La respiration, un acte vital, repose sur le fonctionnement harmonieux des voies respiratoires supérieures et inférieures. Comprendre leur anatomie et leur physiologie est essentiel pour appréhender comment l'oxygène parvient à nos cellules et comment le dioxyde de carbone est éliminé. Cet article explore en détail les composants et les mécanismes de ces voies, ainsi que leur régulation nerveuse.
Introduction à la Physiologie Respiratoire
La physiologie respiratoire se concentre sur l'étude du système respiratoire humain, en examinant comment nous inspirons et expirons l'air, et comment l'oxygène est échangé avec le dioxyde de carbone dans notre corps. Comprendre ces processus est essentiel pour analyser comment notre corps maintient les niveaux d'oxygène nécessaires à la vie.
Le Système Respiratoire et Son Fonctionnement
Le système respiratoire est composé de plusieurs structures clés, collaborant pour permettre la respiration et l'échange gazeux vital pour notre survie. L'air que vous respirez traverse un chemin bien défini avant d'atteindre les poumons pour cet échange précieux.
Les Principaux Composants de l'Appareil Respiratoire
Le système respiratoire se compose de plusieurs éléments cruciaux qui collaborent pour permettre la respiration :
Nez et Bouche: Point d'entrée de l'air, assurant le filtrage et l'humidification de l'air inspiré. Les deux fosses nasales sont des cavités qui s’étendent des narines jusqu’au nasopharynx et communiquent avec les sinus. Elles sont recouvertes d’une muqueuse tapissée de cils vibratiles qui permettent au mucus de circuler, éliminant ainsi les déchets et les bactéries. La bouche, également appelée cavité buccale ou cavité orale, est constituée des lèvres, des gencives, des dents, des joues, du palais, de la langue, et du plancher buccal. L’intérieur de la bouche est recouvert de la muqueuse buccale, tapissée de milliers de glandes salivaires accessoires.
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Pharynx: Passage pour l'air des narines vers la trachée et carrefour entre les voies aériennes supérieures et les voies digestives supérieures. Il mesure environ 13 centimètres et relie les fosses nasales au larynx et la cavité buccale à l’œsophage. Le pharynx est divisé en trois parties : le nasopharynx (lieu de passage de l’air, obstrué par la luette lors de la déglutition), l’oropharynx (communique avec la bouche et est un passage pour l’air et les aliments), et l’hypopharynx (zone la plus basse du pharynx).
Larynx: Conduit constitué de cartilages, abritant les cordes vocales. Il est situé à la partie médiane et antérieure du cou, au-dessus de la trachée. Les cordes vocales sont des replis muqueux ligamentaires et musculaires capables de vibrer et de produire un son au passage de l’air expiré.
Trachée: Conduit menant l'air aux bronches. Elle mesure une dizaine de centimètres de long et relie le larynx aux bronches. Son rôle est d'apporter de l'air filtré aux bronches lors de l'inspiration et d'éliminer l'air chargé de dioxyde de carbone lors de l'expiration.
Bronches: Distribuent l'air aux deux poumons. Les bronches sont les conduits amenant l’air de la trachée à chaque poumon.
Poumons: Sites principaux de l'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone. Les poumons de l'homme ont une forme de pyramide à base inférieure et sommet supérieur. Ils sont revêtus de la plèvre viscérale qui, en s'invaginant entre les lobes, constitue les scissures.
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Bronchioles et alvéoles: Les bronches sont les tubes plus grands, qui se divisent en tubes encore plus petits appelés bronchioles, aboutissant finalement aux alvéoles où se produit l'échange gazeux. Une alvéole pulmonaire est un petit sac à paroi mince, rempli d’air, situé à l’extrémité des bronchioles et au niveau desquelles se réalisent les échanges gazeux respiratoires. Les alvéoles sont enveloppées de capillaires sanguins pour maximiser l'échange de gaz.
Imaginez une série de tubes de plus en plus petits. Les bronches sont les tubes plus grands, qui se divisent en tubes encore plus petits appelés bronchioles, aboutissant finalement aux alvéoles où se produit l'échange gazeux.
Fonctions Clés du Système Respiratoire
Le système respiratoire exécute plusieurs fonctions essentielles :
- Aération des alvéoles: Permet l'entrée de l'air chargé d'oxygène dans les poumons.
- Échange gazeux: L'oxygène pénètre dans le sang et le dioxyde de carbone est expulsé.
- Régulation du pH sanguin: En contrôlant les niveaux de CO2, le système respiratoire maintient l'équilibre acido-basique.
- Protection contre les infections: Les cils et le mucus piègent et éliminent les particules inhalées.
