PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATION Frédéric SCHNELL Introduction Mécanique ventilatoire Échanges gazeux pulmonaires Transport des gaz respiratoires (oxygène et CO2) par le sang Régulation de la ventilation
Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux 4. Rapport ventilation / perfusion
1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale Ventilation totale (L / min) V = VC x F VC = volume courant F = fréquence respiratoire Ventilation alvéolaire (L / min) V alvéole = (VC VD) x F VC = volume courant VD = volume mort anatomique F = fréquence respiratoire Sujet sain au repos V totale = 16 x 0.5L = 8 L/min V alvéole = 16 x (0.5 0.150) = 5.6 L/min V alvéole / V totale = 0.7
1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale Remarque 1 plus efficace de respirer lentement avec grand volume courant VC = 0.5 L VD = 0.15 L F = 16 >>> V alvéole = 0.35 L x 16 = 5.6 L/min VC = 0.25 L VD = 0.15 L F = 32 VC = 1L VD = 0.15 L F = 8 >>> V alvéole = 0.10 L x 32 = 3.2 L/min >>> V alvéole = 0.85 L x 8 = 6.8 L/min Remarque 2 se méfier de ce qui augmente le VD!!!
1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale Remarque 3 seulement ~10% de l air alvéolaire est renouvellé à chaque cycle ventilatoire: car VC-VD = 0.35 L / 3L totaux VRI VRE Volume Temps Espace mort VD = 0.15 L Poumons = alvéoles = 3 L (=VRI, fin d inspiration normale) CRF = 2.5 L dont VR = 1.2 L VC = 0.5 L
1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale Remarque 4 L air expiré n est pas de l air alvéolaire : il est mélangé avec de l air de l espace mort donc il est moins chargé en CO2 et plus chargé en O2 que l air alvéolaire
Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux 4. Rapport ventilation / perfusion
2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires Gaz inspiré Sang Artère Pulmonaire Poumons = Échangeur? Gaz expiré Sang Veines Pulmonaires Comparaison des valeurs des gaz de l air inspiré et expiré Comparaison des valeurs des gaz du sang artériel et veineux
Comparaison des valeurs des gaz de l air inspiré et expiré Méthodes: recueil des gaz dans un sac en caoutchouc analyse des gaz F O2 F CO2 F N2 Gaz inspiré 21 % 0.03 % 78.9 % Gaz Expiré 17 % Saturé vapeur d eau 3.3 % Saturé vapeur d eau 79.7 % Saturé vapeur d eau Il y a bien eu échange au niveau des poumons
Le gaz alvéolaire a une composition très différente!!! F O2 F CO2 F N2 F H2O Gaz inspiré 21 % 0.03 % 78.9 % 0.46% Gaz Expiré 17 % 3.3 % 79.7 % 6.2% Gaz alvéolaire 13.7 % 5.2 % 74.9 % 6.2%
Comparaison des valeurs des gaz du sang artériel et veineux En ml pour 100 ml de sang O 2 C O2 N 2 C v Artère pulmonaire Sang veineux mêlé C a Veines pulmonaires Sang oxygéné 15 ml 53 ml 1 ml 20 ml 49 ml 1 ml
Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux a. Rappel sur la notion de pression partielle b. Echanges alvéolo-capillaires 4. Rapport ventilation / perfusion
Gaz inspiré Sang Artère Pulmonaire Poumons = échangeur Gaz expiré Sang Veines Pulmonaires Quels sont les mécanismes de l échange? Pressions partielles des gaz dans les milieux considérés air alvéolaire & sang >>> Mécanisme physique de diffusion libre par gradient de pression
Physiologie de la respiration 2 ème partie Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux a. Rappel sur la notion de pression partielle b. Échanges alvéolo-capillaires 4. Rapport ventilation / perfusion
a. Rappel sur la notion de pressions partielles Les pressions partielles se calculent avec la loi de Dalton * les fractions en gaz de l air * la pression atmosphérique Au niveau de la mer, pression atmosphérique = 760 mm Hg: Pression partielle en oxygène de l air inspiré P I O2 = 760 x 0.21 = 160 mm Hg Pression partielle en oxygène de l air alvéolaire P AO2 = 760 x 0.137 = 104 mm Hg Pression partielle en CO2 de l air inspiré P ICO2 = 760 x 0.0003 = 0.25 mm Hg Pression partielle en CO2 de l air alvéolaire P ACO2 = 760 x 0.052 = 40 mm Hg Pressions efficaces pour les échanges gazeux dans l alvéole
En altitude, la pression atmosphérique chute : à 5000m, elle est de 400 mmhg P IO2 = 400 x 0.21 = 84 mm Hg P AO2 = 400 x 0.137 = 55 mm Hg & Diminution de moitié de la pression partielle en oxygène alvéolaire
Résumé Pressions partielles (0 m altitude) O2 CO2 air inspiré 160 mm Hg 0.25 mm Hg air alvéolaire 100 mm Hg 40 mm Hg
Pressions partielles en gaz du sang de l artère et des veines pulmonaires (Mesurées par tonométrie) O 2 CO 2 P a (mmhg) Veines pulmonaires et aorte P v (mmhg) Artère pulmonaire (veineux mêlé) 95-100 40 40 45 P a P v 60-5
Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux a. Rappel sur la notion de pression partielle b. Échanges alvéolo-capillaires a. La membrane alvéolo-capillaire b. Capacité de diffusion / transfert c. Diffusion alvéolo-capillaire 4. Rapport ventilation / perfusion
