Fiche de révision : Échanges gazeux respiratoires

Le chapitre 2 aborde les échanges gazeux respiratoires, un processus fondamental permettant l’oxygénation des cellules et l’élimination du dioxyde de carbone (CO2). Ces échanges sont essentiels à la respiration cellulaire, qui produit l’énergie nécessaire au fonctionnement des cellules. Cette fiche détaille les mécanismes, structures et régulations impliqués dans ces échanges, ainsi que le transport des gaz dans le sang.

1. Introduction aux échanges gazeux respiratoires

La respiration cellulaire nécessite de l’oxygène (O2) pour produire de l’énergie à partir de molécules organiques. En absence d’O2, les cellules recourent à la glycolyse, un processus moins efficace qui génère de l’acide lactique, source d’acidification. Le CO2, déchet métabolique, doit être éliminé rapidement car il forme de l’acide carbonique en solution, perturbant l’équilibre acido-basique de l’organisme @docphysio humaine chap 2.pdf.

Les échanges gazeux se font par diffusion, un mécanisme passif où les molécules migrent selon leur gradient de concentration. La vitesse de diffusion dépend notamment du diamètre, de la température, de la charge des molécules, mais surtout du gradient de concentration. La diffusion est plus efficace dans l’air que dans l’eau, particulièrement pour l’O2 en raison de sa faible solubilité dans l’eau. Le CO2, plus soluble, diffuse facilement dans les deux milieux. La pression partielle des gaz joue un rôle clé : la pression partielle de CO2 dans l’atmosphère est faible, facilitant son élimination, tandis que celle de l’O2 est modérée, rendant sa diffusion plus difficile @docphysio humaine chap 2.pdf.

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2. Anatomie et structure du système respiratoire

Le système respiratoire est adapté pour optimiser les échanges gazeux grâce à une structure fine et une grande surface d’échange.

• Voies aériennes supérieures : L’air riche en O2 pénètre par les cavités nasales ou orales, avec une préférence pour les cavités nasales qui purifient, humidifient et réchauffent l’air grâce aux poils, mucus antibactérien et capillaires sanguins.
• Pharynx : Divisé en nasopharynx (conduit aérien), oropharynx (conduit mixte air/aliments) et laryngopharynx, qui débouche sur le larynx et l’œsophage.
• Larynx : Protégé par les cartilages thyroïde et cricoïde, il dirige l’air vers la trachée et les aliments vers l’œsophage. Il abrite aussi les cordes vocales, responsables de la phonation.
• Trachée et bronches : La trachée, renforcée par des anneaux cartilagineux, se divise en bronches principales, secondaires (lobaires), tertiaires (segmentaires), puis en bronchioles.
• Alvéoles pulmonaires : Extrémités des bronchioles, entourées de capillaires périalvéolaires, avec une paroi très fine (0,2 à 0,4 µm) composée d’un épithélium contenant des pneumocytes primaires (diffusion des gaz) et secondaires (production de surfactant). La surface totale des alvéoles atteint environ 80 m² par poumon. La distance entre alvéole et capillaire est d’environ 2 µm, favorisant la diffusion. L’endothélium capillaire est fusionné à l’épithélium alvéolaire, sans espace d’air, ce qui optimise les échanges gazeux.
• Protection : Les poumons sont enveloppés par la plèvre, une double membrane contenant un liquide pleural qui permet le glissement entre poumons et cage thoracique lors des mouvements respiratoires @docphysio humaine chap 2.pdf.

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3. Mécanismes de la ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire repose sur des variations de volume dans la cage thoracique, modifiant la pression des gaz à l’intérieur des poumons.

• Inspiration : Le diaphragme se contracte et descend, augmentant la hauteur de la cage thoracique. Les muscles intercostaux se contractent ensuite, élevant les côtes et élargissant la cage thoracique. Cette augmentation de volume diminue la pression intra-thoracique et intra-pulmonaire, qui devient inférieure à la pression atmosphérique, provoquant l’entrée de l’air dans les poumons par diffusion. L’inspiration cesse lorsque la pression intra-pulmonaire s’équilibre avec la pression atmosphérique.
• Expiration : Processus passif où les muscles inspiratoires se relâchent, réduisant le volume thoracique et augmentant la pression pulmonaire, ce qui force l’air à sortir. Un cycle respiratoire comprend une inspiration suivie d’une expiration, avec une fréquence normale de 12 à 18 cycles par minute chez l’adulte @docphysio humaine chap 2.pdf.

