Chapitre II Le système respiratoire

PLAN DU COURS I. Introduction Qu’est ce que la respiration ? Evolution des systèmes respiratoires II. Les poumons Anatomie Fonctions 3. Les 4 processus de la respiration La pompe respiratoire Régulation de la respiration III. Echanges gazeux Pressions partielles Echanges gazeux respiratoires Transport du dioxygène Transport du dioxyde de carbone Adaptations

1. Qu’est ce que la respiration ? Système respiratoire : échange des gaz entre les différentes composantes de l’organisme (poumons, sang, cellules). Besoin d’un approvisionnement continu en O2 et d’un recyclage du CO2 Pourquoi? Pour assurer la respiration cellulaire (fabrication d’énergie) O2 CO2 ATP (+ nutriments)

Ne pas confondre… Respiration externe: Echange gazeux (O2, CO2) entre poumons/sang (poumons) Respiration interne: Echange gazeux (O2, CO2) entre sang/cellules (capillaires) Respiration cellulaire: Utilisation de l’O2 par les cellules pour fournir de l’énergie (organite intracellulaire: mitochondrie) 1. Qu’est ce que la respiration ?

2. Evolution des systèmes respiratoires Les échanges gazeux entre le milieu respiratoire et l’organisme ont lieu au niveau d’une surface respiratoire. Cette surface respiratoire doit être humide (circulation des gaz possible uniquement s’ils sont dissous dans l’eau qui recouvre la surface respiratoire) pour permettre la diffusion des gaz. La surface respiratoire sépare le milieu respiratoire du sang ou des capillaires. Absorption proportionnelle à la surface d’échange. Plus le volume est grand, plus la surface d’échange doit être grande.

organe respiratoire = peau Humidité indispensable a. La Respiration cutanée Ex. Cnidaires, Vers, Amphibiens Cas des petits animaux organe respiratoire = peau Humidité indispensable Surface d’échange limitée à la peau. Donc, limite à l’augmentation de volume. Les Amphibiens respirent aussi avec des poumons. O2 CO2 Chez les animaux plus gros, besoin d’augmenter la surface respiratoire. 2. Evolution des systèmes respiratoires

Mollusques, crustacés, poissons, certains amphibiens. b. Les branchies Animaux aquatiques Mollusques, crustacés, poissons, certains amphibiens. Surface respiratoire externe prolongements de la surface corporelle appelés branchies milieu respiratoire : l’eau Avantages : maintien en permanence de l’humidité Inconvénients : concentration d’O2 dans l’eau est beaucoup plus faible que dans l’air (diminue si l’eau est chaude et salée). besoin de ventilation pour augmenter l’efficacité des échanges. 2. Evolution des systèmes respiratoires

L’air comme milieu respiratoire la concentration en O2 est plus importante que dans l’eau la diffusion de l’O2 et du CO2 est plus rapide dans l’air que dans l’eau : Besoin de moins de ventilation. Besoin de moins d’énergie (air plus facile à déplacer que l’eau) Mais… La surface respiratoire doit être grande et rester humide, beaucoup de pertes par vaporisation. La solution : une invagination de la surface respiratoire. 2. Evolution des systèmes respiratoires

c. Les trachées Cas des insectes Corps parcouru de tubes remplis d’air, les trachées, qui se divisent en trachéoles. 2. Evolution des systèmes respiratoires

Réseau important de trachéoles qui atteint pratiquement chaque cellule : pas besoin de système circulatoire L’échange O2/CO2 se fait localement au niveau d’un épithélium humide. le liquide trachéolaire permet de réguler les apports. 2. Evolution des systèmes respiratoires

Poumons = sacs internes d. les poumons Cas des vertébrés terrestres. Mammifères Poumons = sacs internes Amphibien Reptile 2. Evolution des systèmes respiratoires

I. Introduction Qu’est ce que la respiration ? Evolution des systèmes respiratoires II. Les poumons Anatomie Fonctions 3. Les 4 processus de la respiration La pompe respiratoire Régulation de la respiration III. Echanges gazeux Pressions partielles Echanges gazeux respiratoires Transport du dioxygène Transport du dioxyde de carbone Adaptations

