Le Systeme Respiratoire
Le systeme respiratoire humain est une structure complexe et hierarchisee dont la fonction principale est d'assurer les echanges gazeux entre l'organisme et l'air ambiant. Il debute par les voies aeriennes superieures, comprenant le nez et les fosses...
Cours
Anatomie de l'appareil respiratoire
Le systeme respiratoire humain est une structure complexe et hierarchisee dont la fonction principale est d'assurer les echanges gazeux entre l'organisme et l'air ambiant. Il debute par les voies aeriennes superieures, comprenant le nez et les fosses nasales, qui filtrent, rechauffent et humidifient l'air inspire grace a leurs poils et a leur muqueuse vascularisee. L'air passe ensuite dans le pharynx, un carrefour commun aux voies aeriennes et digestives, puis dans le larynx, qui contient les cordes vocales et est protege par l'epiglotte pour prevenir la fausse route. La trachee, un tube d'environ 12 cm de long et 2 cm de diametre, est maintenue ouverte par des anneaux cartilagineux en forme de C. Elle se divise en deux bronches souches, droite et gauche, qui penetrent dans les poumons et se ramifient en bronches de plus en plus petites, les bronchioles. Le parcours se termine par les alveoles pulmonaires, de minuscules sacs a paroi tres fine (environ 0.2 micrometres) et entoures d'un reseau de capillaires sanguins. Un adulte possede environ 300 millions d'alveoles, offrant une surface d'echange totale estimee a 70-100 metres carres, soit la surface d'un court de tennis.
La mecanique ventilatoire : inspiration et expiration
La ventilation pulmonaire, c'est-a-dire le renouvellement de l'air dans les alveoles, est un processus actif et passif resultant de variations de pression. L'inspiration, phase active, est principalement assuree par la contraction du diaphragme, un muscle en forme de coupole qui s'aplatit, et des muscles intercostaux externes qui soulevent les cotes. Ces actions augmentent le volume de la cage thoracique, ce qui cree une depression a l'interieur des poumons (pression alveolaire inferieure a la pression atmospherique) et provoque l'entree d'air. Au repos, l'inspiration dure environ 2 secondes. L'expiration, au repos, est generalement passive : le diaphragme et les muscles intercostaux se relachent, la cage thoracique retrouve sa position initiale par elasticite, le volume thoracique diminue, la pression alveolaire devient superieure a la pression atmospherique et l'air est chasse. Lors d'un effort, l'expiration devient active avec la contraction des muscles intercostaux internes et des muscles abdominaux pour vider plus rapidement et completement les poumons. Un adulte au repos ventile environ 6 a 8 litres d'air par minute, ce qui peut atteindre plus de 100 litres par minute lors d'un exercice intense.
Les echanges gazeux au niveau alveolaire
Le veritable objectif de la respiration, les echanges gazeux, a lieu au niveau de la barriere alveolo-capillaire, une membrane extremement fine separant l'air alveolaire du sang. Cette barriere est composee de l'epithelium alveolaire, de la membrane basale et de l'endothelium capillaire. Les gaz diffusent a travers cette membrane selon leur gradient de pression partielle, c'est-a-dire de la zone ou leur pression est la plus elevee vers la zone ou elle est la plus basse. Dans les alveoles, l'air est riche en dioxygene (O2, pression partielle d'environ 100 mmHg) et pauvre en dioxyde de carbone (CO2, environ 40 mmHg). A l'oppose, le sang arrivant par l'artere pulmonaire est pauvre en O2 (environ 40 mmHg) et riche en CO2 (environ 45 mmHg) car il provient des tissus ayant consomme de l'oxygene. Il en resulte une diffusion nette d'O2 des alveoles vers le sang et de CO2 du sang vers les alveoles. Ce processus est extremement efficace grace a la grande surface d'echange, la finesse de la membrane (moins de 0.5 micrometre) et l'importante difference de pression partielle pour l'oxygene. En moins d'une seconde, le temps de passage du globule rouge dans le capillaire, l'equilibre des pressions est presque atteint.
