Cours respiration j. peyronnet roux

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plan 1. la respiration Introduction rôle de l ’oxygène dans l ’organisme 2. l ’appareil respiratoire description de ses composants 3. les paramètres pulmonaires 4. Les échanges gazeux Lois physique des gaz 5. Genèse du rythme 6. Contrôle de la ventilation 7. Facteurs qui influencent la ventilation Hypoxie 8. conclusion

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plan

1.  la respiration Introduction –  rôle de l ’oxygène dans l ’organisme

2.  l ’appareil respiratoire –  description de ses composants

3.  les paramètres pulmonaires 4.  Les échanges gazeux

–  Lois physique des gaz

5.  Genèse du rythme 6.  Contrôle de la ventilation 7.  Facteurs qui influencent la ventilation

–  Hypoxie 8.  conclusion

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Introduction

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La respiration

•  Terme général qui inclut 2 processus –  la respiration externe (l ’organisme

entier) •  absorption d ’oxygène •  rejet de CO2

–  la respiration interne (au niveau cellulaire)

•  utilisation d ’oxygène •  production de CO2

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La respiration externe est responsable de la transformation du sang désoxygéné qui arrive du cœur droit en sang oxygéné qui retourne au

cœur gauche

La respiration externe

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La respiration interne •  La respiration interne implique

les échanges d'oxygène et de gaz carbonique entre les capillaires systémiques et les cellules des tissus.

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Rôle de l’oxygène dans l’organisme

 Passage de l’oxygène de l’atmosphère à la mitochondrie :

 série d’étapes ordonnées faisant intervenir des fonctions et des structures différentes (fig..1).

 le système respiratoire  le système circulatoire

 l’équilibre au sein de l’organisme entre l’apport d ’O2 et l’élimination de CO2

 de transport de l’oxygène  les poumons,  le coeur,  deux circuits de diffusion passive,

 Dans chaque tissu, toute modification (baisse ou augmentation) de la pression partielle d’oxygène affecte les capacités de la mitochondrie à synthétiser de l’ATP. Il est aussi important de souligner qu’un certain nombre de protéines du métabolisme enzymatique utilise l’oxygène moléculaire comme co-facteur au cours de leur fonctionnement.

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Principes de la physiologie respiratoire

1.  La ventilation est indispensable a l’entretien de la vie

2.  L’organisme consomme de l’O2 et produit du CO2; il est le siège d’un phénomène analogue a la combustion des corps inanimés; cette combustion est a l’origine de la chaleur animale.

1. La chaleur animale provient de l’oxydation des substances organiques

2. L’azote n’est pas a proprement perle un gaz respiratoire

3.  Le siège des oxydations se trouve dans les cellules: la circulation du sang assure le transport d’O2 et du CO2 entre les poumons et les tissus, le sang ayant la propriété de fixer et de libérer rapidement de grandes quantité de ces gaz

4.  L’intensité des échanges gazeux et de la dépense d’énergie est variable

5.  L’intensité des échanges gazeux est déterminée par les besoins de l’organisme

6.  Le régime de fonctionnement des appareils ventilatoire et circulatoire est réglé en fonction des besoins d’échanges gazeux de l’organisme

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Appareil ventilatoire

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Appareil ventilatoire

•  Organes d ’échange gazeux : les poumons

•  une pompe qui ventile les poumons : –  cavité thoracique –  les muscles respiratoires

•  augmentation ou diminution de la taille de la cavité thoracique

–  région centrale (SNC) : groupes cellulaires (neurones) contrôlant les muscles

–  fibres nerveuses entre les centres et les muscles

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Anatomie des poumons

•  Entre la trachée et les sacs alvéolaires, les conduits se divisent 23 fois. –  Les 16 premières générations : zone de

conduit des gaz dans les deux sens. Cette zone est constituée des bronches, des bronchioles et des terminaisons des bronchioles.

–  Les 7 générations restantes représentent une zone respiratoire et de transition : échanges gazeux. Cette zone est constituée de : bronchioles respiratoires, conduits alvéolaires et des alvéoles.

Espace mort anatomique Volume: 0.150 L

Zone respiratoire Volume: 3 L

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•  Ces divisions multiples augmentent de façon très importante la surface pulmonaire : 2 cm2 au niveau de la trachée et 11 800 cm2 au niveau des alvéoles. En conséquence la vitesse du flux des gaz dans les alvéoles est beaucoup plus lente.

•  L ’homme possède 300 millions d ’alvéoles et la surface totale d ’échange (les 2 poumons) est de 70m2.

•  Les alvéoles sont entourées par des capillaires pulmonaires. La plupart du temps, la barrière entre l ’air et le sang des capillaires est extrêmement fine.

