P10 PHYSIO Le Système Cardio-Vasculaire et le Sang

Le Système Cardio-Vasculaire

• Le système cardio-vasculaire est composé du sang, du cœur et des vaisseaux sanguins.
• Le sang permet les échanges avec les cellules et les organes spécialisés.
• Le cœur agit comme une pompe, propulsant le sang dans un circuit fermé de vaisseaux sanguins pour irriguer l'ensemble du corps.

Composition du Sang et Rôles

• La volémie, ou volume sanguin, est de 5 à 6 litres chez l'homme et de 4 à 5 litres chez la femme.
• Le pH sanguin varie entre 7,35 et 7,45, avec une température de 38°C dans des conditions physiologiques normales.
• La centrifugation du sang révèle trois couches distinctes, reflétant divers composés sanguins.

Les Globules Rouges

• Une masse rougeâtre composée de globules rouges (érythrocytes ou hématies) se forme au fond du tube lors de la centrifugation.
• Les globules rouges transportent l'oxygène grâce à l'hémoglobine.
• Les globules rouges sont anucléées, produisent de l'énergie de manière anaérobie et ont une durée de vie limitée à 120 jours, après quoi elles sont détruites dans la rate.
• Le taux de globules rouges dans le sang (5m/µl) est régulé homéostatiquement : sous le contrôle de l'érythropoïétine (EPO), une hormone rénale qui cible les cellules souches de la moelle osseuse en réponse à l'hypoxie.
• L'hématocrite, ou quantité de globules rouges dans un échantillon sanguin, est de 45% chez l'homme et 42% chez la femme, et varie selon l'âge, le sexe, l'altitude, le niveau d'entraînement et certaines substances dopantes.

Les Globules Blancs et les Plaquettes

• Après centrifugation, une fine couche blanchâtre (moins de 1% de l'échantillon) apparaît, composée de globules blancs (leucocytes) et de plaquettes (thrombocytes).
• Les globules blancs font partie du système immunitaire pour la protection contre les agents pathogènes.
• Les plaquettes interviennent dans le processus de coagulation.
• Un échantillon de sang contient entre 4000 et 10000 leucocytes et entre 0,15 et 0,3 x 106 plaquettes.

Le Plasma

• Le plasma constitue la couche supérieure (55% de l'échantillon) après centrifugation.
• Chez un sujet de 70 kg, le volume plasmatique est de 3 litres.
• Volume sanguin = volume plasmatique + volume érythrocytaire.
• Volume plasmatique = volume sanguin (5,5 l) – volume érythrocytaire (5,5 * 45%)
• Le plasma est principalement composé d'eau (93% du poids plasmatique).
• Le volume plasmatique constitue l’un des 3 compartiments liquidiens de l’organisme.

Constituants du Plasma

• Le plasma contient des ions ou électrolytes (moins de 1% du poids plasmatique), notamment du sodium, du chlore et des bicarbonates, essentiels au maintien du pH et de l'osmolarité.
• Il transporte des molécules de gaz (O2, CO2) issues des échanges pulmonaires et tissulaires.
• On y trouve des nutriments (glucose, acides aminés, lipides), vitamines et oligo-éléments.
• Des dérivés du métabolisme (urée, créatinine) et des hormones sont présents.
• De grosses protéines (fibrinogène, albumine, globulines) y sont présentes.
• Le fibrinogène est impliqué dans la coagulation, les globulines dans la défense immunitaire (anticorps) ou le transport de substances, et l'albumine dans la régulation du pH.

Modifications du Volume Plasmatique à l'Exercice

• Lors d'un exercice, le volume plasmatique diminue en raison d'une redistribution des fluides vers les muscles actifs.
• Une perte d'eau supplémentaire se produit pour réguler la température centrale (paramètre homéostatique).
• L'activité physique augmente la demande en ATP, ce qui entraîne une production de chaleur et une perte d'eau par sudation.
• La déshydratation réduit les performances maximales.
• La variation du volume plasmatique dépend de l'hydratation, de l'intensité de l'exercice et des conditions environnementales (température, humidité).

Le Cœur : Structure et Fonction

• Le cœur, organe d'environ 300g, est situé au centre de la cage thoracique (2/3 à gauche), entre la deuxième et la sixième côte, et protégé par le péricarde.
• Le cœur est une pompe qui génère la pression nécessaire à la circulation sanguine dans l'organisme.

