Activités. L appareil respiratoire. Introduction aux activités Nous connaissons le rôle du sang dans le transport des gaz de la respiration

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1 1 FONCTIONS DE NUTRITION L appareil respiratoire Activités Introduction aux activités Nous connaissons le rôle du sang dans le transport des gaz de la respiration (O 2 et CO 2 ). C est l appareil respiratoire qui permet les échanges gazeux entre le sang et l air. Quelle est son organisation anatomique? L étude histologique de ses principaux organes permet de mieux comprendre son efficacité ainsi que certains de ses dysfonctionnements. Activité 1 Exercice pratique : analyse du fonctionnement de l appareil respiratoire Étape 1 L appareil respiratoire fonctionne de manière très discrète en eupnée, c est le cas lorsque vous êtes au repos, calme et détendu(e). Placez-vous dans ces conditions pour compter le nombre de cycles respiratoires que vous enchaînez sur une période de 30 secondes. Calculez votre fréquence respiratoire (nombre de cycles par minute). Concentrez ensuite votre attention sur une inspiration, que vous pourrez prolonger volontairement (inspiration forcée), et identifiez les phénomènes mécaniques à l origine de l entrée d air dans l appareil respiratoire. Faites de même pour une expiration. Vocabulaire «pnée» Respiration «ox ou oxy ou oxygéno» Oxygène «eu»complet ou bon fonctionnement spirométrie Technique permettant la mesure des volumes d air inspirés et expirés au cours du temps Étape 2 Après une période d eupnée, bloquez votre respiration pendant environ 30 secondes. Notez vos impressions durant cette apnée et analysez les modifications de la respiration qui lui font suite. Évitez de prolonger l apnée: elle entraîne une hypoxémie et une hypoxie qui se manifestent en premier lieu par des confusions mentales et une altération des capacités de raisonnement. Étape 3 Réalisez le même test d apnée, mais après une période d activité physique (par exemple 10 flexions rapides des genoux en position debout) et après une période de polypnée. Questions 1 Avant de passer aux exercices pratiques, définir les termes en gras (étapes 1, 2 et 3). 2 Justifier les effets de l hypoxie mentionnés à l étape 2. 3 Analyser l enregistrement spirométrique de la figure 1, réalisé chez une jeune femme : identifier une inspiration et une expiration ; donner les caractéristiques (durée et volume d air mis en jeu) d un cycle respiratoire dans le cas de la respiration calme et dans le cas de la respiration forcée. 4 Que peut-on déduire à la fin de l étape 3? Volume d air mis en jeu (L) La turbine du spiromètre permet de mesurer les flux d air entrant dans les poumons (courbe ascendante) et en sortant. 0 Temps (s) figure 1 Enregistrement spirométrique 8 Partie 5 Respiration

2 Activité 2 L appareil respiratoire dans son environnement thoracique figure 2 Radiographie du thorax d un individu bien portant La figure 2 est une image de radiographie classique, observée sur un négatoscope. La figure 3 est une bronchographie, réalisée après utilisation d un liquide opaque aux rayons X (image de radiographie numérique). figure 3 Bronchographie Questions 1 Donner le principe de la radiographie et analyser le cliché de la figure 2. Indiquer l intérêt de l utilisation du liquide opaque aux RX dans le cas de l étude des bronches. 2 Compléter les annotations de la figure 4 en identifiant les légendes de 1 à 8. 3 Utiliser les documents fournis pour décrire l organisation de la partie intrathoracique de l appareil respiratoire. 4 Préciser les relations vasculaires de l appareil respiratoire avec le cœur Corps vertébral Œsophage Côte Veine cave Aorte Péricarde Cœur Sternum Artère pulmonaire (tronc commun) figure 4 Schématisation d une coupe fictive du thorax réalisée par un scanner chapitre 1 L appareil respiratoire 9

3 Activité 3 Histologie de l appareil respiratoire Donnée 1 La trachée et les bronches possèdent un plan d organisation commun figure 6 Coupe de paroi trachéale ( 20 env.) Face postérieure Œsophage Muscle trachéal Épithélium de la muqueuse Muqueuse Sous-muqueuse glandulaire Lumière de la trachée Face antérieure figure 5 Schéma de coupe de trachée 10 figure 7 Détail de la muqueuse trachéale ( 200 env.) Partie 5 Respiration Cartilage hyalin Adventice

