Le système respiratoire: structure et fonctionnement

Le système respiratoire humain comprend les voies respiratoires (supérieures et inférieures) et les poumons. Le système respiratoire est responsable des échanges gazeux entre l'organisme et l'environnement. Comment le système respiratoire est-il construit et comment fonctionne-t-il?

Le système respiratoire humain est censé permettre la respiration - le processus d'échange de gaz, à savoir l'oxygène et le dioxyde de carbone, entre l'organisme et l'environnement. Chaque cellule de notre corps a besoin d'oxygène pour fonctionner correctement et générer de l'énergie. Le processus de respiration est divisé en:

• respiration externe - apportant de l'oxygène aux cellules
• respiration interne - intracellulaire

La respiration externe se produit en raison de la synchronisation du système respiratoire avec les centres nerveux et est divisée en un certain nombre de processus:

• ventilation pulmonaire
• diffusion de gaz entre l'air alvéolaire et le sang
• transport de gaz à travers le sang
• diffusion de gaz entre le sang et les cellules

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Structure du système respiratoire

Les voies respiratoires sont constituées de:

• les voies respiratoires supérieures, c'est-à-dire la cavité nasale (notre cavum) et la gorge (pharynx)
• voies respiratoires inférieures: larynx (larynx), trachée (trachée), bronche (bronches) - droite et gauche, qui sont ensuite divisées en branches plus petites, et les plus petites se transforment en bronchioles (bronchioles)

La dernière partie des voies respiratoires mène aux alvéoles (alvéoles pulmonaires). L'air inhalé traversant les voies respiratoires est nettoyé de la poussière, des bactéries et autres petites impuretés, hydraté et réchauffé. En revanche, la structure des bronches, en associant cartilage, éléments musculaires élastiques et lisses, permet d'ajuster leur diamètre. La gorge est l'endroit où les systèmes respiratoire et digestif se croisent. Pour cette raison, lors de la déglutition, la respiration s'arrête et les voies respiratoires se referment à travers l'épiglotte.

• poumons - organes appariés situés dans la poitrine.

En termes d'aspects anatomiques et fonctionnels, les poumons sont divisés en lobes (le poumon gauche en deux lobes et le droit en trois), les lobes sont ensuite divisés en segments, les segments en lobules et les lobules en grappes.

Chaque poumon est entouré de deux couches de tissu conjonctif - la plèvre pariétale (plèvre pariétale) et la plèvre pulmonaire (plèvre pulmonaire). Entre eux se trouve la cavité pleurale (cavum pleurae), et le liquide qu'il contient permet l'adhésion du poumon recouvert de la plèvre pulmonaire à la plèvre pariétale fusionnée avec la paroi interne de la poitrine.À l'endroit où les bronches pénètrent dans les poumons, il y a des cavités pulmonaires dans lesquelles, en dehors des bronches, également des artères et des veines pulmonaires.
De plus, les muscles striés squelettiques, le sang, le système cardiovasculaire et les centres nerveux sont impliqués dans le processus compliqué de la respiration.

Ventilation pulmonaire

L'essence de la ventilation est d'aspirer l'air atmosphérique dans les alvéoles. Étant donné que l'air circule toujours d'une pression plus élevée à une pression inférieure, les groupes musculaires appropriés participent à chaque inspiration et expiration, permettant les mouvements d'aspiration et de pression de la poitrine.

À la fin de l'expiration, la pression dans les alvéoles est égale à la pression atmosphérique, mais lorsque vous aspirez de l'air, le diaphragme se contracte (diaphragme) et les muscles intercostaux externes (musculi intercostales externi), grâce à quoi le volume de la poitrine augmente et crée un vide qui aspire de l'air.

Lorsque la demande de ventilation augmente, des muscles inspiratoires supplémentaires sont activés: les muscles sternocléidomastoïdiens (musculi sternocleidomastoidei), muscles pectoraux (musculi pectorales minores), muscles dentés antérieurs (musculi serrati anteriores), muscles trapèzes (musculi trapezii), les muscles releveurs de l'omoplate (musculi levatores scapulae), des muscles de parallélogramme plus grands et plus petits (musculi rhomboidei maiores et minores) et les muscles obliques (musculi fusionné).