•  La paroi des alvéoles est constituée de 2 types de cellules épithéliales : –  les cellules de type I : elles sont plates et possèdent de larges

extensions cytoplasmiques. Ce sont les cellules primaires de la lignée.

–  Les cellules de type II : elles sont plus épaisses et possèdent des inclusions cytoplasmiques (pneumocytes à granules). Elles sécrètent le surfactant.

•  Le surfactant: •  Il existe d ’autres types de cellules épithéliales, mais également

des macrophages, des lymphocytes, des mastocytes (contiennent héparine, divers lipides, de l ’histamine et des polypeptides). Ces mastocytes sont impliqués dans les réactions allergiques.

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• Voies nasales • pharynx : l ’air y est réchauffé, saturé en eau • trachée • les bronches • les bronchioles • les conduits alvéolaires • les sacs alvéolaires

Mucus: impuretés sont phagocytées sur place par les macrophages et/ou ramenées vers la trachée par les cils de l’épithélium cilié: expectoration ou ingestion. Vitesse:1cm/min. battement des cils :12-20 fois par s. Production de mucus de 10 à 100ml par jour (tabagisme). La stimulation est vagale

Surfactant:

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paramètres ventilatoire

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Les paramètres ventilatoires

•  Il est possible d ’étudier quantitativement la ventilation pulmonaire par mesure des volumes et des débits de gaz échangés par un sujet. Spirographes et pneumotachographes permettent de relever les paramètres spirographiques, le pneumotachographe permettant de mesurer les débits instantannés.

•  La fréquence respiratoire (FR) Elle varie en fonction de :

l ’état du sujet (repos, activité modérée, forte…) la température ambiante (augmente avec Ta) l ’âge (14-18.min-1 pour un adulte et entre 45-50.min-1 pour le nourrisson) le sexe (féminin > masculin) l ’espèce : elle est inversement proportionnelle à la taille

LES VOLUMES MOBILISABLES Ils sont mesurable par spirométrie directe •  Le volume courant : VT C ’est le volume d ’air mobilisé au cours d ’un cycle

respiratoire normal (inspiration-expiration). Sa valeur moyenne est de 0.5l chez un homme au repos ; elle augmente avec le débit ventilatoire.

•  Le volume de réserve inspiratoire (VRI) C ’est le volume maximum d ’air qu’un sujet peut inspirer en

plus d ’un volume courant lors d ’une inspiration forcée.

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La valeur moyenne de VRI est d ’environ 2,5l, mais le VRI dépend de la constitution physique du sujet.

•  Le volume de réserve expiratoire : VRE C ’est le volume maximum d ’air que le sujet peut encore

expirer en plus de VT à la fin d ’une expiration normale, c ’est à dire en réalisant une expiration forcée. Sa valeur est inférieure à celle du VRI (environ 1,5l).

•  Le volume résiduel : VR C ’est le volume de gaz (non mobilisable) restant dans

l ’appareil respiratoire à la fin d ’une expiration forcée. Sa valeur varie selon les caractéristiques du sujet. Le volume résiduel ne peut être déterminé par spirométrie directe, il est mesuré par des techniques (indirectes) de dilution de gaz non respiratoires (azote ou hélium) en circuit ouvert ou fermé. l ’âge : le sexe : féminin < masculin la taille :

LES CAPACITÉS Elles sont définies à partir des volumes respiratoires •  La capacité vitale : CV

CV = VT + VRI + VRE Elle correspond au volume maximum d ’air qu’un sujet peut

mobiliser au cours d ’un cycle respiratoire forcé. La capacité vitale varie selon : l ’âge : le sexe : féminin < masculin la taille :

Pour ce paramètre important, il existe des tables de valeurs théoriques en fonction de ces trois données.

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En pathologie, une diminution de la capacité vitale par rapport aux valeurs des tables constitue un trouble ventilatoire restrictif.

•  La capacité inspiratoire : CI CI = VT + VRI

•  La capacité expiratoire : CE CE = VT + VRE

•  La capacité résiduelle fonctionnelle : CRF CRF = VRE + VR

Elle représente le volume d ’air vicié restant dans l ’appareil respiratoire à la fin d ’une expiration courante normale (calme).

•  La capacité pulmonaire totale : CT ou CPT CT = CV + VR

Elle représente le volume d ’air total que l ’appareil ventilatoire peut contenir.

LES DÉBITS VENTILATOIRES : ! •  Débit moyen (VM = DM, en l/min) C ’est le volume d ’air ventilé en moyenne en une minute chez un

sujet calme au repos. Chez un sujet normal, !M varie entre 5 et 8l.min-1. Connaissant le VT et la fréquence respiratoire FR

VM = VT × FR •  Débit ventilatoire maximal : VMM ou DVM en l/min Le débit ventilatoire maximal est mesuré en faisant respirer le sujet

le plus rapidement possible avec un VT optimal. Cette épreuve, très fatigante, ne doit pas dépasser une durée de 30 secondes.