- Respiration, déglutition, phonation (production de sons par la voix), et indirectement à l’audition (grâce à sa connexion à l’oreille).
Mécanismes de la Respiration
Les mécanismes de la respiration sont essentiels pour comprendre comment notre corps assure l'échange de gaz, crucial pour notre survie. Ce processus peut être décomposé en plusieurs étapes simples mais efficaces.
Inspiration : Le Processus d'Inhalation
L'inspiration est le processus d'entrée de l'air dans les poumons. Voici comment cela fonctionne :
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- Le diaphragme se contracte et descend, augmentant l'espace dans la cavité thoracique.
- Les muscles intercostaux externes se contractent, poussant les côtes vers l'extérieur.
- Ces actions augmentent le volume thoracique et diminuent la pression interne.
- L'air entre ainsi dans les poumons, poussé par la pression atmosphérique externe.
Lors d'un jogging, la respiration devient plus profonde. Cela illustre comment le corps utilise plus d'énergie pour augmenter la quantité d'air inhalé, répondant ainsi aux besoins accrus en oxygène.
La cage thoracique s'ouvre dans toutes ses dimensions lors de l'inspiration. Chaque segment osseux constituant la cage thoracique est uni à son voisin par un cartilage ou une articulation, ce qui permet au système d’avoir un certain degré de mobilité.
La cage thoracique est constituée en arrière par la colonne vertébrale dorsale (douze vertèbres) et en avant par le sternum. Latéralement le thorax est constitué par douze paires de côtes.
Le manubrium sternal, la pièce supérieure du sternum, peut se verticaliser en se déplaçant sa partie haute vers l’avant, augmentant ainsi le diamètre antéro-postérieur du thorax et donc le volume de la partie supérieure des poumons.
Au cours du mouvement d’inspiration, l’axe vertébral se redresse, effaçant la cyphose. Cette modification d’alignement des vertèbres étire les muscles prévertébraux, qui ont alors une contraction réflexe appelée réflexe myotatique.
Chaque côte s'articule en arrière sur la vertèbre thoracique correspondante en 2 endroits. L'orientation du segment costal compris entre les articulations costo-vertébrale et costo-transversale détermine la direction de l'axe de rotation de la côte.
À l'inspiration, les muscles inspirateurs (intercostaux externes) la font pivoter et elle se soulève alors jusqu'à l'horizontale. Ceci a pour conséquence d'ouvrir l'espace thoracique dans toutes ses dimensions.
Le diaphragme, en se contractant, abaisse son centre phrénique en repoussant les viscères abdominaux, tandis que la paroi abdominale et le périnée se distendent passivement sous l’effet de la poussée diaphragmatique.
Expiration : Le Processus d'Exhalation
L'expiration est le processus par lequel l'air est expulsé des poumons. Voici les étapes clés :
- Le diaphragme se relâche et remonte, diminuant l'espace dans la cavité thoracique.
- Les muscles intercostaux internes aident à ramener les côtes vers le centre du corps.
- Ces actions réduisent le volume thoracique et augmentent la pression interne.
- L'air est ainsi expulsé des poumons vers l'extérieur.
L'expiration est généralement un processus passif, mais peut devenir active lors d'une respiration rapide ou forcée, utilisant alors des muscles abdominaux supplémentaires.
Le Contrôle Neuronal de la Respiration
Le contrôle de la respiration est maintenu principalement par le système nerveux central. Voici comment cela se passe :
- Le centre respiratoire situé dans le tronc cérébral régule la fréquence respiratoire.
- Les chémorécepteurs détectent les niveaux de CO2 et d'O2 dans le sang.
- Une augmentation de CO2 accélère la respiration pour expulser le gaz.
- Les nerfs moteurs envoient des signaux aux muscles respiratoires pour moduler leur action.
Il est fascinant de noter que le rythme et l'efficacité de la respiration peuvent être influencés par des états émotionnels et des facteurs physiologiques externes, tels que l'anxiété ou l'altitude. Cela montre la complexité et l'adaptabilité du système respiratoire humain.
Régulation Nerveuse de la Respiration
La régulation nerveuse de la respiration est un aspect crucial de la physiologie respiratoire. Ce processus est principalement géré par notre système nerveux central, qui garantit l'ajustement de notre rythme respiratoire en fonction des besoins métaboliques du corps.
Le Centre Respiratoire
Le rôle du centre respiratoire est essentiel :
- Situé dans le tronc cérébral, il est divisé en plusieurs groupes neuronaux.
- Coordonne le mouvement des muscles respiratoires.
- S'assure de la cohérence entre l'inspiration et l'expiration.
