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L'échange gazeux au niveau des alvéoles

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

appareil respiratoire

                               LE SYSTEME CARDIOVASCULAIRE ET RESPIRATOIRE 


Au cours d'un effort physique, les muscles puisent l'énergie des nutriments apportés par l'alimentation, tels que les glucides et lipides (et occasionnellement des protéines). 

Comme nous avons vu dans l'article "les filières énergétiques", l'organisme est capable de produire de l'énergie à partir de ces nutriments énergétiques selon 3 manières différentes.

Parmi ces 3 manières d'utiliser l'énergie, le mécanisme aérobie  est largement le plus utilisé par les muscles, en particulier lors des efforts d'endurance, et le plus utilisé tout simplement par tous les organes vitaux  de l'organisme au cours de la journée. Le système aérobie nécessite de l'oxygène pour fonctionner..., mais pourquoi donc?

On a dis que les muscles, comme tous les organes vitaux, ont besoin de l'énergie libérée par les nutriments ( glucides,lipides...). Or ces nutriments ne peuvent libérer de l'énergie qu'en présence d'oxygène. En clair, les nutriments sont le carburant et l'oxygène est le comburant : un comburant "brûle" (ou oxyde) le carburant pour en extraire l'énergie.Si vous voulez une image,on peut prendre celle d'une voiture : lorsqu'elle roule, le carburant disponible est brûlé dans le moteur grâce à l'air, c'est le mélange "air-carburant", et en fait l'air sert de comburant tout comme l'oxygène pour nos nutriments énergétiques.

Par conséquent, plus les muscles (et les autres organes) vont augmenter leur activité lors d'un effort, plus ils auront besoin de nutriments énergétiques et d'oxygène.

Le système respiratoire (voies aériennes et poumons) et le système cardiovasculaire (coeur et vaisseaux sanguins)  assurent l'acheminement de l'oxygène O2  jusqu'aux muscles et organes vitaux d'une part, et d'autre part ils permettent l'évacuation du dioxyde de carbone CO2 (déchet musculaire issu de l'activité énergétique) qui fait le chemin inverse, autrement dis depuis les muscles vers les voies aériennes supérieures (nez et bouche) via l'atmosphère.

 

1 - le système respiratoire



Le système respiratoire est composé des voies aériennes (nez,bouche), de la trachée et des poumons.

L'intérieur des poumons ressemble à un arbre à l'envers, appelé arbre bronchique : ce dernier est composé des bronches, ramifiés ensuite en bronchioles, qui à leur tour se ramifient en alvéoles. 

Lors d'une inspiration, l'air ambiant est aspiré par les voies aériennes supérieurs (nez,bouche) pour arriver jusqu'aux poumons.L'air est composé de 21% d'oxygène et de 79% d'azote (+ environ 0.03% de CO2). Seul l'oxygène se retrouvera dans le sang, car l'organisme ne consomme pas l'azote.

Les alvéoles pulmonaires sont comme des tout petits sacs qui se remplissent d’air et présentant une paroi très fine au niveau de laquelle à lieu les échanges gazeux respiratoires. C’est donc une surface d’échange entre l'air et le sang. Le très grand nombre d’alvéoles (environ 200 millions) permet une surface totale d’échange absolument astronomique d’environ 100m². Les alvéoles se gonflent d’air à l’inspiration et se vide lors de l’expiration. La fine paroi des alvéoles est recouverte de très nombreuses et très fines petites veines, les capillaires ( 5 à 10 fois plus fins qu'un cheveu), au travers de la paroi desquels se réalise le véritable échange gazeux.

alveolepulmonaire.jpg

 

Lors de l’inspiration, l’air entre dans les poumons (en passant par le nez ou la bouche, puis la trachée) pour aller jusqu'aux alvéoles qui se gonflent alors, et le dioxygène Ocontenu dans l’air alvéolaire passe à travers 2 minces parois : la paroi des alvéoles pulmonaires et la paroi des capillaires. En traversant ces 2 parois, l'O2 se retrouve donc dans le sang qui remplit l'intérieur des capillaires sanguins. A l’inverse, pendant que l'O2 pénètre dans le sang, simultanément le CO2 dissous dans le plasma sanguin passe lui dans le sens inverse, du sang vers l’alvéole, pour être expulsé ensuite dans l'atmosphère lors de la phase d’expiration. Le CO2 est un résidu issu de la combustion des nutriments énergétiques par l'O2, qui a lieu dans les muscles et organes principaux. 

