39.2 : Échange de gaz à travers les surfaces respiratoires

Compétences à développer

• Nommer et décrire les volumes et les capacités pulmonaires
• Comprendre comment la pression des gaz influence la façon dont les gaz entrent dans le corps et en sortent

La structure du poumon maximise sa surface afin d'augmenter la diffusion des gaz. En raison du nombre énorme d'alvéoles (environ 300 millions dans chaque poumon humain), la surface du poumon est très grande (75 m ²). Une telle surface augmente la quantité de gaz qui peut se diffuser à l'intérieur et à l'extérieur des poumons.

Principes de base de l'échange de gaz

L'échange de gaz pendant la respiration se fait principalement par diffusion. La diffusion est un processus dans lequel le transport est entraîné par un gradient de concentration. Les molécules de gaz se déplacent d'une région de forte concentration vers une région de faible concentration. Le sang dont la concentration en oxygène est faible et élevée en dioxyde de carbone est soumis à un échange gazeux avec l'air contenu dans les poumons. L'air des poumons contient une concentration d'oxygène plus élevée que celle du sang appauvri en oxygène et une concentration plus faible de dioxyde de carbone. Ce gradient de concentration permet l'échange de gaz pendant la respiration.

La pression partielle est une mesure de la concentration des différents composants d'un mélange de gaz. La pression totale exercée par le mélange est la somme des pressions partielles des composants du mélange. La vitesse de diffusion d'un gaz est proportionnelle à sa pression partielle au sein du mélange gazeux total. Ce concept est discuté plus en détail ci-dessous.

Volumes et capacités pulmonaires

Différents animaux ont des capacités pulmonaires différentes en fonction de leurs activités. Les guépards ont développé une capacité pulmonaire beaucoup plus élevée que celle des humains ; cela aide à fournir de l'oxygène à tous les muscles du corps et leur permet de courir très rapidement. Les éléphants ont également une capacité pulmonaire élevée. Dans ce cas, ce n'est pas parce qu'ils courent vite mais parce qu'ils ont un corps volumineux et doivent être capables d'absorber de l'oxygène en fonction de leur taille.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les volumes et capacités pulmonaires humains sont présentés. La capacité pulmonaire totale de l'homme adulte est de six litres. Le volume de marée est le volume d'air inhalé en une seule respiration normale. La capacité inspiratoire est la quantité d'air absorbée lors d'une respiration profonde, et le volume résiduel est la quantité d'air restant dans les poumons après une respiration forcée.

La taille des poumons humains est déterminée par la génétique, le sexe et la taille. À sa capacité maximale, un poumon moyen peut contenir près de six litres d'air, mais les poumons ne fonctionnent généralement pas à pleine capacité. L'air dans les poumons est mesuré en termes de volumes pulmonaires et de capacités pulmonaires (Figure\(\PageIndex{1}\) et Tableau\(\PageIndex{1}\)). Le volume mesure la quantité d'air nécessaire à une fonction (par exemple, l'inhalation ou l'expiration). La capacité est égale à deux volumes ou plus (par exemple, la quantité pouvant être inhalée à la fin d'une expiration maximale).

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Volumes et capacités pulmonaires (moyenne des hommes adultes)

Volume/Capacité	Définition	Volume (litres)	équations
Volume de marée (TV)	Quantité d'air inhalée lors d'une respiration normale	0,5	-
Volume de réserve expiratoire (ERV)	Quantité d'air pouvant être expirée après une expiration normale	1.2	-
Volume de réserve inspiratoire (IRV)	Quantité d'air pouvant être davantage inhalée après une inhalation normale	3.1	-
Volume résiduel (RV)	Air laissé dans les poumons après une expiration forcée	1.2	-
Capacité vitale (VC)	Quantité maximale d'air pouvant entrer ou sortir des poumons au cours d'un seul cycle respiratoire	4.8	ERV+TÉLÉVIS+IRV
Capacité inspiratoire (IC)	Volume d'air pouvant être inhalé en plus d'une expiration normale	3.6	TÉLÉVIS+IRV
Capacité résiduelle fonctionnelle (FRC)	Volume d'air restant après une expiration normale	2.4	RÉNOVATEUR ET CAMPING-CAR
Capacité pulmonaire totale (TLC)	Volume total d'air dans les poumons après une inspiration maximale	6,0	RV+ERV+TÉLÉVIS+IRV
Volume expiratoire forcé (FEV1)	Quelle quantité d'air peut être expulsée des poumons sur une période donnée, généralement une seconde	~4,1 à 5,5	-

