A quoi sert la respiration ?
La respiration a un seul objectif : amener l’O2 de l’extérieur vers l’intérieur.

A quoi servent les poumons ?
Les poumons sont une interface entre un milieu extérieur et un milieu intérieur, entre un milieu aérien et un milieu liquidien, entre l’air et le sang.

Quel est le lien entre l’O2 et la vie ?
L’O2 permet à chaque cellule de l’organisme d’avoir un métabolisme et de fonctionner.

L’existence de la vie dépend de l’existence d’une atmosphère avec de l’O2. Pour cela, il faut une température permettant à l’eau d’être sous forme liquide (et non pas en vapeur d’eau) et une gravité de la planète suffisante pour retenir cette atmosphère.

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “Comprendre la respiration” et “Sans oxygène point de vie” de l’Université catholique de Louvain

L’anatomie respiratoire : de la bouche aux alvéoles pulmonaires

A chaque structure anatomique correspond un rôle précis

Voies aériennes supérieures (VAS) : nez, bouche, pharyx et larynx.
La respiration peut se faire par voie nasale ou bucconasale.
Le nez a pour fonction de réchauffer et d’humidifier l’air, de filtrer, empêchant l’inhalation de grosse particules Le larynx constitue un carrefour aéro-digestif.

Voies aériennes inférieure (VAI) : Les bronches se subdivisent 16 fois puis deviennent des bronchioles qui se subdivisent jusqu’aux alvéoles.

L’espace mort anatomique
Il correspond aux 16 premières divisions qui constituent une zone de conduction de l’air entre l’extérieur et l’intérieur mais ne participe pas aux échanges gazeux.

Entre l’alvéole et le sang
L’espace alvéolaire est tapissé par des pneumocytes. Ils sont recouverts d’un liquide, un peu comme un liquide vaisselle, qu’on appelle surfactant qui ont un rôle de protection et qui aide les alvéoles à bien bouger avec les mouvements respiratoires. L’air et l’O2 n’ont qu’à traverser le pneumocyte pour être captés dans le vaisseau sanguin qui est bordé par une cellule appelé endothélium. C’est dans ce capillaire qu’il y a les globules rouges qui se faufillent dans cet étroit passage.

La circulation pulmonaire

Les artères pulmonaires
Elles suivent le trajet des bronches et des bronchioles de façon parallèle. Ces artères vont à la rencontre des alvéoles pour être rechargée en O2 et prendre et prendre une couleur rouge qui est la couleur du sang riche en O2.

Les veines pulmonaires
Elles se jettent dans l’oreillette gauche du cœur puis dans le ventricule gauche qui envoie par l’aorte le sang vers tout l’organisme. Le sang pauvre en O2 revenant lui au cœur par l’oreillette droite puis le ventricule droit, puis l’artère pulmonaire.

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “L’anatomie respiratoire de la bouche aux alvéoles pulmonaires” de l’Université catholique de Louvain.

Différence respiration/ventilation
La respiration est un mouvement qui se caractérise par une fréquence respiratoire (12 à 15/mn).
La ventilation est la quantité d’air, le volume d’air qui entre et qui sort de vos poumons toutes les minutes. C’est un débit d’air qui se mesure en litre par minute (7-8L d’air/mn).

Respiration à l’effort
La fréquence respiratoire (FR) et ventilation (L/mn) augmentent. La ventilation s’adapte aux besoins de l’organisme.

Les volumes pulmonaires
Ils se mesurent par spirométrie

Volume courant (VT) : volume inspiré au cours d’un cycle respiratoire normal au repos
Volume de réserve inspiratoire (VRI) : volume mobilisé par une inspiration maximale à la fin d’une inspiration normale
Volume de réserve expiratoire (VRE) : volume mobilisé par une expiration maximale, à la fin d’une expiration normale
Volume résiduel (VR) : volume non mobilisable restant dans les poumons à la fin d’une expiration forcée. Il évite que les alvéoles se collabent, se referment, ce qui rend leur ouverture à l’inspiration suivante beaucoup plus difficile.
La capacité vitale (CV) : quantité de gaz rejetée par une expiration forcée suivant une inspiration forcé
La capacité pulmonaire totale (CPT) : volume maximal qu’un sujet peut contenir dans ses poumons
La capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) : volume de gaz restant dans les poumons à la fin d’une expiration normale (VRE + VR)

VEMS
Volume d’expiration maximale au cours de la première seconde de l’expiration forcée (après avoir prise une grande inspiration).
Rapport VEMS/CV
En pratique clinique, on s’intéresse au rapport entre le VEMS et la CV. Valeurs normales : CV=5L et VEMS=4L donc VEMS/CV=0,8. Si ce rapport est inférieur à 0,7, alors cela signifie qu’il existe chez le patient une maladie pulmonaire qui obstrue les petites voies respiratoires (asthme, BPCO, emphysème).