Volumes et capacités pulmonaires

• Volume courant (VC) : environ 500 ml au repos.
• Volume de réserve inspiratoire (VRI) : environ 3000 ml.
• Volume de réserve expiratoire (VRE) : environ 1000 ml.
• Capacité vitale (CV) : somme de VC, VRI et VRE, environ 4500 ml.
• Volume résiduel (VR) : environ 1000 ml, volume d’air restant après une expiration maximale, empêchant l’affaissement des alvéoles.
• Capacité pulmonaire totale (CPT) : somme de CV et VR, soit environ 5500 ml, exprimée par la formule :

[Formule mathématique]

Avec l’âge, la capacité vitale diminue tandis que le volume résiduel augmente @docphysio humaine chap 2.pdf.

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4. Transport des gaz respiratoires dans le sang

Transport de l’oxygène (O2)

L’O2 est majoritairement transporté par les globules rouges grâce à l’hémoglobine, un complexe protéique capable de fixer l’O2. Seul 1,5 % de l’O2 est transporté dissous dans le plasma, tandis que 98,5 % est lié à l’hémoglobine. Chaque molécule d’hémoglobine peut transporter jusqu’à 4 molécules d’O2, grâce à ses 4 atomes de fer situés dans les groupes hème.

L’affinité de l’hémoglobine pour l’O2 varie selon plusieurs facteurs :

• La pression partielle en O2 (PO2),
• Le pH sanguin (phénomène Bohr),
• La température,
• La saturation en oxygène (coopérativité).

Dans les poumons, l’hémoglobine se lie à l’O2 pour former l’oxyhémoglobine (HbO2), tandis que dans les tissus à métabolisme actif, l’O2 est libéré, formant la désoxyhémoglobine (HHb) @docphysio humaine chap 2.pdf.

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5. Régulation des échanges gazeux respiratoires

La régulation de la ventilation est assurée par le système nerveux central, plus précisément par le centre respiratoire (CR) situé dans la médulla, partie inférieure du tronc cérébral.

• Fonction du CR : Avant chaque inspiration, le CR génère un influx nerveux qui stimule la contraction des muscles inspiratoires (diaphragme et muscles intercostaux), déclenchant l’inspiration. L’arrêt de cette activité provoque la relaxation musculaire et l’expiration.
• Réflexe de Hering-Breuer : Pour protéger les poumons contre une distension excessive, des récepteurs à l’étirement dans l’épithélium alvéolaire et les bronchioles envoient un influx inhibiteur au CR lorsque les poumons sont trop étirés, stoppant l’inspiration et initiant l’expiration. Lorsque la distension diminue, l’inhibition cesse et l’inspiration reprend.
• Adaptation à l’effort : Le CR augmente son activité lors d’efforts physiques, accélérant la ventilation et la perfusion pulmonaire, améliorant ainsi les échanges gazeux.
• Influence des gaz : Le rythme ventilatoire est principalement influencé par la pression partielle du CO2 (PCO2), détectée par des chimiorécepteurs dans la médulla et la paroi de l’aorte. Une augmentation de PCO2 entraîne une acidification sanguine (baisse du pH), activant le CR pour augmenter la ventilation et rétablir le pH (alcalose métabolique). À l’inverse, une hyperventilation excessive peut provoquer une alcalose respiratoire due à une baisse trop importante de PCO2.
• La pression partielle en O2 (PO2) influence le rythme ventilatoire seulement en cas de forte diminution (inférieure à 60 mmHg), où des molécules dérivées du monoxyde d’azote stimulent le CR pour augmenter la ventilation et l’apport en O2 aux tissus @docphysio humaine chap 2.pdf.

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Points clés à retenir

• Les échanges gazeux respiratoires sont essentiels à la respiration cellulaire, permettant l’apport en O2 et l’élimination du CO2.
• La diffusion des gaz dépend du gradient de concentration et est facilitée par la structure fine et la grande surface d’échange des alvéoles.
• La ventilation pulmonaire est un processus dynamique contrôlé par les muscles respiratoires et la pression des gaz.
• Le transport de l’O2 dans le sang est assuré majoritairement par l’hémoglobine, dont l’affinité varie selon plusieurs facteurs physiologiques.
• La régulation de la ventilation est assurée par le centre respiratoire dans la médulla, qui adapte le rythme ventilatoire en fonction des besoins métaboliques et des variations des pressions partielles des gaz.

Cette compréhension intégrée des échanges gazeux, de la ventilation, du transport des gaz et de leur régulation est fondamentale pour appréhender la physiologie respiratoire humaine @docphysio humaine chap 2.pdf.