Le volume dans les poumons peut être divisé en quatre unités : volume courant, volume de réserve expiratoire, volume de réserve inspiratoire et volume résiduel. Le volume de marée (TV) mesure la quantité d'air qui est inspirée et expirée lors d'une respiration normale. En moyenne, ce volume est d'environ un demi-litre, ce qui est un peu moins que la capacité d'une bouteille de boisson de 20 onces. Le volume de réserve expiratoire (ERV) est la quantité d'air supplémentaire qui peut être expirée après une expiration normale. C'est le montant de la réserve qui peut être expiré au-delà de ce qui est normal. À l'inverse, le volume de réserve inspiratoire (IRV) est la quantité d'air supplémentaire qui peut être inhalée après une inhalation normale. Le volume résiduel (RV) est la quantité d'air qui reste après l'expiration du volume de réserve expiratoire. Les poumons ne sont jamais complètement vides : il reste toujours de l'air dans les poumons après une expiration maximale. Si ce volume résiduel n'existait pas et que les poumons étaient complètement vidés, les tissus pulmonaires se colleraient les uns aux autres et l'énergie nécessaire pour regonfler les poumons pourrait être trop importante pour être vaincue. Par conséquent, il reste toujours de l'air dans les poumons. Le volume résiduel est également important pour prévenir les fortes fluctuations des gaz respiratoires (O ₂ et CO ₂). Le volume résiduel est le seul volume pulmonaire qui ne peut pas être mesuré directement car il est impossible de vider complètement le poumon de son air. Ce volume ne peut être que calculé et non mesuré.

Les capacités sont des mesures de deux volumes ou plus. La capacité vitale (VC) mesure la quantité maximale d'air qui peut être inhalée ou expirée au cours d'un cycle respiratoire. Il s'agit de la somme du volume de réserve expiratoire, du volume de marée et du volume de réserve inspiratoire. La capacité inspiratoire (IC) est la quantité d'air qui peut être inhalée après la fin d'une expiration normale. Il s'agit donc de la somme du volume maréal et du volume de réserve inspiratoire. La capacité résiduelle fonctionnelle (FRC) comprend le volume de réserve expiratoire et le volume résiduel. Le FRC mesure la quantité d'air supplémentaire qui peut être expirée après une expiration normale. Enfin, la capacité pulmonaire totale (TLC) est une mesure de la quantité totale d'air que les poumons peuvent contenir. Il s'agit de la somme du volume résiduel, du volume de réserve expiratoire, du volume de marée et du volume de réserve inspiratoire.

Les volumes pulmonaires sont mesurés par une technique appelée spirométrie. Une mesure importante prise lors de la spirométrie est le volume expiratoire forcé (FEV), qui mesure la quantité d'air qui peut être expulsée des poumons sur une période donnée, généralement une seconde (FEV1). De plus, la capacité vitale forcée (CVF), qui est la quantité totale d'air pouvant être exhalée de force, est mesurée. Le rapport de ces valeurs (rapport FEV1/FVC) est utilisé pour diagnostiquer les maladies pulmonaires, notamment l'asthme, l'emphysème et la fibrose. Si le rapport FEV1/CVF est élevé, cela signifie que les poumons ne sont pas souples (c'est-à-dire qu'ils sont raides et incapables de se plier correctement) et que le patient présente très probablement une fibrose pulmonaire. Les patients expirent très rapidement la majeure partie du volume pulmonaire. À l'inverse, lorsque le rapport FEV1/CVF est faible, il existe une résistance dans les poumons, caractéristique de l'asthme. Dans ce cas, il est difficile pour le patient de faire sortir l'air de ses poumons et il faut beaucoup de temps pour atteindre le volume d'expiration maximal. Dans les deux cas, la respiration est difficile et des complications surviennent.