Ces centres ajustent la fréquence et l'amplitude respiratoire basées sur les signaux chimiques et neurologiques reçus du corps.
Lors d'un entraînement intense, le centre respiratoire détecte une hausse du dioxyde de carbone dans le sang. Pour y remédier, il augmente le rythme respiratoire afin de compenser cette accumulation.
Le tronc cérébral régule non seulement la respiration, mais aussi d'autres fonctions automatiques comme le rythme cardiaque. Les centres respiratoires comprennent le tronc cérébral et la région bulbaire. Ils stimulent de manière rythmique les motoneurones situés dans la corne antérieur de la moelle. Ils sont autonomes et peuvent fonctionner sans afférences, ce sont de véritables « pacemaker » de la fonction respiratoire.
Rôle des Chémorécepteurs
Les chémorécepteurs sont essentiels pour ajuster la ventilation pulmonaire :
- Situés dans les grosses artères et le tronc cérébral.
- Détectent les variations des niveaux de CO2, O2 et du pH sanguin.
- Influencent le centre respiratoire, augmentant ou diminuant la profondeur et la fréquence de la respiration.
Les chémorécepteurs périphériques, situés dans les corps carotidiens et aortiques, sont particulièrement sensibles aux baisses de l'oxygène sanguin. En revanche, les chémorécepteurs centraux, présents dans le tronc cérébral, répondent principalement aux variations en CO2 et en pH.
Réflexes et Régulation Respiratoire
Des réflexes interviennent également dans la régulation respiratoire :
- Réflexe d'Hering-Breuer: Protège les poumons contre l'hyperinflation.
- Toux et éternuement: Réponses protectrices pour expulser des irritants.
Ces réflexes participent à l'ajustement permanent du volume et du rythme respiratoire en fonction de l'environnement et de l'état interne du corps.
Ventilation et Échanges Gazeux
La ventilation est l'ensemble des phénomènes qui permettent les échanges gazeux entre les cellules de l'organisme et l'air extérieur. L'objectif est de permettre le transfert de l'O2 de l'air atmosphérique aux cellules et le transfert du CO2 des cellules vers l'air atmosphérique.
Convection Ventilatoire
La convection ventilatoire est un mouvement de va-et-vient de gaz, dans un système en cul-de-sac grâce à la ventilation pulmonaire. Il y a transport conventionnel d'O2 et de CO2 du milieu atmosphérique au milieu alvéolaire et vice-versa.
La ventilation utile est la ventilation alvéolaire (VA). Une partie de la ventilation, « celle qui balaie les voies aériennes (trachée, bronches, bronchioles) », n'est pas utile au transfert des gaz respiratoires dans le sang, c'est l'espace mort. Chez l'adulte sain il vaut environ 150 ml. Dans certaines circonstances l'espace mort physiologique peut être plus grand que l'espace mort anatomique, ce sont les cas où il existe des alvéoles qui sont ventilées mais pas perfusées.
Diffusion Alvéolo-Capillaire Pulmonaire
Dans le poumon les gaz diffusent passivement du milieu alvéolaire vers le sang capillaire pulmonaire et du sang capillaire vers le milieu alvéolaire. Le sang ainsi enrichit en O2 quand les échanges ont lieu des alvéoles vers le sang capillaire, est du sang veineux qui s'artérialise.
Cependant, la barrière alvéolo-capillaire offre une résistance au passage au des gaz respiratoires. Cette résistance se définit par la capacité de diffusion pulmonaire (DL).
Convection Circulatoire
La circulation systémique assure le transport des gaz respiratoires physiquement dissous (donne ainsi la notion de pression partielle d'un gaz) ; mais ces gaz respiratoires sont aussi chimiquement liés dans le sang (à l'hémoglobine par exemple).
La pression partielle d'un gaz dans une phase liquide est la pression partielle d'un gaz dans une phase gazeuse avec laquelle la phase liquide serait en équilibre. Lorsqu'un gaz est uniquement physiquement dissous dans une phase liquide, il existe une relation linéaire entre concentration (C) et pression partielle (P) en phase liquide, la pente de cette relation linéaire définit le coefficient de solubilité (a) de ce gaz dans la phase liquide considérée : C = a P.
Pour l'oxygène, l'O2 dissous ne représente que 1 à 2% de l'O2 transporté par le sang. Il augmente néanmoins linéairement avec la pression partielle d'O2 [O2dissous (mL/100 mL) = 0.003 x PO2 (mmHg)]. Dans les conditions normales, la quantité d'O2 dissous reste négligeable par rapport à l'O2 combiné à l'Hb. Son rôle physiologique reste important dans les échanges tissulaire et pulmonaire d'O2. Sous oxygène pur, l'O2 dissous peut atteindre 2mL/100 mL et 2 à 3 fois plus sous oxygénothérapie hyperbare, quantités suffisantes pour permettre la vie en l'absence d'Hb.