Le Cœur : Deux Pompes Distinctes

• Le cœur est composé de deux pompes distinctes : le cœur droit et le cœur gauche.
• Chaque cœur comprend une oreillette (partie supérieure) et un ventricule (partie inférieure).
• Les oreillettes reçoivent le sang de la circulation, tandis que les ventricules propulsent le sang hors du cœur.
• Les cœurs sont reliés à des artères et des veines.
• L'oreillette droite reçoit le sang pauvre en O2 des veines caves, qui est déversé dans le ventricule droit et renvoyé vers la circulation pulmonaire pour être réoxygéné.
• Le sang enrichi en O2 revient ensuite vers l'oreillette gauche via les veines pulmonaires, est déversé dans le ventricule gauche, puis pompé dans l'aorte pour irriguer tout le corps.
• Le cœur droit alimente la circulation pulmonaire, tandis que le cœur gauche alimente la circulation systémique.

Cavités et Valves Cardiaques

• Le cœur comprend des oreillettes et des ventricules.
• Des valves auriculo-ventriculaires assurent le passage unidirectionnel du sang des oreillettes vers les ventricules.
• Ces valves empêchent le reflux sanguin lors de la contraction ventriculaire.
• La valve tricuspide est située au niveau du cœur droit et la valve mitrale au niveau du cœur gauche.
• Des valves "anti-retour" sont également présentes au niveau de l'aorte (valvules semi-lunaires ou valve aortique) et de l'artère pulmonaire (valvule sigmoïde ou valve pulmonaire), empêchant le reflux du sang dans les ventricules.

Le Myocarde

• L'endocarde est l'épithélium qui tapisse les cavités cardiaques.
• Le myocarde, une couche musculaire, permet la contraction du cœur.
• Le myocarde se prolonge vers l'intérieur du cœur et forme le septum séparant les deux ventricules.
• L'épaisseur du myocarde varie, étant plus importante au niveau du ventricule gauche.
• Les cellules du myocarde sont alimentées par la circulation coronarienne (artères et veines coronaires).
• Les fibres musculaires cardiaques partagent des similitudes avec les fibres musculaires striées squelettiques mais présentent des spécificités liées à leur fonction.
• La contraction est assurée par des sarcomères et la libération de calcium du réticulum sarcoplasmique en réponse à une stimulation électrique.
• La production d'ATP se fait principalement par voie aérobie.
• Les cellules myocardiques sont irriguées, riches en mitochondries et en gouttelettes lipidiques, consommant principalement des acides gras (60%), du glucose (35%), et de l'acide lactique.

Caractéristiques des Cellules Cardiaques

• Les cellules musculaires cardiaques sont courtes, ramifiées et contiennent rarement plus de deux noyaux centraux.
• Elles sont reliées par des disques intercalaires avec desmosomes (adhésion) et jonctions ouvertes (communication ionique).
• La contraction des fibres musculaires cardiaques est initiée par une stimulation électrique.
• Contrairement aux fibres squelettiques, la stimulation électrique du cœur n'est pas liée au système nerveux : le cœur possède un système de commande intégré (système cardionecteur).

Système Cardionecteur

• Le système cardionecteur génère une stimulation électrique automatique et rythmique, qui est ensuite propagée aux cellules cardiaques.
• Il est constitué de cellules cardiaques spécialisées : les cellules cardionectrices.
• Le nœud sinusal, un amas de cellules cardionectrices situé dans l'oreillette droite près de la veine cave supérieure, est un élément clé.
• Le nœud auriculo-ventriculaire, un autre amas situé à la base de l'oreillette droite, est aussi important.
• Les nœuds sinusal et auriculo-ventriculaire sont reliés par les faisceaux internodaux.
• Du nœud auriculo-ventriculaire part le faisceau de His (ou faisceau auriculo-ventriculaire) qui se divise en deux branches en suivant le septum.
• Ces fibres de conduction se prolongent par les fibres de Purkinje dans les parois ventriculaires, entrant en contact avec les cellules cardiaques.