Lien de carrière : inhalothérapeute

Les inhalothérapeutes ou les inhalothérapeutes évaluent et traitent les patients atteints de maladies pulmonaires et cardiovasculaires. Ils travaillent au sein d'une équipe médicale afin d'élaborer des plans de traitement pour les patients. Les inhalothérapeutes peuvent traiter les bébés prématurés dont les poumons sont sous-développés, les patients souffrant de maladies chroniques telles que l'asthme ou les patients plus âgés souffrant de maladies pulmonaires telles que l'emphysème et la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Ils peuvent utiliser des équipements de pointe tels que des systèmes d'alimentation en gaz comprimé, des ventilateurs, des analyseurs de gaz sanguins et des réanimateurs. Les programmes spécialisés pour devenir inhalothérapeute mènent généralement à un baccalauréat avec une spécialité d'inhalothérapeute. En raison du vieillissement de la population, les opportunités de carrière en tant qu'inhalothérapeute devraient rester nombreuses.

Pression du gaz et respiration

Le processus respiratoire peut être mieux compris en examinant les propriétés des gaz. Les gaz se déplacent librement, mais les particules de gaz heurtent constamment les parois de leur récipient, produisant ainsi une pression de gaz.

L'air est un mélange de gaz, principalement de l'azote (N ₂ ; 78,6 %), de l'oxygène (O ₂ ; 20,9 %), de la vapeur d'eau (H ₂ O ; 0,5 %) et du dioxyde de carbone (CO ₂ ; 0,04 %). Chaque composant gazeux de ce mélange exerce une pression. La pression d'un gaz individuel dans le mélange est la pression partielle de ce gaz. Environ 21 % des gaz atmosphériques sont de l'oxygène. Le dioxyde de carbone se trouve toutefois en quantités relativement faibles, 0,04 pour cent. La pression partielle de l'oxygène est bien supérieure à celle du dioxyde de carbone. La pression partielle de n'importe quel gaz peut être calculée par :

\[\text{P} = \text{(P}_\text{atm}\text{)} * \text{(percent content in mixture)}\nonumber\]

P _atm, la pression atmosphérique, est la somme de toutes les pressions partielles des gaz atmosphériques additionnées,

\[\text{P}_\text{atm} = \text{P}_{\text{N}_2} + \text{P}_{\text{O}_2} + \text{P}_{\text{H}_2\text{O}} + \text{P}_{\text{CO}_2} = 760 \text{ mm Hg}\nonumber\]

× (teneur en pourcentage du mélange).

La pression de l'atmosphère au niveau de la mer est de 760 mm Hg. Par conséquent, la pression partielle d'oxygène est :

\[\text{P}_{\text{O}_2} = (760\text{ mm Hg})(0.21) = 160\text{ mm Hg}\nonumber\]

et pour le dioxyde de carbone :

\[\text{P}_{\text{CO}_2} = (760\text{ mm Hg})(0.0004) = 0.3\text{ mm Hg}\nonumber\]

À haute altitude, P _atm diminue mais la concentration ne change pas ; la diminution partielle de la pression est due à la réduction de P _atm.

Lorsque le mélange d'air atteint les poumons, il est humidifié. La pression de la vapeur d'eau dans les poumons ne modifie pas la pression de l'air, mais elle doit être incluse dans l'équation de pression partielle. Pour ce calcul, la pression de l'eau (47 mm Hg) est soustraite de la pression atmosphérique :

\[760\text{ mm Hg} - 47\text{ mm Hg} = 713\text{ mm Hg}\nonumber\]

et la pression partielle d'oxygène est :

\[(760\text{ mm Hg} - 47\text{ mm Hg}) (0.21) = 150\text{ mm Hg}\nonumber\]

Ces pressions déterminent l'échange de gaz, ou le débit de gaz, dans le système. L'oxygène et le dioxyde de carbone circuleront selon leur gradient de pression de haut en bas. Par conséquent, la compréhension de la pression partielle de chaque gaz aidera à comprendre comment les gaz se déplacent dans le système respiratoire.

Échange de gaz à travers les alvéoles

Dans l'organisme, l'oxygène est utilisé par les cellules des tissus de l'organisme et le dioxyde de carbone est produit sous forme de déchets. Le rapport entre la production de dioxyde de carbone et la consommation d'oxygène est le quotient respiratoire (RQ). Le RQ varie entre 0,7 et 1,0. Si seul le glucose était utilisé pour alimenter le corps, le QR serait égal à un. Une mole de dioxyde de carbone serait produite pour chaque mole d'oxygène consommée. Le glucose, cependant, n'est pas le seul carburant pour le corps. Les protéines et les graisses sont également utilisées comme carburants pour le corps. De ce fait, moins de dioxyde de carbone est produit que d'oxygène n'est consommé et le QR est, en moyenne, d'environ 0,7 pour les matières grasses et d'environ 0,8 pour les protéines.