4 Donnée 2 Les petites bronches et les bronchioles (moins de 2 mm de diamètre) sont situées dans le parenchyme pulmonaire. Bronchiole Air figure 9 Parenchyme pulmonaire en MEB ( 50 env.) Fibres musculaires Sang non hématosé figure 8 Coupe de poumon ( 50 env.) Donnée 3 Le parenchyme pulmonaire, qui représente 85 % du volume des poumons, comporte environ 87 % d air et 13 % de tissus. Questions 1 Identifier les tissus repérés par les différentes légendes sur la figure 6 et préciser leurs fonctions spécifiques. 2 Après avoir analysé les documents 5, 6 et 7, établir une relation entre l histologie de la trachée et des bronches et leurs fonctions principales : assurer la circulation de l air jusqu aux zones d échanges du poumon et contribuer à l épuration de l air inspiré. 3 Analyser la microphotographie (figure 8) et identifier les structures entourées. Ces structures sont nombreuses sur une coupe de poumon et sont toujours associées ou très proches l une de l autre. Que peut-on en déduire? 4 Les fibres musculaires lisses étant disposées de manière concentrique, prévoir les effets d un niveau de contraction excessif de ces fibres. Justifier le terme dyspnée utilisé pour qualifier les troubles observés. 5 Utiliser la figure 9 pour préciser la structure du parenchyme pulmonaire. En particulier, localiser et décrire les alvéoles pulmonaires. Comment évoluent les alvéoles pulmonaires au cours de l inspiration et au cours de l expiration? 6 Donner les principales caractéristiques histologiques de la paroi alvéolaire et expliquer son aptitude à assurer le transfert efficace des gaz respiratoires. figure 10 Détail de la paroi alvéolaire ( env.) en MET colorisé La figure 10 révèle l organisation cellulaire de la paroi alvéolaire, les capillaires sont colorisés en rose. Les flèches vertes font apparaître des noyaux de cellules endothéliales capillaires, les flèches orange repèrent des noyaux de pneumocytes. chapitre 1 L appareil respiratoire 11

5 1 FONCTIONS DE NUTRITION L appareil respiratoire Cours L appareil respiratoire permet l hématose, c est-à-dire la transformation du sang pauvre en O 2 et riche en CO 2, provenant des veines de la circulation générale, en un sang riche en O 2 et pauvre en CO 2, qui sera distribué aux tissus par les artères de la circulation générale. C est au niveau des poumons qu ont lieu les échanges gazeux entre le sang et l air. Organisation de l appareil respiratoire 1. Schéma général Nez Luette Bouche Épiglotte Cavité pleurale Fosses nasales Pharynx Larynx Trachée Bronches souches (droite et gauche) Voies respiratoires extrapulmonaires Plèvre Feuillet pariétal Feuillet viscéral Poumon gauche (2 lobes) Côte Cloison interlobaire Muscles intercostaux Diaphragme Bronches lobaires Parenchyme pulmonaire Bronchioles Poumons figure 11 Appareil respiratoire 2. Principales caractéristiques anatomo-fonctionnelles Les voies respiratoires sont des conduits permettant le libre passage de l air ambiant jusqu aux zones d échanges des poumons. On distingue la partie extrapulmonaire, avec des conduits de forte section, et la partie intrapulmonaire, qui se ramifie progressivement, d où son appellation d «arbre bronchique». Les voies respiratoires permettent également de réchauffer, d humidifier et d épurer l air inspiré. 12 Partie 5 Respiration

6 La figure 12 montre l anatomie des poumons en place. La cage thoracique héberge les deux poumons et les organes du médiastin, avec en particulier le cœur situé à gauche par rapport à l axe médian. Chaque poumon est divisé en lobes, trois pour le droit, deux pour le gauche. Chaque lobe est segmenté par des cloisons conjonctives élastiques. Les poumons sont des organes élastiques de texture spongieuse et de faible densité car emplis d air. Ils sont maintenus en extension grâce aux plèvres. figure 12 Radiographie numérique du thorax de face Les plèvres rendent les poumons solidaires des mouvements de la cage thoracique. Le feuillet pariétal adhère à la paroi thoracique, le feuillet viscéral adhère aux poumons. Entre les deux feuillets, le liquide pleural, en couche très mince, facilite le glissement des feuillets et empêche leur séparation. Lors de l expiration, le volume de la cage thoracique diminue et les poumons se vident d une partie de l air qu ils contiennent. Lors de l inspiration, la contraction des muscles inspiratoires augmente le volume de la cage thoracique, et de l air entre dans les poumons. Le volume pulmonaire peut ainsi varier de 1,2 L à 5 L chez une femme de corpulence moyenne. La succession des cycles respiratoires expiration-inspiration assure la ventilation pulmonaire, qui se traduit par le renouvellement de l air alvéolaire qui participe aux échanges gazeux avec le sang. Paroi thoracique (côtes + muscles) Plèvre Feuillet pariétal Feuillet viscéral Diaphragme (muscle) Sortie d air Cœur Expiration Entrée d air Cœur Inspiration figure 13 Évolution de la cage thoracique lors d un cycle respiratoire Trachée (rigide) Poumons (élastiques) Liquide pleural chapitre 1 L appareil respiratoire 13

