BIOENERGETIQUE & EXERCICE MUSCULAIRE

1. Unité 6: Sciences Biologiques appliquées aux APS YQUEL Ronan, UFRSTAPS Bordeaux 2, Licence 2ème année BIOENERGETIQUE & EXERCICE MUSCULAIRE Substrats énergétiques & Transport d’O2 ATP ADP + Pi

2. • • Qc Qc Bioénergétique et exercice musculaire Partie 3: Transport de l’O2 de l’atmosphère aux mitochondries: Étape Circulatoire - 3.1 Débit cardiaque: - 3.2 Fc et VES - 3.3 Distribution du - 3.4 Pression artérielle - 3.5 Contrôle des résistances - 3.6 Diffusion du sang aux muscles

3. Partie 2: Transport de l’O2, poumons Circulation pulmonaire Basse pression Petite circulation organes Circulation systémique Haute pression Grande circulation

4. Partie 2: Transport de l’O2, Organisation générale du système cardiovasculaire Cœur droit Cœur gauche Veine cave inférieure et supérieure Aorte Veines Artères Veinules Artérioles Capillaires microcirculation

5. Partie 2: Transport de l’O2, Organisation générale du système cardiovasculaire Artères: Conduits à faible résistance transportant le sang aux divers organes avec une faible perte de pression. Elles se comportent comme des réservoirs de pression permettant le maintien du débit sanguin entre les contractions ventriculaires. Artérioles: Sites majeurs de résistance à l’écoulement; elles sont responsables des variations de distributions sanguin aux divers organes. Capillaires: sites d’échanges entre le sang et les tissus. Veines: Conduits à faible résistance assurant le retour du débit sanguin au cœur. Le volume sanguin veineux est ajusté pour faciliter cet écoulement.

6. Partie 2: Transport de l’O2,

7. Partie 2: Transport de l’O2, Organisation générale du système cardiovasculaire

8. Partie 2: Transport de l’O2, Organisation générale du système cardiovasculaire William Harvey, en 1628, a démontré que le système cardiovasculaire forme un cercle. La circulation du sang à travers toutes les parties du corps se produit sous l’influence de pressions crées par l’action de pompage du cœur. Cette circulation est appelée « écoulement de masse » car tous les constituants du sang se déplacent ensemble. Deux éléments importants sont à souligner : la notion de pression et de résistance. Le débit du sang se fait toujours d’une région de haute pression vers une région de basse pression. P1 P2

9. (P1 – P2) R Ce qui revient à dire que le débit est directement proportionnel à la différence de pression et inversement proportionnel à la résistance à l’écoulement. Partie 2: Transport de l’O2, Organisation générale du système cardiovasculaire P1 P2 Mais pour connaître le débit exacte entre deux points il faut connaître aussi la résistance au débit ( R ), c’est à dire de savoir à quelles difficultés le liquide se heurte pour circuler entre deux points. Débit =

10. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Le cœur Myocarde : il est anatomiquement situé dans la cavité thoracique entre les deux poumons dans un espace appelé médiastin. Le poids du cœur est proportionnel au poids du corps, mais cette relation n’est pas parfaitement linéaire ; le rapport poids du cœur/ poids du corps varie d’une espèce à l’autre en fonction de l’activité de l’espèce considérée. Le cœur humain adulte normal est de 250 g, il est environ de 5 g chez un lapin de 2.5 kg, 0.25g chez un rat de 300 g et de 0.09 g chez une souris de 20 g. Mais, il existe par exemple une relation de proportionnalité directe entre la masse cardiaque et la masse corporelle au niveau d'espèces d'un même groupe zoologique.

11. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Le cœur Homme Lapin Rat Souris

12. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Anatomie cardiaque Artère carotide Veine cave supérieure Aorte Artère pulmonaire veines pulmonaires Oreillette droite Oreillette gauche Artère coronaire droite Artère coronaire gauche Veine cave inférieure

13. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Anatomie cardiaque Oreillette gauche OG OD Oreillette droite Valvule Mitrale Valvules tricuspides VG ventricule gauche VD Ventricule droit Septum interventriculaire Apex

14. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Innervation cardiaque et tissu de conduction Veine cave supérieure Nœud sinusal Nœud auriculo-ventriculaire d’Aschoff-Tawara Faisceau de His Branche gauche Branche droite Réseau de Purkinje

15. Potentiel d’action +20 Plateau 0 Potentiel de membrane ( mV) -80 0 150 300 Temps (ms) Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0 Rappel. Innervation cardiaque et tissu de conduction Excitation (dépolarisation de la membrane plasmique) Ouverture des canaux Ca2+ sous l’influence du voltage Libération du Ca2+ dans la cellule Augmentation du Ca2+ dans le cytosol Fig. Potentiel d’action dans une cellule musculaire ventriculaire Contraction Fig. Couplage excitation-contraction dans le muscle cardiaque est dépendant du Ca2+.

16. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Innervation cardiaque et tissu de conduction Nœud sinusal Myocarde auriculaire Nœud auriculo-ventriculaire Faisceau de His Branche d’Aschoff-Tawara Réseau de Purkinje Myocarde Ondes transmembranaires

17. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Innervation cardiaque Le cœur ne possède ni innervation motrice, ni innervation sensitive, mais il possède une innervation sympathique (ortho) et vagale (para). Son activité rythmique est automatique. Un cœur isolé de l’organisme et convenablement perfusé continue à battre. Elle est assurée par un système électrique particulier, le tissu de conduction. Ce tissu possède un centre d’automatisme, le nœud sinusal, qui envoie spontanément sans influence extérieure une impulsion électrique ; celle ci se propage à tout l’organe par des voies privilégiées. Le nœud sinusal d’où part l’impulsion électrique a une forme de virgule qui fait légèrement saillie sur le pourtour intra cavitaire de la veine cave supérieure. Le nœud auriculo-ventriculaire d’Aschoff-Tawara est à la jonction de l’oreillette droite et du septum proche des valves auriculo-ventriculaire ; il se prolonge par le faisceau de His dans l’épaisseur du septum, lequel se divise en deux branches une pour chaque ventricule, le réseau de Purkinje.

18. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Innervation cardiaque Cortex Sympathique Parasympathique Ou vagale Tronc cérébral Cervelet acétylcholine Centre cardio-vasculaire bulbaire acétylcholine Arcs réflexes médullaires Noyau du nerf vagal Moelle épinière Bulbe rachidien Noradrénaline acétylcholine Myocarde

19. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Innervation cardiaque Le système sympathique et parasympathique permettent au myocarde de s’adapter aux influences extérieures. Ils sont tous deux construits de la même manière : -Un étage central : les connections se font avec le cortex ( informations émotionnelles) et avec les arcs réflexes médullaires, comme le baroréflexe. - Un étage pré ganglionnaire : le neurotransmetteur est le même dans les deux systèmes : c’est l’acétylcholine qui agit à cet étage, sur les récepteurs spécifiques (nicotinique). - Un étage périphérique : le mode de transduction est différent pour les deux systèmes. Pour le sympathique, le transmetteur est la noradrénaline qui agit sur un récepteur spécifique, le récepteur  adrénergique. Pour le parasympathique, le transmetteur est l’acétylcholine qui agit sur un autre récepteur.

20. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Cycle cardiaque Aorte Veine cave supérieure Artère pulmonaire Oreillette gauche Oreillette droite veines pulmonaires Veine cave inférieure ventricule gauche Ventricule droit

21. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire contraction auriculaire permet le maintien de P 3.0. Cycle cardiaque P1 P1 P1 P1 P2 P2 P2 P2 contraction auriculaire  Remplissage ventriculaire: diastole

22. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Cycle cardiaque P2 P2 P2 P2 P1 P1 P1 P1 Volume télé-diastolique Contraction ventriculaire Iso-volumétrique augmente P Éjection ventriculaire   Systole

23. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Cycle cardiaque Volume télé-systolique Relaxation ventriculaire Iso-volumétrique 

24. 110 50 Pression (mmHg) 0 130 Volume ventriculaire gauche (ml) 65 1 2 3 4 1 Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.0. Cycle cardiaque    

25. Le contrôle du débit cardiaque est un élément essentiel de l’irrigation tissulaire. Le volume pompé par chaque ventricule par minute est appelé débit cardiaque Qc, et est exprimé en l.min-1. . . Qc = VES x Fc . . Qc Qc Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.1 Débit Cardiaque l.min-1 l. bpm =0.08 X 70 = 5.6 l.min-1 Au repos =30 à 35 l.min-1 A l’exercice

26. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 Débit Cardiaque: contrôle de la fréquence cardiaque i) Contrôle nerveux: En l’absence complète de toute influence nerveuse ou hormonale, le cœur bat à une fréquence égale à 100-110 bpm. Ce rythme est lié à la fréquence de décharge autonome du nœud sinusal. Cependant, la FC peut être plus basse ou plus élevée, car le nœud sinusal est placé sous l’influence constante de nerfs et d’hormones. - la stimulation des nerfs para (vagale) entraîne un ralentissement du cœur: c’est la bradycardie; - la stimulation des nerfs  augmente la fréquence cardiaque: c’est la tachycardie. A l’état de repos l’influence para  est dominante et la FC de repos est inférieure à la fréquence de décharge du nœud sinusal (70-72 bpm).

27. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2. Contrôle de la FC Cortex Sympathique Parasympathique Ou vagale Stimulation Tachycardie Inhibition bradycardie Noyau du nerf vagal Moelle épinière Bulbe rachidien Effet chronotrope positif Effet chronotrope négatif Myocarde

28. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2. Contrôle de la FC Noyau du nerf vagal Hormone Adrénaline Moelle épinière Bulbe rachidien Effet chronotrope positif Myocarde

29. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 Débit Cardiaque: contrôle de la fréquence cardiaque i) Contrôle hormonal: L’adrénaline principale hormone libérée par la glande médullo-surrénale, accélère le cœur. L’adrénaline agit sur les même récepteurs  adrénergique que la noradrénaline. Fréquence cardiaque FC Nœud sinusal Activité parasympathique – Acétylcholine-> Acétylcholine Récepteur nicotinique Activité sympathique + Acétylcholine -> Noradrénaline Récepteur  adrénergique Hormone, adrénaline, Récepteur  adrénergique Fig. Résumé des principaux facteurs influençant la FC: effet chronotrope

30. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 fréquence cardiaque et masse corporelle musaraigne homme éléphant Fig . Relation entre la fréquence cardiaque et le poids des organismes. A: Chez les mammifères. D'après Schmidt-Nielsen 1983, modifié. B: Chez les oiseaux. D'après Bishop et Butler (J. Exp. Biol., 198, 2153, 1995), modifié Par exemple, la fréquence au repos est de 25 pulsations/min chez un éléphant de 3000 kg alors qu'elle atteint 600 pulsations/min chez une musaraigne de 3 g.

31. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES Le volume d’éjection systolique correspond au volume de sang éjecté au cours de chaque contraction ventriculaire (systole). Les ventricules ne se vident jamais complètement au cours de leur contraction. VES Volume télé-systolique

32. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES Par conséquent une contraction plus forte peut entraîner une augmentation du volume systolique. Les variations de force des contractions peuvent être produites par divers facteurs: VES Volume télé-systolique

33. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES • Les variations du volume télédiastolique: c’est à dire du volume de sang contenu dans les ventricules avant la contraction. • Les modifications d’amplitude des influx nerveux du systèmes sympathique. • Les variations du volume télédiastolique: Loi du cœur de Starling VES = VTD – VTS VES = 120 ml – 50ml = 70 ml/battement Volume télédiastolique: VTD Volume télésystolique: VTS

34. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES • Loi du cœur de Starling Volume systolique Pression de remplissage ventriculaire

35. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES • Loi du cœur de Starling Volume systolique Pression de remplissage ventriculaire Volume télédiastolique Volume télésystolique Contraction des fibres musculaires du ventricule

36. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES • Loi du cœur de Starling: le mécanisme sous-jacent à cette loi est que le muscle cardiaque, comme un autre muscle, augmente sa force de contraction quand il est étiré préalablement. Le physiologiste anglais Starling avait observé qu’il y a une relation directe entre le volume diastolique, c’est à dire l’étirement des fibres musculaires, et la force de contraction de la systole suivante: c’est la loi de Starling. • La signification de ce mécanisme intrinsèque peut être appliquée in situ; une augmentation d’arrivée de sang veineux au cœur (retour veineux) entraîne automatiquement une augmentation du débit cardiaque en distendant le ventricule et en augmentant le volume systolique.

37. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES ii) Nerfs sympathiques Hormone Adrénaline Augmentation de la contractilité  Loi de Starling

38. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES ii) Nerfs sympathiques: L’effet de la noradrénaline consiste à augmenter la force de contraction ventriculaire quelque soit le volume télédiastolique. C’est à dire que l’augmentation de la force de contraction liée à la stimulation du système sympathique est indépendant d’un changement de longueur de la fibre du myocarde: c’est le phénomène de contractilité. Cette augmentation de la force de contraction est accompagnée par une augmentation de la rapidité de la contraction et de la relaxation des ventricules. Stimulation  Vitesse force relaxation Force développée au cours de la contraction témoin Temps

39. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 contrôle du VES ii) Nerfs sympathiques: L’adrénaline augmente aussi la contractilité du myocarde. La noradrénaline et l’adrénaline augmentent la contractilité en déclenchant une augmentation de passage du Ca2+ dans le cytosol au cours de l’excitation: c’est l’inotropisme = augmentation de la contractilité Volume systolique= VES Volume ventriculaire télédiastolique Loi de Starling Activité sympathique + Acétylcholine -> Noradrénaline Récepteur  adrénergique Hormone, adrénaline, Récepteur  adrénergique Fig. Résume des principaux facteurs influençant le VES

40. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 synthèse Débit cardiaque = VES x FC Fréquence cardiaque FC: effets chronotrope Volume systolique= VES Volume ventriculaire télédiastolique inotropisme Activité parasympathique Acétylcholine-> Acétylcholine Récepteur nicotinique Hormone, adrénaline, Récepteur  adrénergique inotropisme Loi de Starling Activité sympathique Acétylcholine -> Noradrénaline Récepteur  adrénergique Contractilité

41. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.2 synthèse: notion de précharge et de postcharge i) Précharge: - Elle correspond au degré d’étirement du muscle cardiaque: Loi de Starling - Elle correspond aussi à la contractilité des fibres du myocarde. La contractilité est une intensification de la force de contraction du myocarde: effet inotrope. ii) Postcharge: - Elle correspond à la contre pression exercée par le sang artériel. C’est la pression qui s’oppose à celle que produisent les ventricules lorsqu’ils éjectent le sang du cœur.

42. • • Qc Qc Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.3 Distribution du 750 Cerveau Cœur 250 1200 Muscle = Pa / R organe 500 Peau 1100 Rein 1400 Abdomen Fig. Répartition du débit sanguin au repos. Les chiffres indiquent le dépit sanguin en millilitre par minute 600 Autre 5800 ml.min-1

44. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle La pression artérielle maintient les parois du système artériel distendues et assure l’écoulement. C’est la pression la plus élevée de l’organisme. La pression artérielle moyenne (Pa) est quasiment constante dans tout le système artériel. Elle ne chute qu’à sa sortie au niveau des artérioles. 100 mmHg 50 mmHg 260 mmHg 95 mmHg

45. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle 50% du VES est « stocké », puis restitué par les fibres élastiques Fibres élastiques 50% duVES entre dans la circulation systémique Fig. fonction d’amortissement de la paroi artérielle

46. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle Pression systolique 120 Pression différentielle Pression (mmHg) Pression moyenne 80 Pression diastolique Temps (s)

47. La pression artérielle (Pa) au repos est l’une des grandeurs les plus stables: elle ne varie pas de plus de 10 mmHg (1 kPa) autour de la valeur moyenne. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle La pression artérielle moyenne (Pa) est calculée comme l’aire sous la courbe divisée par la durée du cycle cardiaque. Elle est aussi calculée approximativement: Pa= Pression diastolique + 1/3 de la différentielle Chez l’adulte jeune les valeurs normale de pression sont de: - pour la systolique, entre 110 et 140 mmHg (17 kPa) - pour la diastolique, entre 60 et 80 mmHg (9kPa) - pour Pa, entre 70 et 95 mmHg

48. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle Pression systolique Pression différentielle Pression diastolique Trois facteurs déterminent l’amplitude de la pression différentielle: - Le VES - La vitesse (v) à laquelle le VES est éjecté - L’extensibilité artérielle

49. Transport de l’O2 :Étape Circulatoire • Pression •  • Constante 3.4 Pression artérielle Artères élastiques: -Aorte -Carotide -Iliaque -Pulmonaire Capillaires Artérioles Artères musculaires Pression chute

50. • Qc Transport de l’O2 :Étape Circulatoire 3.4 Pression artérielle Pression chute ? Pa = x R organe Fig. Évolution de la pression en fonction des réseaux vasculaires