La respiration est l'ensemble des phénomènes qui permettent à un organisme de prélever du dioxygène (O₂) dans le milieu extérieur et d'y rejeter du dioxyde de carbone (CO₂), afin d'assurer, au niveau de chaque cellule, la production d'énergie utilisable. Chez l'Homme, elle repose sur un appareil respiratoire spécialisé, sur un phénomène mécanique (la ventilation) et sur un phénomène physico-chimique (les échanges gazeux et la respiration cellulaire).
L'air inspiré emprunte successivement : les fosses nasales (réchauffement, humidification et filtration de l'air), le pharynx, le larynx, puis la trachée (tube maintenu ouvert par des anneaux cartilagineux), qui se divise en deux bronches (une par poumon). Chaque bronche se ramifie en bronchioles de plus en plus fines, lesquelles se terminent par de minuscules sacs : les alvéoles pulmonaires. Chaque alvéole est entourée d'un riche réseau de capillaires sanguins : c'est au niveau de la fine paroi commune alvéole-capillaire que se réalisent les échanges gazeux entre l'air et le sang.
Inspiration : le diaphragme (muscle séparant le thorax de l'abdomen) se contracte et s'abaisse, tandis que les muscles intercostaux se contractent et soulèvent les côtes. Le volume de la cage thoracique augmente, la pression à l'intérieur des poumons diminue, ce qui provoque l'entrée d'air depuis l'extérieur (dépression relative).
Expiration : le diaphragme et les muscles intercostaux se relâchent, la cage thoracique reprend son volume initial (plus réduit), la pression pulmonaire augmente, ce qui chasse l'air vers l'extérieur. Au repos, l'expiration est un phénomène passif ; elle peut devenir active (muscles abdominaux) lors d'un effort.
La comparaison de la composition de l'air inspiré et de l'air expiré montre que l'air expiré est appauvri en O₂ et enrichi en CO₂ par rapport à l'air inspiré. Cela met en évidence, au niveau de la membrane alvéolo-capillaire, une double diffusion : l'O₂ passe de l'air alvéolaire (où il est plus concentré) vers le sang capillaire (où il est moins concentré) ; le CO₂ suit le trajet inverse, du sang vers l'air alvéolaire, pour être éliminé par expiration.
Le dioxygène est transporté dans le sang presque totalement fixé sur l'hémoglobine, protéine contenue dans les globules rouges, qui se combine réversiblement à l'O₂ pour former l'oxyhémoglobine. Le dioxyde de carbone, produit par les cellules, est transporté par le sang sous plusieurs formes : dissous dans le plasma, fixé sur l'hémoglobine, et surtout sous forme d'ions hydrogénocarbonates (HCO₃⁻) dissous dans le plasma, forme majoritaire de transport.
Au niveau de chaque cellule, le glucose apporté par le sang est dégradé (catabolisé) en présence d'O₂ prélevé par le sang, ce qui produit de l'énergie utilisable par la cellule (sous forme d'ATP), ainsi que du CO₂ et de l'eau comme déchets. Cette réaction, réalisée principalement dans les mitochondries, peut se résumer par le bilan simplifié :
Glucose + O2 ---> Energie (ATP) + CO2 + H2O
La fermentation est un mode de dégradation du glucose qui ne nécessite pas de dioxygène (métabolisme anaérobie) ou qui est réalisé par des micro-organismes spécialisés ; elle libère de l'énergie de façon moins complète que la respiration cellulaire.
Réalisée par des levures (champignons microscopiques) en milieu pauvre en O₂ (anaérobie), elle transforme le glucose en éthanol et en dioxyde de carbone, avec libération d'une faible quantité d'énergie.
Réalisée par des bactéries lactiques, elle transforme le glucose en acide lactique, avec également libération d'une faible quantité d'énergie.
Applications industrielles : la fermentation alcoolique des levures, en produisant du CO₂, fait lever la pâte à pain (le gaz reste piégé dans le réseau de gluten, ce qui rend la mie alvéolée). La fermentation lactique, quant à elle, est mise à profit pour la fabrication du yaourt et du fromage à partir du lait (acidification et coagulation des protéines du lait). Par ailleurs, la fermentation anaérobie de déchets organiques (fumier, ordures ménagères, boues d'épuration) par des micro-organismes permet de produire du biogaz (riche en méthane), utilisé comme source d'énergie. Enfin, l'industrie pharmaceutique utilise des micro-organismes cultivés en fermenteurs pour produire des substances d'intérêt médical, comme certains antibiotiques ou des hormones (insuline recombinante par exemple).