7 Artère pulmonaire droite Artère aorte Oreillette gauche Ventricule droit Myocarde figure 14 Relations vasculaires cœur-poumons Trachée Bronch gauche Artères lobaires Veines pulmonaires Parenchyme pulmonaire (zone des échanges) Les poumons font partie de la circulation pulmonaire, ou petite circulation. Chaque poumon reçoit du sang non hématosé, en provenance du ventricule droit, par une artère pulmonaire. Après hématose au niveau du parenchyme pulmonaire, ce sang parvient dans l oreillette gauche par deux veines pulmonaires. Le parenchyme pulmonaire est la zone fonctionnelle du poumon. Il comporte des alvéoles dont la paroi est riche en capillaires sanguins. Bronchiole terminale 500 µm Bronchioles respiratoires figure 15 Zones d échanges entre l air et le sang Alvéoles Veinule Artériole Réseau de capillaires alvéolaires Les conduits aériens (bronches, bronchioles) se ramifient de manière dichotomique en formant l arbre bronchique. Les bronchioles terminales se subdivisent en bronchioles respiratoires qui comportent des alvéoles. Les alvéoles deviennent si nombreuses que le conduit bronchique se transforme en canal alvéolaire. Histologie des voies respiratoires et de la barrière alvéolo-capillaire 1. La trachée et les bronches 2 mm Bronche moyenne Air figure 16 Histologie des bronches Muscles Cartilage Muqueuse Muscles de Reissessen Glande Sous-muqueuse La trachée ( figures 5, 6 et 7) et les bronches présentent des caractéristiques histologiques expliquant leur faible résistance au passage de l air : un anneau cartilagineux, plus ou moins complet, qui maintient le conduit béant ; du tissu conjonctif fibreux (sous-muqeuse), qui le rigidifie ; une tunique de fibres musculaires lisses, discontinue, disposée en spirale : les muscles de Reissessen ; une muqueuse riche en fibres élastiques. Quand le diamètre des bronches diminue, les éléments de cartilage perdent de l importance, les muscles de Reissessen en gagnent. 14 Partie 5 Respiration

8 La muqueuse des voies respiratoires a une fonction protectrice. Elle épure l air inspiré de ses particules en suspension (poussières, bactéries ), empêchant leur accumulation au niveau du parenchyme pulmonaire. Les particules se collent sur les sécrétions bronchiques, riches en mucus, puis sont entraînées par un véritable «escalator ciliaire». Le battement coordonné des cils crée un courant de mucus (vitesse moyenne : 1 cm/minute) qui les fait remonter vers le pharynx où elles seront dégluties. Les sécrétions bronchiques comportent des molécules antibactériennes, contribuant à limiter le risque d infection. Au niveau des bronchioles (diamètre inférieur à 2 mm), le cartilage a disparu, la gaine de tissu conjonctif fibreux maintient le conduit ouvert. Les muscles de Reissessen, en couche continue épaisse, sont prépondérants dans la paroi. Ces muscles permettent de contrôler la résistance opposée à l air inspiré et contribuent à faciliter l expiration. Plus la section des bronchioles diminue, plus leur paroi devient fine (disparition des fibres de Reissessen). Les cellules à mucus et les ciliées disparaissent progressivement de la muqueuse, laissant place à un épithélium respiratoire (bronchioles respiratoires). Muqueuse figure 17 La muqueuse bronchique 0,5 mm Bronchiole Cellule ciliée Sécrétions bronchiques Cellule à mucus Élastine Vaisseau sanguin Glande Fibres musculaires (muscles de Reissessen) Tissu conjonctif fibreux Muqueuse élastique Muscles de Reissessen Alvéole figure 18 Coupe de bronchiole 2. Barrière alvéolo-capillaire La paroi des alvéoles représente une surface d environ 80 m 2 pour les deux poumons. Elle est composée d une fine muqueuse. L épithélium alvéolaire comprend : les pneumocytes I ou membraneux : cellules constituant une mince barrière cellulaire qui recouvre 90 % de la surface des alvéoles ; les pneumocytes II ou granuleux : grandes cellules avec des microvillosités, très actives. Elles sécrètent le surfactant, liquide riche en phospholipides, qui possède des propriétés tensioactives (comme le savon). Le surfactant stabilise les alvéoles en position ouverte et réduit ainsi le travail respiratoire. Le tissu conjonctif interstitiel a deux caractéristiques : richesse en fibres élastiques (élasticité du poumon) ; abondance de capillaires sanguins. On estime que la surface d échange air-sang représente 10 à 30 % de la surface alvéolaire. La barrière alvéolo-capillaire est très favorable aux échanges respiratoires (grande surface, faible épaisseur). C est aussi une zone très fragile, d où l importance des systèmes épurateurs d air au niveau des voies respiratoires et la présence de macrophages qui se déplacent à la surface des alvéoles, au niveau du surfactant. Air Air Paroi alvéolaire (5 à 10 µm) Couche de surfactant Pneumocyte II Tissu conjonctif riche en fibres d élastine Prolongement cytoplasmique Pneumocyte I (épithélium alvéolaire) Cellule endothéliale (capillaire sanguin) figure 19 Histologie de la paroi alvéolaire chapitre 1 L appareil respiratoire 15