1. Anatomie Cavité nasale Pharynx Larynx Trachée Poumon droit Poumon gauche Bronches Bronchioles Côtes Sacs alvéolaires Diaphragme

Plèvre pariétale Cavité pleurale Plèvre viscérale Diaphragme remplie de liquide Diaphragme 1. Anatomie

Trachée + 2 bronches + bronchioles Voies aériennes: Trachée + 2 bronches + bronchioles Poumon gauche : 2 lobes Poumon droit : 3 lobes 1. Anatomie

Bronchioles se terminent par des sacs alvéolaires Surface totale ~ terrain de tennis 1. Anatomie

Les ramifications des bronches permettent d’augmenter la surface respiratoire 1. Anatomie

O2 CO2 Les alvéoles sont constituées de différents types cellulaires Les pneumocytes 1 : échanges gazeux Les pneumocytes 2 : secretion de surfactant Les macrophages : défense 1. Anatomie

O2 CO2 C’est l’épithélium alvéolaire qui sert de surface respiratoire. Présence d’un surfactant: couche humide qui tapisse les alvéoles: diminue la tension superficielle de la surface ==> empêche les alvéoles de s’affaisser. 1. Anatomie

2. Fonctions Les 4 fonctions primaires du système respiratoire : 1. échanger les gaz entre l’atmosphère et le sang apport d’O2 aux cellules et rejet du CO2 issu du métabolisme 2. assurer la régulation du pH en retenant ou en rejetant sélectivement du CO2. 3. protection contre les pathogènes inhalés et contre les substances irritantes. 4. phonation en passant entre les cordes vocales, l’air crée des vibrations utilisées pour la parole.

L’air arrivant au poumon subit des transformations : Réchauffement : l’air est réchauffé jusqu’à la température corporelle (37°C) pour éviter le refroidissement du corps. 2. Humidification Rajout de vapeur d’eau pour éviter le desséchement de l’épithélium d’échange. 3. Filtration Pour que les virus et les bactéries n’atteignent pas les alvéoles. 2. Fonctions

Épithélium cilié des bronches et de la trachée 1 + 2 Muqueuse nasale 3 Épithélium cilié des bronches et de la trachée 2. Fonctions

La ventilation (ou respiration) 3. Les 4 processus de la respiration : La ventilation (ou respiration) Echange d’air entre l’atmosphère et les poumons. Comprend l’inspiration (inhalation) mouvement de l’air vers les poumons et l’expiration (exhalation) mouvement de l’air qui sort des poumons. Notion de mécanique ventilatoire 2. Echange d’O2 et de CO2 entre les poumons et le sang 3. Transport d’O2 et de CO2 par le sang 4. Echange de gaz entre le sang et les cellules.

(entre l’air et les poumons) Respiration externe Echange 1. Ventilation (entre l’air et les poumons) Echange 2. (entre les poumons et le sang) Echange 3 Transport des gaz par le sang Respiration interne Echange 4. (entre le sang et les cellules) O2 CO2 Respiration cellulaire 3. Les 4 processus de la respiration :

4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation Pour déplacer l’air entre l’atmosphère et la surface d’échange profondément enfouie dans le corps, nécessité d’une pompe musculaire qui va créer des différences de pression pour faciliter la diffusion. C’est la pompe musculo-squelettique du thorax. Fonctionne sur le principe d’une pompe aspirante. L’augmentation de volume de la cage thoracique crée une dépression qui aspire l’air dans les poumons.

Inspiration active Expiration passive P > Patm P < Patm Augmentation du volume de la cage thoracique Baisse de la pression de l’air dans les poumons : entrée de l’air atmosphérique 4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation

Ce système ne peut fonctionner si la cage thoracique est perforée ==> affaissement des poumons Plèvre viscérale = pneumothorax Plèvre pariétale 4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation

4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation

Le volume pulmonaire peut être évalué en mesurant la quantité d’air déplacée pendant la respiration au repos et à l’effort maximal à l’aide d’un spiromètre. spiromètre 4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation

3 5 1 2 6 4 1. Volume courant VO2max : volume maximal d'oxygène qu'un organisme peut consommer par unité de temps lors d'un exercice dynamique. Chez l'humain, le (ou la) VO2max s'exprime habituellement en litres d’oxygène par minute (l/min). 2. Volume de réserve expiratoire 3. Volume de réserve inspiratoire 4. Volume résiduel (étirement des poumons) 5. Capacité vitale = 1 + 2 + 3 6. Capacité pulmonaire totale 1 + 2 + 3 + 4 4. La pompe musculaire respiratoire ou ventilation