Pour une même quantité de glucose dégradé, la respiration cellulaire (en présence d'O₂) libère une quantité d'énergie beaucoup plus importante que la fermentation (en absence d'O₂), car la dégradation du glucose y est complète (jusqu'au CO₂ et à l'eau) alors qu'elle reste partielle lors des fermentations (le glucose n'est que partiellement oxydé, en éthanol ou en acide lactique, molécules qui contiennent encore de l'énergie chimique non libérée). C'est pourquoi la respiration a un rendement énergétique nettement supérieur à celui des fermentations.
Le sang est un liquide visqueux, de couleur rouge (due à l'hémoglobine), qui circule uniquement à l'intérieur des vaisseaux sanguins (artères, veines, capillaires) sous l'effet de la pompe cardiaque.
Si l'on empêche la coagulation d'un échantillon de sang (ajout d'un anticoagulant) et qu'on le laisse décanter (ou qu'on le centrifuge), le sang se sépare en deux fractions : une partie liquide, jaunâtre, surnageante, le plasma, et un culot de cellules au fond du tube. À l'inverse, si l'on laisse le sang coaguler naturellement (sans anticoagulant), on obtient un caillot (contenant les cellules et la fibrine) et un liquide clair surnageant, le sérum (plasma privé des facteurs de coagulation).
L'observation microscopique du culot cellulaire révèle trois types d'éléments figurés : les globules rouges (ou hématies), très nombreux, dépourvus de noyau, chargés d'hémoglobine et responsables du transport de l'O₂ ; les globules blancs (ou leucocytes), moins nombreux, nucléés, assurant la défense immunitaire de l'organisme ; les plaquettes (thrombocytes), fragments cellulaires indispensables à la coagulation du sang en cas de blessure.
Le sang assure le transport des gaz respiratoires (O₂ et CO₂), des nutriments (issus de la digestion) vers les cellules, des déchets métaboliques vers les organes excréteurs, et des hormones vers leurs organes cibles. Il participe également à la défense de l'organisme contre les agents infectieux (grâce aux globules blancs) et contribue à la régulation de la température corporelle, en redistribuant la chaleur produite par les organes vers l'ensemble du corps.
Le milieu intérieur, dans lequel baignent toutes les cellules de l'organisme, comprend trois compartiments liquidiens en relation : le sang, circulant dans les vaisseaux sanguins ; la lymphe, circulant dans les vaisseaux lymphatiques ; et le liquide interstitiel (ou plasma interstitiel), qui baigne directement les cellules des tissus et assure les échanges entre le sang et les cellules.
L'homéostasie désigne l'ensemble des mécanismes physiologiques qui maintiennent constants les paramètres physico-chimiques du milieu intérieur (température, pH sanguin, glycémie, concentration en ions, etc.), malgré les variations du milieu extérieur ou de l'activité de l'organisme. Cette stabilité est indispensable, car les cellules ne peuvent fonctionner correctement que dans un environnement physico-chimique étroitement contrôlé ; toute dérive importante d'un de ces paramètres perturbe le métabolisme cellulaire et peut mettre en danger la survie de l'organisme.
L'appareil urinaire comprend deux reins (organes filtrant le sang en continu), chacun prolongé par un uretère qui conduit l'urine formée vers la vessie (organe de stockage temporaire de l'urine), elle-même reliée à l'extérieur par l'urètre. Chaque rein est constitué d'une multitude d'unités fonctionnelles microscopiques, les néphrons, chacun formé d'un glomérule (pelote de capillaires sanguins enveloppée par une capsule) prolongé par un long tubule (tube contourné proximal, anse, tube contourné distal) qui se jette dans un tube collecteur.
Au niveau du glomérule, la pression sanguine force le passage d'une partie du plasma (eau, sels minéraux, glucose, urée, petites molécules) à travers la paroi des capillaires vers la capsule du néphron ; les cellules sanguines et les grosses protéines, trop volumineuses, restent dans le sang. Ce filtrat, appelé urine primitive (ou urine initiale), a donc une composition proche de celle du plasma, mais dépourvue de protéines.
Tout au long du tubule, une réabsorption sélective permet de récupérer vers le sang la quasi-totalité de l'eau, la totalité du glucose et une grande partie des sels minéraux utiles contenus dans l'urine primitive. Simultanément, une sécrétion de certaines substances (ions, déchets, médicaments) du sang vers le tubule complète l'ajustement de la composition de l'urine. Au terme de ce double travail, l'urine définitive (très concentrée en déchets tels que l'urée, mais débarrassée du glucose et des substances utiles réabsorbées) s'écoule vers les uretères puis la vessie.
