★ À maîtriser
📌 En absence d’oxygène, la glycolyse produit de l’ATP en anaérobie, mais elle fournit 18 fois moins d’énergie que le cycle de Krebs et produit de l’acide lactique.
Compléments
Dans la respiration cellulaire, l’oxygène intervient comme accepteur final d’électrons dans la chaîne respiratoire, permettant la production d’énergie à partir de molécules nutritives issues de la digestion afin d’assurer le fonctionnement du corps.
Un défaut d’oxygénation entraîne une perte de conscience en 10 secondes et peut provoquer des lésions cérébrales irréversibles en quelques minutes.
O₂ alimente la production d’ATP ; CO₂, déchet métabolique, doit être éliminé.
★ À maîtriser
La diffusion est plus lente pour une molécule de grand diamètre et plus rapide lorsque la température ou le gradient de concentration ou de pression augmente.
Au niveau de la mer, la pression atmosphérique vaut 101,3 kPa et la pression partielle de l’O₂ vaut 21,2 kPa.
Compléments
📌 L’O₂ est peu soluble dans l’eau, tandis que le CO₂ y est plus soluble que l’O₂.
La pression atmosphérique du CO₂ est inférieure à 1 %, tandis que celle de l’O₂ est de 21 %.
À 5 200 mètres d’altitude, la pression partielle de l’O₂ est de 10,6 kPa, ce qui réduit le gradient vers les poumons et ralentit sa diffusion.
Gradient de pression plus élevé → diffusion plus rapide.
★ À maîtriser
📐 Formule - Selon la loi de Fick, le taux de diffusion vérifie , où D est le coefficient de diffusion, A la surface membranaire, C₁−C₂ le gradient de concentration ou de pression et L l’épaisseur de la membrane.
Compléments
La division des poumons en sacs augmente la surface disponible pour la diffusion des gaz ; chez l’être humain, cette surface est équivalente à un terrain de tennis.
La membrane formée par l’épithélium alvéolaire et la paroi des capillaires péri-alvéolaires est très mince, ce qui réduit la distance de diffusion des gaz.
★ À maîtriser
📌 Le nasopharynx est exclusivement aérien, tandis que l’oropharynx est traversé par l’air, les aliments et les boissons.
Compléments
Les poils de la muqueuse nasale filtrent l’air en retenant des particules, tandis que le mucus hydrate l’air inspiré et piège des microbes.
La muqueuse nasale produit environ un litre de mucus par jour, lequel contient notamment des antibiotiques naturels et des enzymes antibactériennes capables de lyser les bactéries piégées.
🔄 Le mucus contaminé suit ce trajet :
Le nasopharynx se situe derrière les cavités nasales et au-dessus de la cavité orale ; lors de la déglutition, le palais mou et l’uvule palatine s’élèvent pour empêcher aliments et boissons d’y pénétrer.
★ À maîtriser
L’arbre bronchique se ramifie selon l’ordre suivant : trachée, bronches principales, bronches secondaires ou lobaires, bronches tertiaires ou segmentaires, bronchioles, puis amas d’alvéoles.
La trachée et les bronches principales, secondaires et tertiaires sont renforcées par des anneaux de cartilage, contrairement aux bronchioles.
Compléments
Les amas d’alvéoles sont étroitement accolés à un réseau de capillaires péri-alvéolaires, dont l’épithélium fusionne avec l’épithélium alvéolaire afin de réduire l’épaisseur de la membrane d’échange.
La membrane alvéolo-capillaire a une épaisseur d’environ 2 µm.
La plèvre viscérale adhère à la surface du poumon, tandis que la plèvre pariétale est en contact avec la cage thoracique et le diaphragme.
Trachée → bronches principales → lobaires → segmentaires → bronchioles → alvéoles.
★ À maîtriser
La ventilation est un processus mécanique fondé sur les variations de volume de la cage thoracique et des poumons, qui entraînent des variations de pression de l’air.
Lors de l’inspiration, le diaphragme et les muscles intercostaux se contractent, ce qui augmente le volume de la cage thoracique, diminue la pression de l’air et provoque son entrée dans les poumons.