La prochaine étape consiste à expirer. Cela commence lorsque les muscles inspiratoires se détendent au sommet de l'inspiration. Habituellement, il s'agit d'un processus passif, car les forces générées par les éléments élastiques étirés dans le tissu pulmonaire sont suffisantes pour que la poitrine diminue de volume. La pression alvéolaire s'élève au-dessus de la pression atmosphérique et la différence de pression qui en résulte élimine l'air vers l'extérieur.

La situation est légèrement différente en expirant fortement. On y fait face lorsque le rythme respiratoire est lent, lorsque l'expiration nécessite de surmonter une résistance respiratoire accrue, par exemple dans certaines maladies pulmonaires, mais aussi dans l'activité phonatoire, en particulier lors du chant ou du jeu d'instruments à vent. Les motoneurones des muscles expiratoires sont stimulés, qui comprennent: les muscles intercostaux internes (musculi intercostales interni) et les muscles de la paroi abdominale antérieure, en particulier les abdominaux droits (musculi recti abdominis).

Fréquence respiratoire

La fréquence respiratoire est très variable et dépend de nombreux facteurs différents. Un adulte au repos doit respirer 7 à 20 fois par minute. Les facteurs menant à une augmentation du taux de respiration, techniquement connu sous le nom de tachypnée, comprennent l'exercice, les affections pulmonaires et la détresse respiratoire extrapulmonaire. D'autre part, la bradypnée, c'est-à-dire une diminution significative du nombre de respirations, peut résulter de maladies neurologiques ou d'effets secondaires centraux des stupéfiants. Les enfants diffèrent des adultes à cet égard: plus le tout-petit est petit, plus la fréquence respiratoire physiologique est élevée.

Volumes et capacités pulmonaires

• TLC (capacité pulmonaire totale) - le volume qui est dans le poumon après la respiration la plus profonde
• IC - capacité inspiratoire - aspirée dans les poumons lors de l'inhalation la plus profonde après une expiration calme
• IRV (volume de réserve inspiratoire) - volume de réserve inspiratoire - tiré dans les poumons pendant l'inhalation maximale effectuée au sommet de l'inspiration libre
• TV (volume courant) - volume courant - inhalé et expiré tout en inspirant et expirant librement
• FRC - capacité résiduelle fonctionnelle - reste dans les poumons après une expiration lente
• ERV (volume de réserve expiratoire) - volume de réserve expiratoire - retiré des poumons lors de l'expiration maximale après inhalation libre
• RV (volume résiduel) - le volume résiduel - reste toujours dans les poumons pendant l'expiration maximale
• CV (capacité vitale) - capacité vitale - retirée des poumons après une inhalation maximale au moment de l'expiration maximale
• IVC (capacité vitale inspiratoire) - capacité vitale inhalée - aspirée dans les poumons après l'expiration la plus profonde à l'inhalation maximale; peut être légèrement supérieure à VC, car au moment de l'expiration maximale suivie de l'inhalation maximale, les conducteurs alvéolaires se ferment avant que l'air remplissant les bulles ne soit éliminé

Avec une inspiration libre, le volume courant est de 500 ml. Cependant, tout ce volume n'atteint pas les alvéoles. Environ 150 ml remplissent les voies respiratoires, qui ne présentent pas les conditions d'échange gazeux entre l'air et le sang, c'est-à-dire la cavité nasale, le pharynx, le larynx, la trachée, les bronches et les bronchioles. C'est appelé espace mort respiratoire anatomique. Les 350 mL restants sont mélangés à de l'air constituant la capacité fonctionnelle résiduelle, simultanément chauffé et saturé de vapeur d'eau. Dans les alvéoles, encore une fois, tout l'air n'est pas gazeux. Dans les capillaires des parois de certains follicules, il n'y a pas ou trop peu de sang qui circule pour utiliser tout l'air pour l'échange de gaz. Il s'agit de l'espace mort respiratoire physiologique et il est petit chez les personnes en bonne santé. Malheureusement, il peut augmenter considérablement dans les états pathologiques.