Chez un sujet sain, l'urine définitive ne contient normalement ni glucose ni protéines, contrairement au plasma sanguin qui en contient normalement. Cette différence s'explique par le fonctionnement du néphron : les protéines ne franchissent pas le filtre glomérulaire, et le glucose filtré est intégralement réabsorbé au niveau du tubule.
| Caractéristique | Urine initiale (glomérulaire) | Urine définitive |
|---|---|---|
| Origine | Filtration du plasma au glomérule | Urine initiale modifiée le long du tubule |
| Eau | Abondante | Fortement réduite (réabsorption) |
| Glucose | Présent (même concentration que le plasma) | Absent (réabsorption totale) |
| Protéines | Absentes (ne franchissent pas le filtre) | Absentes |
| Urée et déchets azotés | Peu concentrés | Fortement concentrés (déchets non réabsorbés) |
| Volume produit par jour | Environ 180 L | Environ 1,5 L |
La présence anormale de glucose dans l'urine définitive (glycosurie) traduit généralement une glycémie trop élevée dépassant la capacité de réabsorption du tubule, signe évocateur d'un diabète. La présence anormale de protéines (albuminurie ou protéinurie) révèle quant à elle une atteinte du filtre glomérulaire, qui laisse anormalement passer des protéines normalement retenues : c'est un signe de dysfonctionnement rénal qui doit conduire à des examens complémentaires.
Lorsque les reins d'un patient ne remplissent plus correctement leur fonction (insuffisance rénale grave), un rein artificiel peut suppléer temporairement cette fonction : le sang du patient est prélevé, mis en contact, à travers une membrane artificielle semi-perméable, avec un liquide de dialyse, ce qui permet d'éliminer par diffusion les déchets accumulés (urée notamment) et de rééquilibrer la composition du sang, avant de le restituer au patient. Ce traitement, appelé dialyse, doit être répété régulièrement (plusieurs séances par semaine).
Outre le rein, d'autres organes participent à l'élimination des déchets de l'organisme : les glandes sudoripares de la peau éliminent de l'eau et des sels minéraux par la sueur (rôle également dans la régulation thermique) ; les poumons éliminent le CO₂, déchet gazeux de la respiration cellulaire, lors de l'expiration.
On décrit le trajet de l'air inspiré chez l'Homme : l'air pénètre par des cavités situées derrière le nez où il est réchauffé et humidifié (structure A) ; il traverse ensuite un tube maintenu ouvert par des anneaux cartilagineux (structure B) ; ce tube se divise en deux conduits, un pour chaque poumon (structure C) ; ces conduits se ramifient en tubes de plus en plus fins (structure D) qui se terminent par de minuscules sacs entourés de capillaires sanguins (structure E), lieu des échanges gazeux.
La fermentation alcoolique est utilisée depuis des millénaires par l'Homme, notamment en boulangerie.
L'analyse de l'urine définitive d'un patient révèle la présence anormale de glucose (glycosurie), alors que l'urine d'un sujet sain n'en contient normalement pas.
On compare la composition de l'urine initiale (filtrat glomérulaire) et celle de l'urine définitive chez un même individu sain.
Ce problème comporte deux parties indépendantes portant sur le fonctionnement respiratoire et rénal d'un même patient suivi en clinique.
Partie A — Échanges gazeux pulmonaires
Le tableau suivant donne, pour un patient au repos, la composition (en pourcentage du volume) de l'air inspiré et de l'air expiré :
| Gaz | Air inspiré | Air expiré |
|---|---|---|
| Dioxygène (O₂) | 21 % | 16 % |
| Dioxyde de carbone (CO₂) | 0,04 % | 4 % |
| Diazote (N₂, inerte) | 78,96 % | 78,96 % |
Partie B — Fonctionnement du néphron
Chez ce même patient, on mesure un débit de filtration glomérulaire de 120 mL de filtrat par minute. Sur 24 heures, on estime que 99 % de l'eau filtrée est réabsorbée par les tubules rénaux, et que la totalité du glucose filtré (environ 125 mg de glucose par minute, en moyenne) est retrouvée réabsorbée, sans aucune trace de glucose dans les urines recueillies.
10 questions · Correction immédiate
Les échanges gazeux respiratoires entre l'air et le sang ont lieu au niveau :
Lors de l'inspiration, la contraction du diaphragme provoque :
Dans le sang, le dioxygène est essentiellement transporté fixé sur :
La respiration cellulaire, en présence d'O₂, produit principalement :
La fabrication du pain repose sur une application industrielle de :
Parmi les éléments constitutifs du sang, celui qui assure la coagulation est :
L'homéostasie désigne :
La filtration du sang dans le néphron a lieu au niveau :
Par rapport à l'urine initiale, l'urine définitive est :
La présence anormale de glucose dans l'urine définitive est un signe évocateur :