Lorsque les gaz sont non seulement dissous physiquement mais aussi liés chimiquement dans la phase liquide, comme c'est le cas pour l'O2 et le CO2 dans le sang, la relation entre C et P est alinéaire et est décrite sous le terme de courbe de dissociation.
Diffusion Capillaires Périphériques - Tissus
Dans les capillaires périphériques les gaz diffusent passivement du sang vers les tissus et des tissus vers le sang capillaire périphérique. La composition du sang capillaire change ainsi progressivement de l'extrémité artérielle à l'extrémité veineuse des capillaires en fonction de paramètres physicochimiques. Donc, dans les tissus, le sang passe de l'état artériel à l'état veineux.
Le mélange des sangs veineux en provenance de tous les organes n'est complet que dans l'artère pulmonaire où le sang est dit "sang veineux mêlé". La qualité du sang capillaire, dans son extrémité artérielle, en terme de taux d'hémoglobine saturée est appréciée par « monitoring » de la saturation en O2.
La courbe de dissociation de l'hémoglobine montre la relation entre le taux d'hémoglobine saturée en O2 (en %) et la pression artériolocapillaire en O2 (en mmHg).
L'Hémoglobine (Hb)
L'hémoglobine (Hb) est une protéine de poids moléculaire de 64500, formée de 4 chaînes polypeptidiques (2 chaînes a et 2 chaînes b pour l'HbA). Chaque chaîne porte un atome de fer Fe 2+ au centre d'un noyau porphyrinique, l'hème, capable de fixer réversiblement l'O2 pour donner l'oxyhémoglobine (HbO2). Une molécule d'Hb peut donc fixer 4 molécules d'O2.
Affinité de l'Hb pour l'O2
L'affinité de l'Hb pour l'O2, c'est-à-dire « l'avidité » de l'Hb à capter ou à relâcher une molécule d'O2, dépend de plusieurs facteurs : pH, CO2 et 2,3-diphosphoglycérate (2,3-DPG).
- Effet Bohr ou effet des ions H+: la fixation d'O2 sur l'Hb s'accompagne de la libération d'ions H+ (HbO2 + H + ) alors que la libération d'O2 s'accompagne d'une captation d'ions H+ par l'Hb ( HbH + + O2). L'acidose ou l'augmentation de la concentration sanguine en ions H+, provoque une diminution de l'affinité de l'O 2 pour l'Hb, l'alcalose à l'effet inverse. La libération d'O2 par l'Hb vers les tissus (HbO2 ? Hb + O2) donne ainsi une désoxy-Hb (Hb) qui peut alors capter les ions H+. C'est l'effet tampon de l'Hb, (HbH + ).
- Effet du CO2: L'élévation de la PCO2 ou condition d'hypercapnie, aboutit à la baisse du pH induite par la formation de CO3H2 car par réaction enzymatique (action de l'Anhydrase carbonique) on obtient de manière résumé: CO3H2 ?CO2 + H + , où CO2 est éliminé par l'échangeur pulmonaire et H + est tamponné par l'Hb puis éliminé par les reins.
- Effet du 2,3-DPG: Le 2-3 DPG est un composé presque exclusivement érythrocytaire (issu de la voie de la glycolyse par une enzyme spécifique) qui diminue l'affinité de l'Hb pour l'O2. Il en résulte un effet favorable à la délivrance de l'O2 vers les tissus, mais défavorable à la fixation de l'O2 à l'Hb au niveau des capillaires pulmonaires. La synthèse de 2,3-DPG est généralement augmentée en situation d'hypoxémies chroniques, d'alcalose, de désaturation de l'Hb et d'anémie.
Production de Carbamates
Le CO 2 peut se fixer sur des radicaux NH 2, N-terminaux de l'Hb et plus accessoirement des protéines plasmatiques [Hb-NH 2 + CO 2 ? Hb-NH-COO - + H + ] aboutissant à la formation de carbamates (Hb-NH-COO - ) et d'ions H + . Cette libération d'ions H + , est dénommée « anti-Bohr » ou encore effet « Rossi-Bernardi ». Cette synthèse, indépendante de la PaCO 2 , augmente avec le pH et la désaturation de l'Hb et elle est inhibée par le 2-3 DPG. Son rôle physiologique dans le transport du CO 2 reste toutefois mineur.
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