Le RQ est utilisé pour calculer la pression partielle d'oxygène dans les espaces alvéolaires du poumon, l'alvéolaire\(\text{P}_{\text{O}_2}\). Ci-dessus, la pression partielle d'oxygène dans les poumons a été calculée à 150 mm Hg. Cependant, les poumons ne se dégonflent jamais complètement à l'expiration ; par conséquent, l'air inspiré se mélange à cet air résiduel et abaisse la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles. Cela signifie que la concentration d'oxygène dans les poumons est inférieure à celle que l'on trouve dans l'air à l'extérieur du corps. Connaissant le RQ, la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles peut être calculée :

\[\text{alveolar P}_{\text{O}_2} = \text{inspired P}_{\text{O}_2} - \frac{\text{alveolar P}_{\text{O}_2}} {\text{RQ}} \nonumber\]

Avec un RQ de 0,8 et un a\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) dans les alvéoles de 40 mm Hg, l'alvéolaire\(\text{P}_{\text{O}_2}\) est égal à :

\[\text{alveolar P}_{\text{O}_2} = 150\text{ mm Hg} - \frac{40\text{ mm Hg}} {0.8} = \text{mm Hg}\nonumber\]

Notez que cette pression est inférieure à celle de l'air extérieur. Par conséquent, l'oxygène s'écoulera de l'air inspiré dans les poumons (\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 150 mm Hg) vers la circulation sanguine (\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 100 mm Hg) (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Dans les poumons, l'oxygène diffuse hors des alvéoles vers les capillaires qui entourent les alvéoles. L'oxygène (environ 98 %) se lie de manière réversible à l'hémoglobine, un pigment respiratoire, présent dans les globules rouges (GR). Les globules rouges transportent l'oxygène vers les tissus où l'oxygène se dissocie de l'hémoglobine et se diffuse dans les cellules des tissus. Plus précisément, la concentration alvéolaire\(\text{P}_{\text{O}_2}\) est plus élevée dans les alvéoles (\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\)= 100 mm Hg) que dans le sang\(\text{P}_{\text{O}_2}\) (40 mm Hg) dans les capillaires. En raison de l'existence de ce gradient de pression, l'oxygène diffuse le long de son gradient de pression, sort des alvéoles et pénètre dans le sang des capillaires où l'O ₂ se lie à l'hémoglobine. Dans le même temps, l'alvéolaire\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) est plus faible\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\) = 40 mm Hg que le sang\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = (45 mm Hg). Le CO ₂ diffuse le long de son gradient de pression, sort des capillaires et pénètre dans les alvéoles.

L'oxygène et le dioxyde de carbone se déplacent indépendamment l'un de l'autre ; ils diffusent le long de leurs propres gradients de pression. Lorsque le sang quitte les poumons par les veines pulmonaires, la veine\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 100 mm Hg, tandis que la veineuse\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 mm Hg. Lorsque le sang pénètre dans les capillaires systémiques, le sang perd de l'oxygène et accumule du dioxyde de carbone en raison de la différence de pression entre les tissus et le sang. Dans les capillaires systémiques,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 100 mm Hg, mais dans les cellules tissulaires,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 40 mm Hg. Ce gradient de pression entraîne la diffusion de l'oxygène hors des capillaires vers les cellules tissulaires. Dans le même temps, le sang\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 mm Hg et le tissu systémique\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 mm Hg. Le gradient de pression entraîne le CO ₂ hors des cellules tissulaires vers les capillaires. Le sang qui retourne aux poumons par les artères pulmonaires a une concentration veineuse\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 40 mm Hg et a\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 mm Hg. Le sang pénètre dans les capillaires pulmonaires où le processus d'échange de gaz entre les capillaires et les alvéoles recommence (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Art Connection

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone changent lorsque le sang circule dans le corps.

Laquelle des affirmations suivantes est fausse ?

1. Dans les tissus, le sang\(\text{P}_{\text{O}_2}\) diminue lorsque le sang passe des artères aux veines, tout en\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) augmentant.
2. Le sang circule des poumons vers le cœur vers les tissus corporels, puis revient au cœur, puis aux poumons.
3. Le sang circule des poumons vers le cœur vers les tissus corporels, puis revient aux poumons, puis au cœur.
4. \(\text{P}_{\text{O}_2}\)est plus élevée dans l'air que dans les poumons.