Transport des gaz par le sang et respiration cellulaire
Une fois les gaz echanges, le sang doit les transporter vers les cellules (pour l'O2) et depuis les cellules (pour le CO2). L'oxygene est transporte a 98% par l'hemoglobine (Hb) contenue dans les globules rouges. Chaque molecule d'Hb peut fixer reversiblement quatre molecules d'O2 pour former l'oxyhemoglobine (HbO2). Cette fixation depend de la pression partielle en O2 : elle est forte dans les poumons (saturation d'environ 97%) et faible dans les tissus, ce qui permet la liberation de l'O2. Le reste de l'O2 (environ 2%) est dissous dans le plasma. Le dioxyde de carbone est transporte sous trois formes principales. Environ 70% est transforme en ions bicarbonate (HCO3-) dans les globules rouges grace a l'anhydrase carbonique, puis transporte dans le plasma. Environ 23% est fixe directement sur l'hemoglobine (sous forme de carbaminobemoglobine). Les 7% restants sont dissous dans le plasma. Au niveau des cellules, l'oxygene delivre est utilise dans les mitochondries pour la respiration cellulaire, un processus biochimique qui degrade le glucose (C6H12O6) en presence d'O2 pour produire de l'energie (sous forme d'ATP), de l'eau et du CO2. Cette reaction s'ecrit : C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + energie (ATP). Le CO2 produit est alors rejete dans le sang.
Effets du tabac sur l'appareil respiratoire
Le tabagisme est la principale cause evitable de maladies respiratoires. La fumee de cigarette contient plus de 4000 substances toxiques, dont la nicotine (addictive), le monoxyde de carbone (CO) et le goudron. Le monoxyde de carbone a une affinite pour l'hemoglobine environ 200 fois superieure a celle de l'oxygene, formant de la carboxyhemoglobine qui reduit drastiquement la capacite de transport d'O2 du sang. Les particules de goudron et les irritants provoquent une inflammation chronique des bronches, entrainant une hypersecration de mucus et une paralysie des cils vibratiles de l'epithelium bronchique. Cela conduit a la 'toux du fumeur' et favorise les infections. A long terme, cette inflammation detruit les parois alveolaires, menant a l'emphyseme (diminution de la surface d'echange) et a la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Les substances carcinogenes du goudron induisent des mutations genetiques dans les cellules bronchiques, multipliant par 10 a 25 le risque de developper un cancer du poumon, qui cause environ 30 000 deces par an en France. Meme le tabagisme passif augmente significativement les risques de pathologies respiratoires, notamment chez les enfants.
Exercice physique et adaptations respiratoires
Lors d'un exercice physique, la demande en energie des muscles squelettiques augmente fortement, necessitant une plus grande quantite d'O2 et une elimination accrue de CO2. Le systeme respiratoire s'adapte par une augmentation du debit ventilatoire, qui peut passer de 6-8 L/min au repos a plus de 100 L/min chez un athlete d'endurance. Cette augmentation resulte d'une hausse a la fois du volume courant (volume d'air inspire et expire a chaque mouvement, de 0.5 L a plus de 3 L) et de la frequence respiratoire (de 12-15 cycles/min a 40-50 cycles/min). Ces ajustements sont commandes par le centre respiratoire bulbaire, stimule par l'augmentation de la concentration de CO2 dans le sang (hypercapnie) et l'acidose qui en resulte, ainsi que par des signaux nerveux provenant des muscles en mouvement. A plus long terme, un entrainement aerobie regulier induit des adaptations structurelles et fonctionnelles : augmentation de la capacite vitale (volume d'air maximal pouvant etre expire apres une inspiration maximale), renforcement des muscles respiratoires, meilleure efficacite des echanges gazeux grace a une vascularisation accrue des alveoles, et une legere augmentation de la densite capillaire autour des fibres musculaires. Ces adaptations permettent de fournir plus d'O2 aux muscles et d'eliminer plus efficacement le CO2, ameliorant ainsi la performance et retardant la fatigue.
Vocabulaire
Petit sac terminal des voies aeriennes, a paroi extremement fine, entoure de capillaires sanguins, ou se produisent les echanges gazeux entre l'air et le sang.
Proteine contenue dans les globules rouges, capable de fixer reversiblement l'oxygene (O2) et, dans une moindre mesure, le dioxyde de carbone (CO2) pour leur transport dans le sang.
Principal muscle de l'inspiration, en forme de coupole, qui se contracte et s'aplatit pour augmenter le volume de la cage thoracique.
Vaisseau sanguin de tres petit diametre, a paroi fine, ou ont lieu les echanges (gaz, nutriments, dechets) entre le sang et les tissus, notamment au niveau des alveoles.
Processus biochimique se deroulant dans les mitochondries des cellules, qui degrade le glucose en presence d'oxygene pour produire de l'energie (ATP), du dioxyde de carbone et de l'eau.
Maladie respiratoire chronique progressive, souvent due au tabagisme, caracterisee par une obstruction permanente des bronches et une destruction des alveoles (emphyseme).