a. La membrane alvéolo-capillaire
b. Capacité de diffusion / transfert pulmonaire des gaz respiratoires Loi de Henry (1): Quand un mélange de gaz est en contact avec un liquide, chaque gaz se dissout dans le liquide en proportion de sa pression partielle: >>> plus un gaz est concentré dans le mélange gazeux, plus il se dissout en grande quantité. Si la pression partielle du gaz est plus grande dans le liquide que dans le mélange gazeux, une partie des molécules de gaz dissoutes passe dans le mélange gazeux. Dans les alvéoles pulmonaires Chaque gaz, O 2 ou CO 2, passe des alvéoles vers le sang ou l inverse en fonction du gradient de sa pression partielle entre les deux cotés
b. Capacité de diffusion / transfert pulmonaire des gaz respiratoires Loi de Henry (2): Le volume de gaz qui se dissout dans un liquide à une pression partielle donnée dépend aussi de la solubilité du gaz dans le liquide et de la température du liquide. Solubilités O 2 = 0.023 ml / ml de liquide CO 2 = 0.47 ml / ml de liquide L azote est quasi insoluble
b. Capacité de diffusion / transfert pulmonaire des gaz respiratoires Solubilités O 2 : 0.023 ml / 1 ml CO 2 : 0.47 ml / 1 ml Capacité de diffusion Capacités de diffusion O 2 20 30 ml / min / mm Hg CO 2 400 ml / min / mm Hg Le CO 2 diffuse beaucoup plus vite / unité de pression que l O 2 mais les gradients de pression sont très : 60 mm Hg / O 2 ; 5 mmhg / CO 2 et les deux gaz diffusent à une vitesse du même ordre de grandeur
d. Diffusion alvéolo-capillaire Oxygénation du sang dans les capillaires Le sang est oxygéné en 0.25 s, 1/3 du temps qu un érythrocyte passe dans un capillaire pulmonaire De même pour le CO2 qui est épuré dans le même temps (0.25 s) x L écoulement sanguin dans les capillaires pulmonaires peut se faire 3 fois plus vite sans que l oxygénation du sang en soit affectée
d. Diffusion alvéolo-capillaire Versant veineux (Artère pulmonaire) Versant artériel (Veines pulmonaires)
Physiologie de la respiration 2 ème partie Les échanges gazeux pulmonaires 1. Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux 4. Couplage ventilation / perfusion 1. Artérialisation du sang capillaire
Diffusion alvéolo-capillaire Artérialisation du sang capillaire Dépend de V A (ventilation alvéolaire) de Q cap ( débit sanguin capillaire) Il faut un couplage entre la ventilation et le débit sanguin capillaire
Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la perfusion Effet de la gravité 20 fois plus de perfusion à la base qu au sommet des poumons
Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la ventilation Pression IntraPleurale négative à la base : favorise un volume pulmonaire + grand à la base Alvéoles + petites et + distensibles (compliantes) à la base Base Sommet 2 fois plus de ventilation à la base qu au sommet des poumons
Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la perfusion et de la ventilation Le rapport V A / Q CAP n est pas identique dans tout le poumon Le rapport ventilation / perfusion est 3 fois plus important au sommet qu à la base des poumons Base Sommet Le rapport idéal de 1 se trouve donc dans la partie médiane des poumons
Dans un poumon pathologique, il peut y avoir des shunts dans la circulation ou une augmentation de l espace mort L artérialisation est moins bonne car Ø des alvéoles ne sont pas ventilées: ex obstruction bronchique Ø des capillaires sont obstrués: ex embolie pulmonaire
Adaptations locales à un défaut de couplage ventilation - perfusion Si alvéoles mal ventilées >>> PO 2 faible >>> les artérioles pulmonaires se contractent >>> le sang est dévié vers des alvéoles où la PO2 est élevée et l oxygénation peut se faire efficacement Dans alvéoles très bien ventilées >>> PO 2 forte >>> les artérioles pulmonaires se dilatent >>> l écoulement sanguin augmente
Adaptations locales à un défaut de couplage ventilation - perfusion Adaptation à la PO2
Adaptations locales à un défaut de couplage ventilation - perfusion Adaptation à la PCO 2 Les variations de PCO 2 influent sur le diamètre des bronchioles Les conduits (bronchioles) desservant des régions où la PCO 2 est forte se dilatent et le CO 2 peut s éliminer plus facilement Inversement, les conduits desservant les régions où la PCO 2 est faible se contractent
Adaptations locales à un défaut de couplage ventilation - perfusion Ces adaptations font que ventilation et perfusion sont synchronisées q Mais, l équilibre n est jamais parfait v Anastomoses entre veines bronchiques et pulmonaires abaissent un peu la PO 2 v Effets de la gravité / effet du rapport perfusion / ventilation non équivalents entre les différentes régions des poumons v Présence occasionnelle de mucus dans les conduits alvéolaires PO 2 alvéolaire = 104 mm Hg PO 2 veines pulmonaires = 95 100 mm Hg