• Permet de déterminer la présence ou non d’un déficit ventilatoire obstructif
• Permet de stadifier les maladies comme la BPCO (VEMS exprimé en pourcentage de sa valeur prédite)
• Permet de voir les effets d’un bronchodilatateur (test)

La ventilation
Calcul de la ventilation totale
On multiplie le volume courant par la fréquence respiratoire = VT x FR (500×15 = 7,5L/mn)
Calcul de la ventilation alvéolaire (VA)
Il s’agit de la vraie ventilation, la ventilation efficace.
Pour la calculer, il faut retrancher le volume de l’espace mort (150ml) du volume courant (500ml).
Ce qui donne : (VT – Vol. espace-mort) x FR
Donc (500-150) x 12 = 5L (environ)

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “La ventilation et les volumes pulmonaire” de l’Université catholique de Louvain.

Nous verrons ici 3 lois :
– La loi des gaz parfaits de Robert Boyle
– La loi des pressions partielles de John Dalton
– La loi de la solubilité de William Henry

Pression et fraction d’O2 dans l’air
L’air exerce une pression, c’est une force qui s’exerce sur une surface.
Une atmosphère = 760mmHg au niveau de la mer.
Cette pression est la pression des gaz qui composent l’atmosphère qui s’entrechoquent :

• N2 = 78%
• 02 = 21%
• CO2 = 0,003%

Pression partielle de l’O2
Si la pression atmosphérique (P^_ATM) = 760mmHg et que la pression de O2 = 21% de P^_ATM, alors la pression partielle de O2 se calcule : 760 x 21% = 160mmHg

Chute des pressions d’air en altitude
En altitude, la P^_ATM diminue : au sommet du Mont Blanc, P^_ATM =400mmHg et à 10km d’altitude : P^_ATM =200mmHg
La pression diminue en altitude car l’air de l’atmosphère se dilue dans un volume plus grand. Donc en altitude, il y a moins de molécule pour exercer de pression
Selon la loi des gaz parfaits de Robert Boyle la pression x volume est une constante.
-> Si la pression diminue en altitude, la fraction d’O2 ne change pas : elle reste à 21%

Equilibre des gaz entre l’air et le sang
A la frontière entre le liquide et l’air, les pressions ont tendances à s’équilibre de part et d’autre de cette frontière.
Combien de molécule de gaz vont se dissoudre dans le sang ?
Selon la loi de solubilité de William Henry, à température constante et à saturation constante, la quantité de gaz qui va se dissoudre à l’intérieur d’un liquide est proportionnelle à la pression qu’il exerce sur ce liquide.

La diffusion de l’O2 et du CO2 entre l’air et le sang
Principe de la diffusion : un gaz passe spontanément d’un milieu où sa pression est plus élevée à moins élevée.
Comment l’O2 se déplace : toujours dans la même direction, de l’air extérieur vers l’intérieur de notre corps.
La pression tend à s’équilibrer entre l’air et le sang mais cet équilibre n’arrive jamais car l’02 dans le sang à toujours tendance à diminuer car il est consommé par nos cellules. Il y a toujours une pression d’O2 plus élevée dans l’air que dans le sang qui permet un mouvement de diffusion au travers de la membrane alévolo-capillaire.
¨Pour le CO2, c’est l’inverse

Les mouvements d’air dans les poumons
Il s’agit du mouvement d’air entre l’atmosphère et l’intérieur des poumons
Le diaphragme, par sa contraction et son relâchement, permet de modifier la pression dans les poumons et ainsi stimuler l’inspiration ou l’expiration de l’air.

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “Les physiciens de la respiration” de l’Université catholique de Louvain.

L’oxygène va suivre un trajet dont l’unique progression est une chute de pression.
Cette chute de pression va permettre à l’O2 de se diffuser de façon passive au travers de voies respiratoires, des poumons, du sang, des tissus, des muscles pour arriver à chacune des cellules de l’organisme.

1. P_O2 dans l’air = 21% de 760mmHg = 160mmHg
2. Dans les VAS, présence de vapeur d’eau qui exerce une pression partielle :
   P_H2O à 37°=47mmHG. Donc (760-47) x 21% = 150mmHg
3. Aux alvéoles .Les alvéoles elles contiennent le CO2 qui prend de la place. Or, la pression atmosphérique, qui est la somme de toutes les pressions des gaz qui le composent, doit rester égale partout. Donc moins de place pour l’O2.

Equation des gaz alvéolaires
PA_O2 = (21%P_ATM – 47) – P_CO2/QR
Avec P_CO2 = 40mmHg et QR (quotient respiratoire) = Production CO2/Consommation O2 = 0,8
On produit un peu moins de CO2 qu’on ne consomme d’O2.
Il faut donc un facteur de correction. P_CO2/QR (40/0,8) =50
Donc PA_O2 = 150 – 50 = 100mmHg

Au niveau de la barrière alvéolo-capillaire
Passage des alvéoles au sang. Normalement PA_O2 = Pa_O2
Avec Pa_O2 = pression O2 dans le sang

Mais en réalité, les 300 millions d’alvéoles ne sont pas toutes parfaites. Certaines alvéoles ventilent peu ou mal tout comme certains capillaires sanguins perfusent peu ou mal. On dit que les rapports entre la perfusion pulmonaire ne sont pas parfaits. Il y aura un gradient, une différence entre PA_O2 et Pa_O2 d’environ 90mmHG.