Sa valeur au repos est de 90l/min. (au minimum) chez un sujet normal. Il faut souligner qu ’à l ’exercice, le débit maximum peut atteindre 150l/min. et même plus de 200l/min. chez certains sportifs entraînés.

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•  Débit expiratoire maximal : DEM ou VEM 1) la !EMS est le volume d ’air qui peut être expiré pendant

la première seconde (l/sec.) d ’une expiration forcée suivant une inspiration forcée.

La valeur absolue du !EMS varie avec les caractéristiques morphologiques du sujet

Il est aussi possible de définir le coefficient de TIFFENEAU : = VEMS /CV × 100

Ce rapport est normalement supérieur à 75%. Toute baisse de ce coefficient au dessous de 70% caractérise un trouble ventilatoire obstructif (freinage expiratoire). Ce type de trouble s ’observe lors d ’affections respiratoires comme l ’asthme et la bronchite chronique grave.

2) la partie la plus significative du DEM (l/s) se situe dans la partie moyenne de la courbe débit = f(V). En effet, le débit expiratoire maximal moyen ou DEM 75-25% est réduit en cas de bronchospasme. Au début de l ’expiration maximale (DEM 100-75), les bronches dilatées offrent une moindre résistance à l ’expiration que le sujet soit sain ou pathologique, et en fin d ’expiration la DEM 25-0 est toujours basse.

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CONSOMMATION D’OXYGÈNE DE REPOS C ’est la quantité d ’oxygène que le sujet a utilisée pour ses besoins

métaboliques (dépenses énergétique). Dans les conditions de repos cette VO2 est de l ’ordre de 0,20-0,30 l STPD O2/min. pour un sujet moyen de 1,70m et 70kg.

La VO2 augmente avec : la surface corporelle la baisse de température l ’émotion l ’activité musculaire

MODIFICATIONS ET TROUBLES VENTILATOIRES Selon les modifications de FR et de VT, on définit :

la respiration eupnéique : lorsque la respiration est normale la polypnée : augmentation de VT et de FR la tachypnée : augmentation de la FR seulement l’apnée : arrêt de la respiration la bradypnée : diminution de la FR seulement la dyspnée : difficulté à respirer. Elle peut être inspiratoire (dyspnée laryngée) ou expiratoire (asthme, emphysème).

3 types d ’anomalies ventilatoires peuvent être observées : les troubles obstructifs Ils sont définis par :

une capacité vitale normale un débit d ’expiration maximale la première seconde (VEMS ) < VEMS théorique et coefficient de TIFFENEAU < 0,75 volume résiduel (VR) >> VR théorique capacité pulmonaire totale normale un rapport VR/CPT augmenté

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les troubles restrictifs ils sont définis par

une capacité vitale inférieur aux valeurs théoriques un débit d ’expiration maximale la première seconde (VEMS ) < VEMS théorique mais le coefficient de TIFFENEAU est normal volume résiduel (VR) < VR théorique capacité pulmonaire totale < aux valeurs normales un rapport VR/CPT normal

Ce sont les cas d ’exclusion fonctionnelle : une partie du parenchyme pulmonaire participe mal ou pas aux échanges (emphysème, atélectasie).

Ce sont les cas de limitation de l ’expansion pulmonaire : déformation osseuse, douleurs thoraciques (fracture des côtes), trouble neuromusculaire (poliomyélite, myasthénie, gêne diaphragmatique, pleurésie….).

Les troubles mixtes Dans ce cas, VEMS , CV et CPT diminuent, mais cette diminution de

VEMS est la plus forte, d ’où TIFFENEAU <0,7 ; enfin, VR et VR/CPT sont augmentées.

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Les échanges gazeux

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Les échanges gazeux se font par diffusion

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La pression partielle des gaz de l'air

•  Nous savons que l'air est constitué à   78,6% d'azote, ce qui représente : PN2 = 597,4 mm Hg   20,9% d'oxygène, ce qui représente : PO2 = 158,8 mm Hg   0,04% de gaz carbonique, ce qui représente : PCO2 = 0,3 mm Hg   0,06% d'autres gaz ce qui représente : Pautres gaz = 0,5 mm Hg   0,4% d'eau, ce qui représente : PH2O = 3,0 mm Hg

•  Ce sont ces pressions partielles qui vont déterminer le déplacement de l'oxygène et du gaz carbonique entre les alvéoles pulmonaires et les capillaires sanguins.

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La vitesse des échanges dépend

•  1. Les différences de pressions partielles des gaz

•  PO2 au niveau de la mer = 159 mm Hg •  PO2 à 3075 m = 110 mm Hg •  PO2 à 6 100 m = 73 mm Hg

  Les changements de pression atmosphérique en altitude.

