 - 0,03 % CO2 - PatmO2 = 21% x 760 = 160 mmHg - PatmCO2 = 0,033% x 760 = 0,25 mmHg Air Inspiré Trachéal Réchauffé et Saturé en Vapeur d’eau PtrachO2 = 21% x (760 – 47) = 150 mmHg PtrachCO2 = 0,235 mmHg Air Alvéolaire 14 % O2 - 5,6 % CO2 - PAlvO2 = 14% x (760 – 47) = 100 mmHg - PAlvCO2 = 40 mmHg 36

  37. ECHANGES GAZEUX PULMONAIRES Vt PAO2 = 100 mmHg PACO2 = 40 mmHg Veine pulmonaire Côté veineux Artère pulmonaire Côté artériel O2 CO2 PO2 = 40 mmHg PCO2 = 47 mmHg Capillaire PO2 = 100 mmHg PCO2 = 40 mmHg Temps de transit : 0,75 s 37

  38. ÉCHANGES ALVÉOLO-CAPPILAIRES Facteurs physiques impliqués ? 1- solubilité (α) CO2 10 fois + soluble que O2 PM CO2(44)  PM O2 (32) α α D = = (Loi de Graham) PM0,5 PM Bien que PM CO2 + grand que PM O2 , D est nettement + grande pour CO2 que O2

  39. ÉCHANGES ALVÉOLO-CAPPILAIRES S . D . P DMgaz = E 2- Surface des poumons (S) Surface alvéolaire totale : 50 à 100 m2 Relation proportionnelle entre S et D 3- Épaisseur de la surface (E) 0,3 à 1,5 μm Relation inversement proportionnelle entre E et D 4- Gradient de pression des gaz (P) Relation proportionnelle entre P et D En résumé, Diffusion Membranaire DM

  40. TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG • O2 et CO2 : 2 formes de transport dans le sang : • Dissoute (libre) • Combinée (liée) Pression partielle du gaz  forme dissoute du gaz O2 DISSOUT DANS LE PLASMA • 1 à 2 % de l’O2 transporté par le sang (peu soluble). • PO2 = proportionnelle auVolume de ce gaz dissout (Loi de Henry). 40

  41. TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG OXYGÈNE COMBINÉ À L’HÉMOGLOBINE • Hémoglobine (Hb) : • Protéine (Globine + Hème, PM 64500 Da) • 4 chaînes polypeptidiques : Globines (HbA: 2+ 2ß) HbF (2 + 2) (Hb fœtal) • 1 atome de fer (Fe2+) / hème • Fixe 4 molécules d’O2 = Oxyhémoglobine HbO2 ( +98 %)

  42. TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG Hb + O2 HbO2 Relation PO2 et HbO2(relation Saturation Hb en O2) Loi d’action de masse : Si PO2  taux de saturation  (HbO2)

  43. OXYGÈNE FIXÉ A L’HÉMOGLOBINE PO2 à 50% de saturation en O2 (P50= 27 mmHg) PO2 = 100 mmHg (Capillaires pulmonaires) PO2 = 40 mmHg (Capillaires tissulaires)

  44. OXYGÈNE FIXÉ A L’HÉMOGLOBINE Hb + O2 HbO2 + H+ pH Effet du pH Variation pH  Changement Affinité O2 - Hb ACIDOSE : P50 (courbe déplacée vers droite) ALCALOSE : effet inverse = Effet Bohr Si libération O2, Hb réduite(DésoxyHb) capte H+ 44

  45. OXYGÈNE FIXÉ A L’HÉMOGLOBINE CO2 Effet duCO2 Si  CO2 sanguin (Hypercapnie) :  P50 (vers droite) • suivi  pH (Par effet Bohr) Si  CO2 sanguin(Hypocapnie) : effet inverse 45

  46. OXYGÈNE FIXÉ A L’HÉMOGLOBINE 2, 3-DPG Effet du 2,3-DPG (2,3-diphosphoglycérate) = métabolite érythrocytaire de la voie de la glycolyse Le 2,3-DPG : Réduit l’affinité de l’Hb pour O2 (vers droite) 46

  47. OXYGÈNE FIXÉ A L’HÉMOGLOBINE En résumé : Ce qui  Affinité Hb-O2 (P50) : •  2,3-DPG •  pH •  PCO2 •  Température Pouvoir oxyphorique d’Hb : • Volume d’O2 (ml) que peut fixer 1g d’Hb = 1,34 ml d’O2 • Condition Standard (STPD) : T°, P=760 mmHg, Dry

  48. TRANSPORT DU CO2 CO2 dissout •  20 x + soluble que O2 • 5 % du CO2 sanguin total • CO2dissout vrai • Acide carbonique H2CO3 (très faible) CO2 combiné • Bicarbonates • Carbamates (formes carbaminées) 48

  49. TRANSPORT DU CO2 CO2 + H2O H2CO3HCO3- + H+ Bicarbonates Anhydrase carbonique des Globules rouges (AC) • 90 % du CO2 sang veineux • Quasi-totalité HCO3- Synthèse Globules Rouges (par Anhydrase carbonique des GR) 49

  50. TRANSPORT DU CO2 Formes carbaminées Liaison du « C » avec groupes aminés terminaux des protéines (Hb) Exemple : La carbamino-hémoglobine = HbCO2 HbNH2+ CO2 HbNHCOOH (carbamates) 50

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