TP 1. Effort physique et consommation de dioxygène
• B. La ventilation pulmonaire réapprovisionne l'organisme en dioxygène
• C. L'effort physique entraîne une consommation de nutriments
• L'essentiel
II. Le sang distribue le dioxygène et les nutriments aux muscles
TP 2. Organisation fonctionnelle du cœur
• A. Le sang distribue les nutriments et le dioxygène aux muscles
TP3. Test de Ruffier-Dickson
• B. Fréquence cardiaque varie en fonction de l'intensité de l'exercice physique
• C. L'exercice physique peut être contre-indiqué
• L'essentiel
BILAN
Image : http://courir33.net
● Lors d'un effort l'augmentation de l'activité cellulaire entraîne une dépense accrue d'énergie.
● On cherche à comprendre comment l'organisme répond à cette demande.
Image : Nathan SVT 2de, 2010 p. 207
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1 Mesure du VO2 max - 2 Mesure du VO2 max chez un athlète endurant de haut niveau - 3 Interprétation du VO2 max en fonction de l'âge et du sexe - 4 Effet de l'entraînement sur le VO2 max (valeurs en mL.min -1.kg -1)
Le VO2 max est la consommation maximale de dioxygène d'un individu. Il se mesure lors d'un test d'effort dont l'intensité est augmentée toutes les minutes jusqu'à épuisement et arrêt de l'exercice. La consommation de dioxygène est relevée à la fin de chaque minute jusqu'à l'effort maximal.
Il est possible d’effectuer pendant un court moment des exercices d’intensité supérieure au VO2 max lors d’efforts intenses et soutenus. Interviennent alors des mécanismes anaérobies (non liés au dioxygène) de conversion énergétique (voir remarque en fin de chapitre). L'entraînement améliore le VO2 max.
Afin de montrer que le VO2 max est un débit et non un volume, on écrit le V avec un point au dessus.
Chez l'Homme, le VO2 max s'exprime en litres de dioxygène par minute (L.min -1). Le plus souvent la valeur est rapportée à l'unité de masse corporelle : c’est le VO2 max spécifique, qui s'exprime alors en mL.min -1.kg -1.
Images : www.raidrunner.com, Alain Gallien d'après http://www.staps.univ-avignon.fr, entrainement-sportif.fr, Hatier SVT 2de, 2010 p. 183.
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1 Mesure du volume d'air ventilé au repos - 2 Mesure du volume d'air ventilé au cours d'un effort modéré
On appelle cycle ventilatoire, une inspiration suivie d’une expiration. Cette ventilation pulmonaire permet le renouvellement de l’air alvéolaire. On appelle fréquence ventilatoire (FC) le nombre de cycles ventilatoires par minute et air courant (AC), le volume d’air qui entre dans les poumons (ou qui en sort) au cours d’un cycle ventilatoire. Au cours d’un effort physique la fréquence ventilatoire et le volume d’air courant augmentent. Il en résulte une augmentation du débit ventilatoire (DV).
Images : Hatier SVT 2de, 2010 p. 180 et 181.
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1 Nutriments consommés suivant la la durée de l'effort - 2 Nutriments consommé suivant l'intensité de l'effort
1 g de glucide libère 17,8 kJ (4,3 kcal) pour 0,8 L d'O2 consommé et 1 g de lipide libère 40 kJ (9,6 kcal) pour 2,04 L d'O2consommé. Dans des conditions physiologiques normales les protides ne sont pas utilisés pour fournir de l'énergie. Le glycogène est une forme de stockage du glucose présente dans le foie et dans les muscles.
Les acides gras sanguins proviennent essentiellement de la dégradation des triglycérides stockés dans le tissu adipeux (les graisses). Les autres acides gras proviennent principalement de la dégradation des triglycérides musculaires. Glucose et acides gras sont des nutriments, ils sont donc directement utilisables par les cellules.
Images : Belin SVT 2de, 2010 p. 199 et Nathan SVT 2de, 2010 p. 208 .
La réserve de glycogène de l'organisme est faible, elle n’excède pas 24 d’utilisation. Il n'en est pas de même des triglycérides qui peuvent s'accumuler. Le tissu adipeux constitue la masse grasse de l'organisme qui s'oppose à la masse maigre (muscles et autre organes).
Image : Hatier SVT 2de, 2010 p. 184
L’indice de masse corporelle (IMC) permet d’apprécier la masse d’un individu. Celle-ci dépend essentiellement de sa masse musculaire et de sa masse grasse.
Image : Belin SVT 2de, 2010 p. 198.
IMC = masse (kg) / taille (m) 2
● Au cours d'un effort physique on observe une augmentation de la consommation :
- de dioxygène jusqu’à un maximum appelé VO2 max qui dépend du niveau d'entraînement, du sexe et de l’âge de l'individu ;
- de nutriments énergétiques (glucose et acides gras).