Compléments
Lorsque le volume d’un récipient contenant un gaz augmente, la pression du gaz diminue ; une variation de pression entraîne le déplacement de l’air vers l’intérieur ou l’extérieur du récipient.
Le diaphragme et les muscles intercostaux sont des muscles inspiratoires, car leur contraction provoque l’inspiration.
Contraction inspiratoire → volume thoracique augmente → pression diminue → air entre.
★ À maîtriser
Lors de l’expiration, le relâchement des muscles inspiratoires diminue le volume thoracique, augmente la pression pulmonaire au-dessus de la pression atmosphérique et provoque la sortie de l’air jusqu’à égalisation des pressions.
La fréquence respiratoire est comprise entre 12 et 18 cycles par minute.
Pendant la spirométrie, le patient inspire et expire dans un tuyau relié à la cloche, le déplacement de la cloche entraîne celui du stylo et la courbe obtenue permet d’estimer les volumes d’air échangés.
Compléments
L’expiration est présentée comme un mécanisme passif reposant sur l’élasticité naturelle des poumons plutôt que sur la contraction musculaire.
La spirométrie utilise un spiromètre constitué d’une cloche en deux parties, l’une coulissant sur l’autre dans une cuve remplie d’eau, reliée par une poulie à un stylo qui trace sur un rouleau de papier.
Les résultats de la spirométrie servent à estimer les volumes d’air échangés et à conclure si le patient présente une maladie respiratoire.
Inspiration active, expiration passive
★ À maîtriser
📐 Formule - La capacité vitale est la somme du volume courant, du volume de réserve inspiratoire et du volume de réserve expiratoire : .
Compléments
La capacité vitale indiquée pour un être humain en bonne santé est de 4500 ml.
La capacité vitale dépend de la santé du patient et de son âge.
📐 Formule - La capacité pulmonaire totale est la somme de la capacité vitale et du volume résiduel : .
★ À maîtriser
Compléments
La diminution rapide de la pression en O₂ dans le sang capillaire accélère la diffusion de l’O₂ des alvéoles vers le sang, et la diffusion rapide du CO₂ du sang vers les alvéoles accélère également cet échange.
La perfusion pulmonaire optimise les échanges gazeux respiratoires.
CO₂ vers l’alvéole, O₂ vers le sang
★ À maîtriser
Le plasma sanguin, composé à 90 % d’eau, ne transporte que 1,5 % de l’O₂, car ce gaz est peu soluble dans l’eau.
Les globules rouges transportent 98,5 % de l’O₂, principalement lié à l’hémoglobine, qui augmente 60 fois la capacité du sang à transporter l’O₂.
Chaque atome de fer de l’hème peut se lier réversiblement à une molécule d’O₂, si bien qu’une hémoglobine peut fixer au maximum quatre molécules d’O₂.
Dans les poumons, l’O₂ diffuse des alvéoles vers le plasma puis les globules rouges, où il se lie à l’hémoglobine pour former l’oxyhémoglobine (HbO₂), de couleur rouge vif.
Dans les tissus à métabolisme actif, l’hémoglobine libère l’O₂, devient désoxyhémoglobine (HHb) de couleur rouge sombre, et l’O₂ diffuse des globules rouges vers le plasma puis les tissus.
Compléments
Si l’O₂ était transporté uniquement par le plasma sanguin, le débit cardiaque devrait être 17 fois supérieur à celui.
La globine de l’hémoglobine comprend deux chaînes alpha et deux chaînes bêta, toutes principalement organisées en hélices alpha, chacune associée à un hème.
Un globule rouge contient environ 250 millions de molécules d’hémoglobine et peut donc transporter jusqu’à un milliard de molécules d’O₂.
📌 Une pression d’O₂ sanguine supérieure à celle des tissus traversés augmente l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂, tandis que la fixation d’une molécule d’O₂ augmente l’affinité des trois autres sous-unités par coopérativité.
La fixation de la première molécule d’O₂ à l’hémoglobine est lente, mais elle modifie la conformation des autres sous-unités et favorise la fixation rapide des trois molécules suivantes; la libération d’une molécule favorise de même la libération des trois autres.