En résumé ici, à l'inspiration l'O2 passe des alvéoles pulmonaires vers le sang et en même temps le CO2 fait le trajet inverse, du sang vers les alvéoles. C'est donc à l'inspiration que l'Oentre dans la circulation sanguine et que le CO2 pénètre les alvéoles pulmonaires. Ensuite succède la phase d'expiration où ce CO2 est expulsé des alvéoles vers les voies aériennes supérieures via l'atmosphère.

Cependant, au repos seul un tiers environ de l’oxygène amené au niveau des poumons (au niveau des alvéoles) passe dans le sang. Les deux autres tiers sont rejetés lors de l’expiration avec le CO2

Le rôle des poumons est donc de capter l'oxygène de l'atmosphère et le redistribuer dans le sang d'une part, et d'autre part d'extraire le CO2 du sang pour le renvoyer dans l'atmosphère.

 

2 - Trajet de l'O2 dans le sang 

Nous avons vu que durant la phase d'inspiration l'O2 va traverser 2 minces parois avant de se retrouver dans le sang : la paroi des alvéoles et la paroi des capillaires pulmonaires. Une fois dans le sang, l'O2 est alors transporté en se fixant directement sur l'hémoglobine, une protéine contenue dans les globules rouges (= hématies) du sang.

Le sang qui s'est chargé en oxygène (sang en rouge sur le schéma) au niveau des poumons va rejoindre la partie gauche du cœur. Une fois cette partie gauche remplie de sang, le cœur va se contracter et va éjecter le sang dans une grosse artère, l'aorte, pour qu'il rejoigne les autres vaisseaux sanguins : le sang va alors passer de gros vaisseaux comme les artères à des vaisseaux plus petits pour arriver aux niveaux des cellules musculaires à des très petits vaisseaux appelés capillaires musculaires.

Ces capillaires musculaires traversent en effet les muscles et les approvisionnent en O. Comme ces derniers vaisseaux sont très fins, le sang circule plus lentement, et l'oxygène va avoir le temps de se détacher de l'hémoglobine pour ensuite pénétrer librement dans les cellules musculaires (car les parois des capillaires sont très fines). Tout l'oxygène ne peut pas entrer, une partie reste toujours dans le sang, accroché à l'hémoglobine.

Une fois à l'intérieur de la fibre musculaire ( = cellule musculaire ), l'oxygène est transportée par la myoglobine, une sorte d'hémoglobine intramusculaire. Celle-ci va amener l'oxygène dans la mitochondrie qui est une véritable " centrale énergétique", c'est-à-dire une structure organique à l'intérieur desquelles sont brûlés des nutriments ( glucides, lipides, ou plus rarement acide aminé) dans un but énergétique. Les fibres musculaires contiennent des milliers de mitochondries qui assurent  la combustion aérobie (= en présence d' O2) des nutriments. Les mitochondries assurent exclusivement les mécanismes énergétiques aérobies. Une fois dans la mitochondrie, l'oxygène va être utilisé pour brûler les nutriments et libérer ainsi de l'énergie (nécessaire à la resynthèse de l'ATP).

Donc dans les mitochondries, on a la réaction suivante :     Nutriment  +  O2    -->  CO2  +  H2O  + Energie                            

 Nutriment désigne le carburant utilisé (glucose ou lipide ou plus rarement acide aminé); O2 est l'oxygène apporté; COest le dioxyde de carbone issu de la réaction, et qui sera rejeté dans le sang via les poumons via l'atmosphère; H2O représente l'eau qui résulte de la réaction, rejetée par la sueur ou les poumons; Energie représente l'énergie dégagée, qui va servir à la contraction du muscle (qui génère le mouvement).

En plus de son rôle de transporteur au sein du muscle, la myoglobine est capable de stocker une petite quantité d'oxygène, ce qui lui permet lors d'un effort de fournir la mitochondrie sans attendre que le système cardiovasculaire ait atteint sa pleine mesure.

 Après avoir approvisionné les muscles en O2, le sang récupère le CO2 produit durant la combustion des carburants énergétiques (nutriments) puis il remonte jusqu'à la partie droite du cœur. Le sang est alors pauvre en O2 et riche en CO2 (sang en bleu sur le schéma). Une fois dans la partie droite du cœur, il va être expulsé vers les poumons où il va pouvoir rejeter le CO2 (dans l'air ambiant) et se ré approvisionner en O2. Le sang aura alors fait le tour de tout l'organisme.


3- le coeur : une pompe formidable

Nous avons vu que pour arriver jusqu’aux muscles, l’oxygène  Oest transporté par le sang, en se fixant aux globules rouges. Or ce sang ne circule pas de lui-même. C'est grâce à une formidable et infatigable pompe nommée coeur que la circulation sanguine s'effectue. Situé stratégiquement dans notre poitrine, entre les 2 poumons, il permet de propulser le sang sur un réseau sanguin d'une longueur totale de plus de 100 000km de vaisseaux ( = artères, veines, capillaires) !!!