5. Régulation de la respiration a. Régulation nerveuse: Le système nerveux Le cerveau (système nerveux central) informe contrôle Système nerveux périphérique (ou autonome ou végétatif) sympathique parasympathique Stimulé lors du stress ou de l’effort Stimulé au repos

Centre de contrôle nerveux de la respiration dans le tronc cérébral (bulbe rachidien). Centre de contrôle envoie des influx aux muscles respiratoires (12 à 18 fois à la minute au repos). Contrôle la respiration (inspiration + expiration) et la ventilation En induisant une contraction du diaphragme et des muscles intercostaux Générateur central du rythme respiratoire 5. Régulation de la respiration

a. Régulation nerveuse: Le système nerveux périphérique (ou autonome) Système parasympathique : Pupilles Glandes salivaires Cœur Bronches pulmonaires Foie Estomac Intestin grêle Côlon Rectum Vessie Organes génitaux Processus anaboliques Mode repos Bronchoconstriction Diminue la quantité d’air qui atteint les alvéoles Neurotransmetteur : l’acétylcholine

a. Régulation nerveuse: Le système nerveux périphérique (ou autonome) Système (ortho)sympathique T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T 1 T12 L1 L2 L3 Pupilles Glandes salivaires Cœur Bronches pulmonaires Foie Estomac Intestin grêle Glande surrénale Rein Côlon Rectum Vessie Organes génitaux Système du stress Voies cataboliques bronchodilatation Neurotransmetteur : L’adrénaline

 [CO2] sang ==>  [H2CO3] ==>  pH b. Régulation par le pH Système respiratoire joue aussi un rôle dans le contrôle du pH sanguin.  [CO2] sang ==>  [H2CO3] ==>  pH  [CO2] sang ==>  [H2CO3] ==>  pH Le centre respiratoire est sensible au pH  pH ==> Stimulation du centre respiratoire  pH ==> Inhibition du centre respiratoire  [CO2] sang ==>  pH ==>  ventilation pulmonaire  [CO2] sang ==>  pH ==>  ventilation pulmonaire

c. rétrocontrôle

I. Introduction Qu’est ce que la respiration ? Evolution des systèmes respiratoires II. Les poumons Anatomie Fonctions 3. Les 4 processus de la respiration La pompe respiratoire Régulation de la respiration III. Echanges gazeux Pressions partielles Echanges gazeux respiratoires Transport du dioxygène Transport du dioxyde de carbone Adaptations

1. Pressions partielles La diffusion simple de l’oxygène et du gaz carbonique au travers des couches cellulaires (alvéoles-capillaires pulmonaires/ capillaires systémiques-cellules) suit la règle de la diffusion simple au travers d’une membrane résumée par la loi de Fick. D le taux de diffusion en g⋅s-1 ou mol⋅s-1 ; k le coefficient de diffusion (de l'espèce chimique dans le milieu donné) en m2⋅s-1 ; dans la membrane : coefficient de perméabilité membranaire S la surface d’échanges en m2 ; ΔC la différence de concentration de chaque côté de la membrane en g⋅m-3 ou mol⋅m-3 ; Concentration pour un gaz on parle de pression partielle L l’épaisseur de la membrane en m.

≡ Pression partielle d’un gaz = pression exercée par un gaz dans un mélange. Ex. O2 dans l’air = 21% P partielle O2 (PO2) = 21% de la pression atmosphérique Un gaz diffuse toujours d’une région de haute pression partielle vers une région de faible pression partielle. Traversée des membranes par l’oxygène et le CO2 ne peut pas se faire sous forme de bulle de gaz : donc doivent être dissous dans une phase humide. Attention, il existe plusieurs unités pour les pressions partielles : 1 atm = 1,01325 bar = 101,325 kPa = 760 mmHg 1. Pressions partielles