La fréquence respiratoire moyenne au repos est de 16 par minute, et le volume courant est de 500 mL, en multipliant ces deux valeurs, on obtient une ventilation pulmonaire. De cela, il s'ensuit qu'environ 8 litres d'air sont inhalés et expirés par minute. Pendant les respirations rapides et profondes, la valeur peut augmenter considérablement, même d'une douzaine à vingt fois.

Tous ces paramètres compliqués: capacités et volumes ont été introduits non seulement pour nous confondre, mais ont une application significative dans le diagnostic des maladies pulmonaires. Il existe un test - la spirométrie, qui mesure: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV et IRV. Il est essentiel pour le diagnostic et le suivi de maladies telles que l'asthme et la MPOC.

Diffusion de gaz entre l'air alvéolaire et le sang

Les alvéoles sont la structure de base qui compose les poumons. Il y en a environ 300 à 500 millions, chacun avec un diamètre de 0,15 à 0,6 mm, et leur superficie totale est de 50 à 90 m².

Les parois des follicules sont construites par un épithélium mince, plat et monocouche. En plus des cellules qui composent l'épithélium, les follicules contiennent deux autres types de cellules: les macrophages (cellules intestinales) et également les cellules folliculaires de type II qui produisent le surfactant. C'est un mélange de protéines, de phospholipides et de glucides produits à partir d'acides gras sanguins. Le surfactant, en réduisant la tension superficielle, empêche les alvéoles de coller ensemble et réduit les forces nécessaires pour étirer les poumons. De l'extérieur, les bulles sont recouvertes d'un réseau de capillaires. Les capillaires pénétrant dans les alvéoles transportent du sang riche en dioxyde de carbone, en eau, mais avec une petite quantité d'oxygène. En revanche, dans l'air alvéolaire, la pression partielle d'oxygène est élevée et celle du dioxyde de carbone est faible. La diffusion de gaz suit un gradient de pression moléculaire du gaz, de sorte que les érythrocytes capillaires piègent l'oxygène de l'air et se débarrassent du dioxyde de carbone. Les particules de gaz doivent traverser la paroi alvéolaire et la paroi capillaire, et plus précisément: la couche de fluide recouvrant la surface alvéolaire, l'épithélium alvéolaire, la membrane basale et l'endothélium capillaire.

Transport des gaz dans le sang

• transport d'oxygène

Tout d'abord, l'oxygène se dissout physiquement dans le plasma, puis il se diffuse à travers l'enveloppe dans les globules rouges, où il se lie à l'hémoglobine pour former de l'oxyhémoglobine (hémoglobine oxygénée). L'hémoglobine joue un rôle très important dans le transport de l'oxygène, car chacune de ses molécules se combine avec 4 molécules d'oxygène, augmentant ainsi la capacité du sang à transporter l'oxygène jusqu'à 70 fois. La quantité d'oxygène transportée dissoute dans le plasma est si petite qu'elle n'a aucun rapport avec la respiration. Grâce au système circulatoire, le sang saturé d'oxygène atteint toutes les cellules du corps.

• transport de dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone des tissus pénètre dans les capillaires et est transporté vers les poumons:

• environ 6% dissous physiquement dans le plasma et dans le cytoplasme des érythrocytes
• environ 6% liés aux groupes amino libres des protéines plasmatiques et de l'hémoglobine (sous forme de carbamates)
• la majorité, soit environ 88%, sous forme d'ions HCO3 - liés par le système tampon bicarbonate du plasma et des érythrocytes

Diffusion de gaz entre le sang et les cellules

Une fois de plus, les molécules de gaz dans les tissus passent le long du gradient de pression: l'oxygène libéré par l'hémoglobine se diffuse dans les tissus, tandis que le dioxyde de carbone diffuse dans la direction opposée - des cellules au plasma. En raison des différences de demande en oxygène des différents tissus, il existe également des différences de tension en oxygène. Dans les tissus à métabolisme intensif, la tension en oxygène est faible, ils consomment donc plus d'oxygène, tandis que le sang veineux drainant contient moins d'oxygène et plus de dioxyde de carbone. La différence artério-veineuse de la teneur en oxygène est un paramètre qui détermine le degré de consommation d'oxygène par les tissus. Chaque tissu est alimenté en sang artériel avec la même teneur en oxygène, tandis que le sang veineux peut en contenir plus ou moins.