En résumé, le changement de pression partielle entre les alvéoles et les capillaires entraîne l'oxygène dans les tissus et le dioxyde de carbone dans le sang à partir des tissus. Le sang est ensuite transporté vers les poumons, où les différences de pression dans les alvéoles entraînent le mouvement du dioxyde de carbone du sang vers les poumons et de l'oxygène dans le sang.

Lien vers l'apprentissage

Regardez cette vidéo pour savoir comment réaliser une spirométrie.

Résumé

Les poumons peuvent contenir un grand volume d'air, mais ils ne sont généralement pas remplis au maximum de leur capacité. Les mesures du volume pulmonaire incluent le volume marée, le volume de réserve expiratoire, le volume de réserve inspiratoire et le volume résiduel. La somme de ces valeurs est égale à la capacité pulmonaire totale. Le mouvement du gaz vers ou hors des poumons dépend de la pression du gaz. L'air est un mélange de gaz ; par conséquent, la pression partielle de chaque gaz peut être calculée pour déterminer la façon dont le gaz circulera dans les poumons. La différence entre la pression partielle du gaz dans l'air entraîne l'oxygène dans les tissus et le dioxyde de carbone hors du corps.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{2}\) : Laquelle des affirmations suivantes est fausse ?

1. Dans les tissus, le sang\(\text{P}_{\text{O}_2}\) diminue lorsque le sang passe des artères aux veines, tout en\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) augmentant.
2. Le sang circule des poumons vers le cœur vers les tissus corporels, puis revient au cœur, puis aux poumons.
3. Le sang circule des poumons vers le cœur vers les tissus corporels, puis revient aux poumons, puis au cœur.
4. \(\text{P}_{\text{O}_2}\)est plus élevée dans l'air que dans les poumons.

Réponse

C

Lexique

alvéolaire\(\text{P}_{\text{O}_2}\)

pression partielle d'oxygène dans les alvéoles (généralement autour de 100 mmHg)

volume de réserve expiratoire (ERV)

quantité d'air supplémentaire pouvant être expirée après une expiration normale

Rapport FEV1/FVC

rapport entre la quantité d'air qui peut être expulsée des poumons en une seconde et la quantité totale expulsée des poumons ; une mesure de la fonction pulmonaire qui peut être utilisée pour détecter les états pathologiques

volume expiratoire forcé (FEV)

(également, capacité vitale forcée) mesure de la quantité d'air qui peut être expulsée des poumons à partir d'une inspiration maximale sur une période de temps donnée

capacité résiduelle fonctionnelle (FRC)

volume de réserve expiratoire plus volume résiduel

capacité inspiratoire (IC)

volume de marée plus volume de réserve inspiratoire

volume de réserve inspiratoire (IRV)

quantité d'air supplémentaire qui peut être inspirée après une inhalation normale

capacité pulmonaire

mesure de deux volumes pulmonaires ou plus (quantité d'air pouvant être inhalée entre la fin de l'expiration et la capacité maximale)

volume pulmonaire

mesure de l'air pour une fonction pulmonaire (inhalation ou expiration normales)

pression partielle

quantité de pression exercée par un gaz au sein d'un mélange de gaz

volume résiduel (RV)

quantité d'air restant dans les poumons après une expiration maximale

quotient respiratoire (RQ)

rapport entre la production de dioxyde de carbone et chaque molécule d'oxygène consommée

spirométrie

méthode pour mesurer les volumes pulmonaires et diagnostiquer les maladies pulmonaires

volume de marée (TV)

quantité d'air inspirée et expirée lors d'une respiration normale

capacité pulmonaire totale (TLC)

somme du volume résiduel, du volume de réserve expiratoire, du volume de marée et du volume de réserve inspiratoire

veineux\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)

pression partielle de dioxyde de carbone dans les veines (40 mm Hg dans les veines pulmonaires)

veineux\(\text{P}_{\text{O}_2}\)

pression partielle d'oxygène dans les veines (100 mm Hg dans les veines pulmonaires)

capacité vitale (VC)

somme du volume de réserve expiratoire, du volume de marée et du volume de réserve inspiratoire