Solubilité d’un gaz dans un liquide dépend: De la pression : entre l’air et une surface aqueuse Pression du gaz ds l’air > pression dans l’eau Les molécules de gaz se dissolvent dans l’eau Pression du gaz ds l’eau > pression dans l’air Les molécules quittent l’eau le passage des molécules de gaz de l’air à un liquide dépend de 3 facteurs: La différence de pression du gaz La solubilité du gaz La température (constante chez les mammifères) 1. Pressions partielles

2. Echanges gazeux respiratoires http://highered.mcgraw-hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::535::/sites/dl/free/0072921641/120106/anim0035.swf::Changes%20in%20the%20Partial%20Pressures%20of%20Oxygen%20and%20Carbon%20Dioxide

2. Echanges gazeux respiratoires Trajet des molécules d’O2 Lumière du capillaire Capillaire endothéliale Cellule Mb fibreuse endothéliale Cellule Alvéole surfactant Lumière de l’alvéole 2. Echanges gazeux respiratoires

Échanges au niveau des alvéoles 2. Echanges gazeux respiratoires

Échanges au niveau des tissus 2. Echanges gazeux respiratoires

2. Echanges gazeux respiratoires

O2 peu soluble dans l ’eau 3. Transport du dioxygène (O2) O2 peu soluble dans l ’eau ~ 2% de O2 transporté sous forme dissoute dans le sang Presque tout l’O2 (98%) se combine à l’hémoglobine (Hb) Hb + O2 HbO2 Si PO2 Hb + O2 HbO2 Si PO2  Hb + O2 HbO2

Les O2 fixés à l’hémoglobine n’exercent pas de pression partielle. Tant que l’hémoglobine n ’est pas saturée d’O2, la pression partielle en O2 du sang augmente peu. Tant que la pression de O2 demeure inférieure à celle des alvéoles ==> l’O2 continue de pénétrer dans le sang. 3. Transport du dioxygène (O2)

2 chaînes alpha et 2 chaînes beta 4 hèmes Hémoglobine: 2 chaînes alpha et 2 chaînes beta 4 hèmes Chaque hème contient un atome de Fe pouvant fixer un O2 Donc, chaque Hb peut fixer 4 O2 Hème Chaque globule rouge contient ~ 280 millions molécules d ’hémoglobines Dans le muscle, on trouve la myoglobine qui peut stocker 13% de L’O2 de l’organisme 3. Transport du dioxygène (O2)

Fixation de 1 O2 ==> facilite la fixation des 3 autres Libération de 1 O2 ==> facilite la libération des 3 autres  pH  affinité de O2 avec Hb  libération O2  activité  CO2  pH  libération O2 Affinité de Hb pour CO (monoxyde de carbone) est 200 fois plus élevée que pour O2. 50% Hb inactivé Mortel 0,1 % CO dans l ’air 0,2 % CO dans l ’air 3. Transport du dioxygène (O2)

Lié à Hb : ~ 23 % (carbhémoglobine) Ions bicarbonates (HCO3-) : ~ 70% 4. Transport du CO2 Dissout dans l’eau : ~7 % Lié à Hb : ~ 23 % (carbhémoglobine) Ions bicarbonates (HCO3-) : ~ 70% Contrôle du pH: Séquestration des H+ par l’hémoglobine

Leptonychotes Weddell 5. Adaptations Phoque de Weddel peut demeurer sous l’eau 1 heure. Contient deux fois plus d’O2 par kg que l ’humain. Chez humain : 36% O2 dans les poumons et 51% dans le sang. Chez le phoque : 5% O2 dans les poumons et 70% dans le sang. Phoque de Weddel Leptonychotes Weddell Le petit volume des poumons évite l’accumulation de N2 dans le sang pendant la plongée.

Adaptation à la plongée : Deux fois plus de sang par rapport à la masse que l ’humain. Rate énorme (24 L) : peut servir de réservoir de sang pendant la plongée. Myoglobine des muscles    ==> le phoque peut emmagasiner 25% de son O2 dans ses muscles (13% chez humain).  F cardiaque ==>  débit cardiaque pendant la plongée ==>  consommation d ’O2 par les tissus.  de l’irrigation des organes pendant la plongée SAUF cerveau, cœur, surrénales, yeux et placenta chez la femelle enceinte. Débit musculaire     pendant la plongée ( O2 de la myoglobine et ensuite fermentation) 5. Adaptations

FIN