Intérêt clinique : PA_O2 se calcule (environ 100mmHG) mais Pa_O2 se mesure. Donc, en comparant les 2, on peut apprécier si un patient manque d’O2.

Exemple : on prélève un gaz sanguin dans une artère pour connaitre la valeur d’O2 dans le sang. Si PA_O2 est beaucoup plus basse que la valeur théorique (100mmHg), alors le patient manque d’oxygène.

Au niveau du muscle
L’épaisseur pour arriver à la cellule est très importante. Plus la distance à parcourir pour l’O2 est grande, plus la pression va chuter. Et si la distance est trop grande, alors la pression en O2 sera trop basse pour faire fonctionner la mitochondrie. La cellule fonctionne alors en anaérobiose qui est un mécanisme de sauvetage transitoire quand il n’y a pas assez d’O2.

En résumé, les différentes chutes :

1. La présence de vapeur d’eau
2. La présence de CO2 dans les alvéoles
3. Liée au rapport entre la ventilation et la perfusion pulmonaire entre l’air et le sang
4. Liée à la diffusion au sein des tissus de l’organisme.

Après toutes ces chutes, l’O2 qui n’a pas été utilisé par les tissus et les cellules revient par les veines jusqu’aux poumons et toute la cascade peut recommencer.

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “La cascade d’oxygène” de l’Université catholique de Louvain.

Le transport de l’oxygène
Il peut se faire de 2 façon :
– Soit l’O2 se ballade toute seule sous forme dissoute dans le sang. Mais sa solubilité est très faible.
– Soit il est transporté par l’hémoglobine qui est stockée dans les globules rouges (qui sont des sacs à Hg)

L’hémoglobine 
C’est une grosse protéine qui contient 4 sous-unités contenant chacune un atome de fer qui peut accueillir une molécule d’O2. Quand l’O2 s’accroche à l’Hb, il n’est plus sous forme dissoute. Il y a environ 60x plus d’O2 accroché à l’Hg que d’O2 sous forme dissoute.

La saturation (Sa_O2)
Elle correspond au nombre de molécule d’O2 par Hb.
La Sa_O2 est mesurable par saturomètre et s’exprime en pourcentage.
On mesure la saturation pulsée en O2 car ces appareils mesurent la pulsativité du sang, c’est-à-dire le rythme cardiaque.
La Sa_O2 n’atteint jamais 100% chez une personne en bonne santé car une petite partie de l’O2 est sous forme dissoute. Donc on a 97-98% lié à l’Hb.

Saturation et couleur du sang
Il y a un lien entre la saturation et la couleur de la peau du patient.  En cas de mauvaise saturation (<90%), alors le patient est probablement cyanosé, signe de gravité respiratoire.
Plus l’Hb est saturé en O2, plus le sang est rouge (sang des artères). A l’inverse, du sang pauvre en O2 est bleu (sang des veines).

Le transport de l’O2 dans le sang.
Chaque molécule d’Hb est saturée d’O2 aux poumons. L’O2 est distribué tout le long de la circulation sanguine. Tout l’O2 transporté n’est pas forcément consommé (parfois seulement que 2% consommé).

Adaptation de la saturation d’O2
Comment l’Hb sait-elle qu’elle doit décharger beaucoup d’O2 à certains endroits et à d’autres moins. 2 raisons :
– L’environnement d’un muscle qui travaille est un environnement pauvre en O2 puisqu’il est consommé pour produire de l’énergie. Donc le gradient de pression entre le capillaire sanguin et la cellule musculaire est très élevé : l’O2 se dirige du vaisseau vers le muscle. Un muscle au repos à un petit gradient, donc une faible force de pression pour ramener l’O2.
– Un muscle qui travaille consomme beaucoup d’oxygène et donc produit beaucoup de CO2. Or, l’Hb est très sensible à un environnement riche en CO2. Le CO2 a tendance à faire quitter l’O2 attaché à l’Hb pour la cellule qui en a besoin. Ce processus s’appelle l’extraction d’oxygène par les tissus.

Le contenu artériel en oxygène (Ca_O2)
Il s’agit de la quantité d’O2 transportée dans le sang.
Il s’exprime en mml d’O2/L de sang
Pour calculer le CA_O2, on additionne la saturation en Hb (HbxSaO2) qu’on mulitplie par un facteur correcteur de 13,9 et la quantité d’O2 dissoute dans le sang (PaO2X0,003)
Ca_O2 = (Hb x SaO2 x 13,9) + (PaO2x0,003) = (15 x 0,98 x 13,9) + (90 x 0,03)
Ca_O2 = 210ml.
Pour rappel : 21% d’O2 dans l’air donc 210ml d’O2 par litre d’air.
Grace à l’Hb, il y a également 210ml d’O2 par litre de sang.
Il y a donc un parfait équilibre entre l’air et le sang pour le transport d’O2

Cet article est un récapitulatif de la vidéo “L’hémoglobine, transporteur d’oxygène dans le sang” de l’Université catholique de Louvain.