 Le coeur est en partie un muscle, appelé muscle cardiaque, qui fonctionne par automatisme (c'est-à-dire indépendamment de notre volonté) et qui est chargé de propulser le sang de façon rythmique dans tout l'organisme. En outre, l'activité du coeur s'adapte à l'effort physique.

Et chose merveilleuse, le coeur fonctionne de lui-même : il dispose de son propre automatisme. C'est-à-dire qu'il n'est pas dirigé totalement par le système nerveux (cerveau,bulbe rachidien...) et que son système de commande est en lui-même (c'est pour cela qu'un coeur prélevé du corps continu malgré tout de battre un certains temps!).

Le coeur est organisé en deux parties indépendantes (comme s'il y avait 2 coeurs finalement), droite et gauche comprenant chacune deux cavités, une oreillette et un ventricule, communicant par une "petite porte" appelée valvule. Les valvules situées entre oreillettes et ventricules ainsi que celles entre ventricules et artères orientent l’écoulement du sang de l’oreillette vers le ventricule et du ventricule vers l’artère en empêchant son reflux.

anatomiecoeur.jpg

 

Le coeur est donc finalement constitué de 2 sous-pompes indépendantes qui n'ont en commun que le fait d'être accolées l'une contre l'autre, et le fait d'avoir un rythme de contraction coordonné dans le temps. Il y a donc :

  • la sous-pompe gauche (partie gauche du coeur), chargée de faire circuler le sang riche en oxygène, des poumons vers les muscles (et organes) : l’oreillette gauche reçoit le sang enrichi en O2, provenant des poumons. En se contractant, l’oreillette gauche fait passer le sang dans le ventricule gauche. Le ventricule se contracte à son tour et projette le sang à grande vitesse à travers un réseau d’artères, de vaisseaux et de capillaires pour aller alimenter en O2 et en nutriments l’ensemble du corps (muscles,organes...).
  • la sous-pompe droite (partie droite du coeur), charger de faire circuler le sang qui est pauvre en oxygène et riche en CO2, des muscles (et organes) vers les poumons : l’oreillette droite récupère le sang chargé en CO2, provenant des muscles et autres organes. En se contractant, elle fait passer le sang dans le ventricule droit. Le ventricule se contracte à son tour et expédie le sang vers les poumons, afin qu’il soit débarrassé du CO2 et ré-enrichit en O2.

 

A noter néanmoins que bien que la partie gauche et droite du coeur (autrement dis les 2 sous-pompes) sont indépendantes du fait que chacune d'elle est chargée de faire circuler le sang dans un itinéraire différent, elles ont en commun le fait d'être accolées l'une contre l'autre, mais que surtout leur rythme de contraction et relâchement (des oreillettes et ventricules) se fait en même temps, en parfaite coordination, dans un automatisme précis.

A noter aussi que la contraction entres les oreillettes et les ventricules est alternée : les oreillettes se contractent pendant que les ventricules sont relâchés et se remplissent de sang, ensuite les ventricules se contractent à leur tour pendant que les oreillettes se remplissent de sang et ainsi de suite...

 

 3 - Comment fonctionne la coordination entre les poumons et le coeur ?

 Le système cardiovasculaire et le système ventilatoire travaillent ensemble en harmonie et en parfaite coordination afin d'alimenter les muscles (et les organes vitaux) en oxygène, et d'évacuer le dioxyde de carbone des muscles vers l'atmosphère. Le coeur et les poumons travaillent en association et adaptent leurs performances aux circonstances. Ainsi les fréquences respiratoire et cardiaque augmentent-elles au cours d'un effort physique. 

L'ajustement de la ventilation est assurée par des capteurs internes qui mesurent le taux de dioxyde de carbone dans le sang. Si le taux est trop élevé, les capteurs transmettent l’information à l’organisme, qui réagit en conséquence, en sollicitant davantage les muscles respiratoires (le diaphragme, les muscles intercostaux...) afin d’augmenter la ventilation. C'est alors que le volume d'oxygène entrant dans les poumons s'accroit. Simultanément, l'organisme donne l'ordre au coeur d'augmenter sa fréquence ainsi que la force générée à chaque battement, de manière à accélérer la circulation sanguine. Lorsqu'on est au repos, la fréquence cardiaque est d'environ 30 à 80 pulsations par minute, suivant le niveau d'entrainement. Lors d'une activité sportive, la fréquence cardiaque peut facilement grimper à 180/200 pulsations minute. Elle dépend aussi du niveau d'entrainement.