Une baisse du pH sanguin diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂; pendant l’exercice, le CO₂ produit par les muscles réagit avec l’eau et forme de l’acide carbonique, ce qui favorise la libération d’O₂ vers les cellules musculaires, selon l’effet Bohr.
Une hausse de la température du sang diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂, notamment lorsque le métabolisme cellulaire est plus actif.
★ À maîtriser
Environ 70 % du CO₂ est transporté par le sang vers les poumons sous forme d’ions hydrogénocarbonate (HCO₃⁻) dans le plasma.
Dans les globules rouges, l’anhydrase carbonique convertit le CO₂ issu des cellules en acide carbonique (H₂CO₃), qui se dissocie en HCO₃⁻ et H⁺.
Compléments
L’ion HCO₃⁻ diffuse du globule rouge vers le plasma tandis qu’un ion chlorure (Cl⁻) diffuse du plasma vers le globule rouge pour compenser électriquement; cet échange est appelé phénomène de Hamburger.
Dans le globule rouge, les ions H⁺ se lient à l’hémoglobine et à d’autres protéines, ce qui limite l’acidification du sang et contribue à maintenir son pH autour de 7,3 à 7,4.
Dans les capillaires péri-alvéolaires, les ions HCO₃⁻ retournent dans les globules rouges, où l’anhydrase carbonique permet leur reconversion en CO₂ et en eau; le CO₂ diffuse ensuite vers les alvéoles.
Une partie du CO₂ est transportée liée aux groupements aminés N-terminaux des chaînes de l’hémoglobine sous forme de carbaminohémoglobine, notée HbCO₂.
7 % du CO₂ est transporté sous forme dissoute.
★ À maîtriser
Avant l’inspiration, le centre respiratoire augmente son activité et envoie par le système nerveux périphérique un influx aux muscles inspiratoires, dont la contraction déclenche l’inspiration; l’arrêt de son activité permet leur relâchement.
Des chimiorécepteurs situés dans la paroi de l’aorte et dans la médulla détectent les variations des pressions partielles d’O₂ et de CO₂, celles de CO₂ ayant davantage d’influence sur la ventilation.
Quand la PCO₂ sanguine augmente, le pH diminue provisoirement; les chimiorécepteurs transmettent un signal au centre respiratoire, qui accélère la ventilation et la perfusion pulmonaire afin d’éliminer rapidement le CO₂ à l’expiration et de rétablir le pH.
Compléments
Lors d’un exercice physique, le centre respiratoire augmente son activité et la fréquence cardiaque s’élève, accélérant la circulation et la perfusion pulmonaire pour accroître l’apport d’O₂ aux muscles et l’élimination du CO₂ qu’ils produisent.
Lors d’une crise de panique, l’hyperventilation associée à une hausse de la fréquence cardiaque augmente le pH sanguin; le cours nomme cette situation alcalose respiratoire et indique que respirer dans un sac en papier peut aider à interrompre l’hyperventilation.
En raison des réserves d’O₂ liées à l’hémoglobine, seule une baisse importante de la PO₂ sanguine a un effet sur la ventilation.
Lors d’une ventilation profonde, des récepteurs de tension de l’épithélium alvéolaire et de la paroi des bronchioles transmettent un signal au centre respiratoire par le système nerveux périphérique, ce qui met fin à l’inspiration; ce mécanisme est le réflexe de Hering-Breuer.
Hausse de PCO₂ → baisse du pH → accélération ventilatoire
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1. En l’absence d’oxygène, une cellule produit de l’ATP par glycolyse. Quelle conséquence énergétique et métabolique doit-on prévoir ?
2. Lors de la respiration cellulaire, quel échange de gaz caractérise l’activité des cellules ?
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Quel est le rôle de l’oxygène dans la respiration cellulaire ?
Il est indispensable à la respiration cellulaire.
Qu’est-ce que la diffusion à travers une membrane ?
Un mécanisme passif tendant vers une répartition uniforme des molécules entre deux compartiments.
Comment le diamètre moléculaire influence-t-il la vitesse de diffusion ?
Un grand diamètre ralentit la diffusion.
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