● La respiration est un ensemble de réactions chimiques (oxydations cellulaires) entre les nutriments et le dioxygène. Elle libère de l’énergie utilisée pour le fonctionnement des organes (et perdue en partie sous forme de chaleur).
nutriments + dioxygène ---> dioxyde de carbone + eau + énergie libérée
● L'organisme ne dispose d'aucune réserve de dioxygène. Il s'en procure en permanence grâce à la ventilation pulmonaire dont la fréquence varie en fonction des besoins.
DV ( L.min-1) = FV (nombre.min-1) x AC (L)
Il n'en est pas de même des nutriments qui sont absorbés au moment des repas puis stockés sous forme de glycogène (pour le glucose) ou de triglycérides (pour les acides gras).
- Si apport énergétique > dépense énergétique : l’organisme constitue des réserves lipidiques. Il y a prise de poids si la situation se prolonge.
- Si apport énergétique < dépense énergétique : l’organisme puise dans sa réserve lipidique. Il y a amaigrissement si la situation se prolonge.
● Un exercice physique modéré (selon le niveau d'entraînement 30 à 70% du VO2 max pendant 30 min au moins tous les 2 à 3 jours), associé à un régime alimentaire équilibré aide à lutter contre l'obésité.
- Un exercice physique est modéré quand on peut parler durant l'exercice sans être essoufflé.
- VO2 max est atteint pour le fréquence cardiaque maximum (FC max : voir plus loin)
Le cœur est un muscle creux et cloisonné
1 oreillette droite - 2 oreillette gauche - 3 veine cave supérieure - 4 aorte - 5 artère pulmonaire - 6 veines pulmonaires - 7 valvule auriculo-ventriculaire (mitrale) - 8 valvule artérielle (aortique) - 9 ventricule gauche - 10 ventricule droit - 11 veine cave inférieure - 12 valvule auriculo-ventriculaire (tricuspide) - valvule artérielle (pulmonaire).
Image : www.parisdeveloppement.com
Injections d'eau dans le cœur de mouton (vidéo muette)
Source : www.youtube.com
Les valvules cardiaques (ou valves cardiaques) fonctionnent comme des clapets qui imposent au sang de circuler à sens unique. Durant la systole ventriculaire, la fermeture des valvules auriculo-ventriculaires (« TOUM », premier bruit, sourd, du cœur) empêche le sang de refluer vers les oreillettes. Pendant la diastole générale, la fermeture des valvules artérielles (« TA » second bruit, sec, du cœur) empêche le sang de retourner dans les ventricules. Image : Belin SVT 2de, 2010 p. 209
L’appareil cardiovasculaire forme un système clos
Le cœur expulse le sang dans des artères en direction des organes. Les capillaires sont des vaisseaux perméables et de faible diamètre, situés dans les organes, qui permettent des échanges (gaz respiratoires, nutriments...) entre le sang et les organes. Les veines ramènent le sang des organes vers le cœur.
Image : Nathan SVT 2de, p. 212
La circulation pulmonaire (du ventricule droit à l'oreillette gauche) et la circulation générale (du ventricule gauche à l'oreillette droite) sont disposées en série car les valvules cardiaques imposent un sens unique du sang dans les vaisseaux.
Dans la circulation générale, les organes sont placés en dérivation, ils reçoivent tous un sang qui provient directement du cœur (saturé en dioxygène).
La vasoconstriction ou diminution du diamètre des artérioles et la vasodilatation ou augmentation du diamètre des artérioles, permettent d’adapter le débit sanguin des organes en fonction de leurs besoins. Ce mécanisme concerne tous les organes.
Image : Nathan SVT 2de, p. 213
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1 Électrocardiogrammes (ECG) au repos - 2 ECG lors d'un effort modéré - 3 ECG lors d'un effort intense - 4 Comparaison des 3 enregistrements.
La fréquence cardiaque (FC) est le nombre de battements cardiaques par minute.
On appelle volume d’éjection systolique (VES) la quantité de sang éjectée par un ventricule lors de sa contraction et débit cardiaque (DC) la quantité de sang éjectée par un ventricule par unité de temps. Le débit sanguin du cœur droit est identique au débit sanguin du cœur gauche.
Images : Nathan SVT 2de, 2010 p. 214.
DC (mL.min-1) = FC (battements.min-1) x VES (mL)
Entre le repos (DC = 5L/min) et un effort de 150W (DC = 20 L/min) le débit cardiaque est multiplié par 4. Au delà de 150W, l'augmentation de la FC est compensée par la diminution de la VES (le cœur ne se remplit plus complètement en diastole). Il en résulte une stagnation du DC.
Image : Nathan SVT 2de, 2010 p. 211
Au repos la différence artério-veineuse en dioxygène est de 50 mL/L de sang (200-150 = 50). A l'effort maximal elle est de 155 ml/L (200-50=150), c'est à dire 3 fois plus.