  L'exercice physique qui augmente le taux de gaz carbonique et diminue le taux d'oxygène dans le sang.

  Certains médicaments comme la morphine ralentissent la ventilation.

•  2. La surface disponible pour les échanges gazeux   la destruction des parois alvéolaires dans

l'emphysème par exemple diminue de façon significative la surface disponible aux échanges.

•  3. La distance de diffusion   la présence de liquide dans le milieu interstitiel

lors de l'œdème pulmonaire par exemple augmente la distance de diffusion.

•  4. La solubilité et masse moléculaire des gaz   le gaz carbonique diffuse 20 fois plus rapidement

que l'oxygène ce qui fait par exemple que dans les cas d'emphysème ou d'œdème pulmonaire l'hypoxie se manifeste plus rapidement que l'hypercapnie

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Facteurs influençant la vitesse des échanges

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Le transport de l'oxygène

•  L'oxygène étant un gaz peu soluble dans le plasma, lorsque les pressions partielles alvéolaire et plasmatique s'égalisent, il y a plus de molécules d'O2 par unité de volume dans l'air que dans le plasma. Autrement dit, à volume égal, le plasma contient beaucoup moins de molécules d'oxygène que l'air. –  Dans des conditions normales, 100 ml d'air

contiennent 21 ml d'O2 alors que dans les mêmes conditions, 100 ml de plasma n'en contiennent que 0,03 ml. Ce qui correspond à 1,5% de l'oxygène total transporté par le sang.

•  La majorité de l'oxygène dans le plasma (98,5%) se retrouve donc combinée à l'hémoglobine des globules rouges.

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Les réserves d’oxygène

  O2 “libre”dans le sang: 4 à 5 ml   O2 fixé à l’hémoglobine: ½ litre   dans les alvéoles   dans les tissus (myoglobine) ≅ 50 ml

au total   réserve totale ≅ 1.5 litre 1 à 2

minutes d’apnée   si exercice: dette d’O2

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La molécule d'hémoglobine

Chaque érythrocyte contient quelques 300 millions de molécules d'hémoglobine et chacune d'entre elle peut transporter 4 molécules d'oxygène, une pour chaque atome de fer qu'elle contient. Comme on retrouve entre 4 à 6 millions d'érythrocytes par microlitre de sang, la possibilité de transport d'oxygène est importante.

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Liaison et dissociation de l'O2 à l'Hb

•  Plus la pression partielle en oxygène est grande plus les molécules d'oxygène se lient à l'hémoglobine et plus celle-ci est saturée.

•  Notez que l'Hb reste saturée à 75% quand la PO2 est de 40 mm Hg, soit la PO2 moyenne des cellules au repos.

•  Les cellules disposent ainsi d'une bonne réserve d'oxygène rapidement disponible pour une augmentation rapide de leur activité

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L'effet du pH sur la dissociation de l'Hb

•  Plus l'acidité augmente, plus l'Hb se dissocie de l'oxygène.

•  Ainsi, comme les cellules produisent de grande quantité d'acide lactique et d'acide carbonique (CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ) lors de leur activité, la libération d'oxygène est ainsi facilitée.

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L'effet de la PCO2 sur la dissociation de l'Hb •  Plus la proportion de gaz carbonique

augmente dans le sang plus l'Hb relâche l'oxygène.

•  Ainsi, plus l'activité des cellules augmente, plus elles ont d'oxygène à leur disposition pour la combustion et la production d'énergie.

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L'effet de la température sur la dissociation de l'Hb •  Plus la température du sang augmente et

plus l'Hb relâche l'oxygène. •  Comme les réactions de combustion

produisent non seulement l'ATP nécessaire à l'activité des cellules mais aussi de la chaleur, toute augmentation d'activité permet le relâchement d'une plus grande quantité d'oxygène vers les cellules

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Le transport du gaz carbonique

•  Le gaz carbonique est transporté sous trois formes principales: –  1. Environ 7% sous forme dissoute –  2. Environ 23% sous forme de composés

carbaminés ( il se lie aux acides aminés et aux protéines plasmatiques)

–  3. Environ 70% sous forme d'ions bicarbonate selon l'équation suivante:

CO2 +H2O H2CO3 H+ + HCO3-

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Le monoxyde de carbone

•  Le monoxyde de carbone (CO) est un sous-produit de la combustion de matières qui contiennent du carbone tels le charbon, le gaz naturel et le bois.

•  L'hémoglobine a une affinité 200 fois plus grande pour le monoxyde de carbone que pour l'oxygène

•  Il suffit ainsi d'une concentration de 0,1% de CO dans l'air pour que 50% des molécules d'hémoglobine se lient avec ce dernier réduisant ainsi le transport d'oxygène vers les cellules.

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Fin