Respiration interne

La respiration au niveau cellulaire est un processus biochimique en plusieurs étapes qui implique l'oxydation de composés organiques dans lesquels une énergie biologiquement utile est produite. C'est un processus fondamental qui se produit même lorsque d'autres processus métaboliques sont arrêtés (les processus alternatifs anaérobies sont inefficaces et d'une importance limitée).

Le rôle clé est joué par les mitochondries - organites cellulaires, qui reçoivent des molécules d'oxygène diffusant à l'intérieur de la cellule. Sur la membrane externe des mitochondries se trouvent toutes les enzymes du cycle de Krebs (ou cycle de l'acide tricarboxylique), tandis que sur la membrane interne, il y a des enzymes de la chaîne respiratoire.

Dans le cycle de Krebs, les métabolites du sucre, des protéines et des graisses sont oxydés en dioxyde de carbone et en eau avec la libération d'atomes d'hydrogène libres ou d'électrons libres. Plus loin dans la chaîne respiratoire - la dernière étape de la respiration intracellulaire - en transférant des électrons et des protons vers des convoyeurs suivants, des composés phosphorés à haute énergie sont synthétisés. Le plus important d'entre eux est l'ATP, c'est-à-dire l'adénosine-5′-triphosphate, un vecteur universel d'énergie chimique utilisé dans le métabolisme cellulaire. Il est consommé par de nombreuses enzymes dans des processus tels que la biosynthèse, le mouvement et la division cellulaire. Le traitement de l'ATP dans les organismes vivants est continu et on estime que chaque jour l'homme convertit la quantité d'ATP comparable à son poids corporel.

Régulation respiratoire

Dans le noyau étendu, il y a un centre respiratoire qui régule la fréquence et la profondeur de la respiration. Il se compose de deux centres aux fonctions opposées, construits par deux types de neurones. Les deux sont situés dans la formation réticulaire. Dans le noyau solitaire et dans la partie antérieure du nerf vague postérieur-ambigu se trouve le centre inspiratoire, qui envoie des impulsions nerveuses à la moelle épinière, aux motoneurones des muscles inspiratoires. En revanche, dans le noyau ambigu du nerf vague et dans la partie postérieure du nerf vague postérieur-ambigu, il existe un centre d'expiration qui stimule les motoneurones des muscles expiratoires.

Les neurones du centre d'inspiration envoient plusieurs fois par minute une volée d'influx nerveux, qui courent le long de la branche descendant vers les motoneurones de la moelle épinière et en même temps que la branche axone remontant vers les neurones de la formation réticulaire du pont. Il existe un centre pneumotaxique qui inhibe le centre inspiratoire pendant 1 à 2 secondes, puis le centre inspiratoire se stimule à nouveau. Grâce à des périodes successives de stimulation et d'inhibition du centre inspiratoire, la rythmicité des respirations est assurée.
Le centre inspiratoire est régulé par des impulsions nerveuses survenant dans:

• les chimiorécepteurs du glomérule cervical et aortique, qui répondent à une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone, de la concentration d'ions hydrogène ou à une diminution significative de la concentration artérielle en oxygène; les impulsions des amas aortiques traversent les nerfs glossopharyngiens et vagues. et l'effet est d'accélérer et d'approfondir les inhalations
• les interorécepteurs des tissus pulmonaires et les propriétaires thoraciques;
• il y a des mécanorécepteurs d'inflation entre les muscles lisses bronchiques, ils sont stimulés par l'étirement du tissu pulmonaire, ce qui déclenche l'expiration; puis réduire l'étirement du tissu pulmonaire pendant l'expiration, active d'autres mécanorécepteurs, cette fois déflationnistes, qui déclenchent l'inspiration; Ce phénomène s'appelle les réflexes de Hering-Breuer;
• La position inspiratoire ou expiratoire de la poitrine irrite les récepteurs respectifs et modifie la fréquence et la profondeur des respirations: plus l'inspiration est profonde, plus l'expiration qui la suit est profonde;
• centres des niveaux supérieurs du cerveau: le cortex cérébral, le système limbique, le centre de thermorégulation dans l'hypothalamus