Image : Hachette SVT 2de, 2000 p. 122.
Ce TP FACULTATIF peut être placé en fin de chapitre.
Elle se mesure en milieu médical lors d'un test d'effort pour un exercice d'intensité maximale. Il est cependant facile d'en obtenir une valeur approchée.
Sélection nationale U19 : le médecin Patrick Flamant installant un cardiofréquencemètre avec une ceinture pectorale à Abdoulaye Diallo avant le travail athlétique.
Image : www.fff.fr
Souffle : bruit supplémentaire et anormal perçu à l'auscultation cardiaque. Il témoigne de l'existence de turbulences lors du passage du sang au travers d'une valvule ou d'une cloison intra-cardiaque.
Varice : dilatations permanentes des veines, le plus souvent sur le membre inférieur.
Tachycardie : rythme cardiaque plus rapide que la normale.
Spasme laryngé : trouble ventilatoire consécutif a un rétrécissement spasmodique larynx.
Asthme : inflammation plus ou moins grave des bronches qui se traduit par une difficulté à ventiler, un essoufflement, une respiration sifflante ou une sensation d’oppression dans la poitrine.
Image : Nathan SVT 2de, 2010 p. 217
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1 Artère coronaire rétrécie - 2 Formation d'une plaque d'athérome sur la paroi d'une artère et ses conséquences. Images : Hatier SVT 2de, 2010 p. 204 et Hachette SVT 2de, 2010 p. 217
À partir de 40 ans l'athérosclérose peut être une contre-indication à la pratique sportive. Elle se caractérise par une accumulation de lipides sur la paroi interne des artères (plaques d'athérome en 2) qui entraîne un rétrécissement du diamètre des artères. Le cholestérol, l'hypertension artérielle, le diabète ou le tabagisme favorisent son apparition. Il y a alors risque d'infarctus ou d'accident vasculaire cérébral (AVC).
Si une pratique sportive permet de diminuer le risque d'apparition des maladies cardio-vasculaires, leur survenue est une contre-indication. Cependant les risques cardio-vasculaires associés à une pratique sportive sont beaucoup moins fréquents que ceux dus à la sédentarité.
L'ECG est un enregistrement de l'activité électrique du cœur. L'onde P correspond à la contraction des oreillettes, l'onde QRS (pic) correspond à la contraction des ventricules et l'onde T correspond au relâchement des ventricules.
Image : Hatier SVT 2de, 2010 p. 205
10 règles d'or pour pratiquer le sport
Source : www.clubcardiosport.com
● Le cycle cardiaque (= révolution cardiaque) s'opère en trois étapes et entretient une double circulation :
- la systole auriculaire éjecte le sang de chacune des deux oreillettes vers chacun des deux ventricules ;
- lors de la systole ventriculaire, le ventricule droit éjecte le sang dans les artères pulmonaires (circulation pulmonaire), le ventricule gauche éjecte le sang dans l’artère aorte vers l’ensemble des autres organes (circulation générale) ;
- pendant la diastole générale (repos) la veine cave ramène le sang dans l’oreillette droite et les veines pulmonaires ramènent le sang dans l’oreillette gauche (remplissage du cœur).
● Au cours d’un effort physique la fréquence cardiaque (FC = nombre de cycles cardiaques par minute) augmente puis se stabilise à une valeur maximale qui dépend uniquement de l’âge du sujet.
FC max théorique = 220 – âge du sujet
Le volume d’éjection systolique (VES) est lui aussi modifié. Il en résulte une augmentation du débit cardiaque (DC).
DC (mL.min-1) = FC (battements.min-1) x VES (mL)
La fréquence cardiaque et le volume d'éjection systolique ayant chacun une valeur maximale le débit cardiaque a lui même une valeur maximale qui conditionne la quantité de dioxygène transportée et donc le VO2 max.
● Les circulations pulmonaire et générale sont disposées en série et le sang circule à sens unique (imposé par le fonctionnement des valvules). Le sang qui provient des organes est donc obligatoirement orienté vers les poumons où il s’enrichit en dioxygène et le sang qui a traversé les poumons est obligatoirement envoyé dans les organes où il met le dioxygène et les nutriments à disposition des cellules. Dans la circulation générale les organes sont placés en dérivation (en parallèle). Cela permet à chaque organe d’être alimenté en sang saturé en dioxygène car il provient directement des poumons.
● La pratique d'une activité physique sollicite le cœur. Cela nécessite qu'on se soit assuré au préalable de l'absence d'anomalies dans le fonctionnement cardiaque.
● Au cours d’un effort long et/ou peu intense l'augmentation de l'activité respiratoire permet de transformer l'énergie chimique des nutriments en énergie utilisable par les muscles. Cela est rendu possible par l'organisation anatomique et des modifications physiologiques.
● Un bon état cardiovasculaire et ventilatoire est indispensable à la pratique d'un exercice physique.