Fonctionnement du Système Cardionecteur

• Les cellules cardionectrices sont excitables comme les cellules nerveuses et musculaires, capables de décharger un potentiel d'action en réponse à une dépolarisation suffisante.
• Au repos, les cellules cardionectrices ont un potentiel de repos de -60mV, lié à la répartition des ions de part et d'autre de la membrane.
• Le potentiel d'action implique une dépolarisation brusque de la membrane suivie d'une repolarisation plus lente.
• Cette dépolarisation/repolarisation est induite par des modifications de la perméabilité membranaire, impliquant l'entrée d'ions sodium puis calcium, et la sortie d'ions potassium, ainsi que le rétablissement des équilibres ioniques NA/K par les pompes.
• Les potentiels d'action sont générés de manière automatique et rythmique, déclenchant la contraction du cœur.
• Les cellules cardionectrices sont auto-excitables, établissant le rythme de l'excitation électrique.
• Le potentiel d'action est généré au niveau du nœud sinusal puis propagé par le système de conduction (faisceaux internodaux, nœud auriculo-ventriculaire, faisceau de His, fibres de Purkinje).
• La contraction cardiaque présente un décalage entre les oreillettes et les ventricules, car le nœud auriculo-ventriculaire ralentit la propagation du potentiel d'action.
• L'organisation des fibres de Purkinje induit une contraction ventriculaire de bas en haut.

Couplage Excitation-Contraction

• Le potentiel d'action généré par le système cardionecteur déclenche la dépolarisation et la contraction des cellules cardiaques.
• Le potentiel d'action se propage des cellules cardionectrices aux cellules musculaires cardiaques, puis de cellule musculaire à cellule musculaire via des jonctions communicantes (gap junctions).
• Lors de la dépolarisation des cellules cardionectrices, des ions Na et Ca rejoignent les cellules musculaires adjacentes, initiant la dépolarisation membranaire et l'ouverture des canaux sodium.
• La repolarisation résulte de la sortie des ions potassium et du retour du calcium, ainsi que du rétablissement des équilibres ioniques NA/K.
• La fréquence des battements cardiaques est donnée par la répétition automatique et rythmée des cellules du nœud sinusal.
• Le nœud sinusal est le pacemaker (centre rythmogène) du cœur, avec une fréquence de décharge intrinsèque de 100/minute.
• L'électrocardiographe enregistre les potentiels d'action électriques des cellules cardionectrices et musculaires cardiaques, ce qui permet d'étudier les événements électriques du cœur.

Cycle Cardiaque

• Les événements électriques du cœur mènent à une alternance de contraction et de relâchement du myocarde, permettant le pompage du sang.
• Le cycle de contraction et de relâchement est la révolution cardiaque, comprenant des phases de contraction (systoles auriculaire et ventriculaire) et de relâchement (diastoles auriculaire et ventriculaire).
• Les phases de contraction éjectent le sang, tandis que les phases de relâchement permettent le remplissage des cavités.

Chronologie du Cycle Cardiaque: Exemple du Cœur Droit

• Les événements se déroulent de manière similaire dans le cœur droit et le cœur gauche.
• Lors de la diastole auriculaire et ventriculaire (cœur relâché), l'oreillette aspire le sang des veines caves supérieure et inférieure, un processus passif lié aux différences de pression sanguine.
• Pendant que l'oreillette se remplit de sang, le sang se déverse également dans le ventricule à travers la valve auriculo-ventriculaire ouverte (70% du contenu de l'oreillette).
• La contraction de l'oreillette (systole auriculaire) pousse le reste du sang dans le ventricule.
• Presque immédiatement après la contraction de l'oreillette, le ventricule se contracte (diastole oreillettes).
• En première partie de systole ventriculaire, la valve auriculo-ventriculaire et la valve pulmonaire sont fermées, ce qui augmente la pression intra-ventriculaire.
• Lorsque la pression intra-ventriculaire dépasse celle dans l'artère, la valve pulmonaire s'ouvre et le sang est éjecté (60% du volume ventriculaire).
• Puis, le ventricule se relâche (diastole ventriculaire), la valve pulmonaire se ferme, et l'oreillette commence à se remplir de sang.
• Lorsque la pression dans l'oreillette dépasse la pression ventriculaire, la valve auriculo-ventriculaire s'ouvre et le remplissage du ventricule recommence.

Différences entre le Cœur Droit et le Cœur Gauche

• La révolution cardiaque est similaire dans les deux cœurs.
• Les pressions dans les artères de sortie diffèrent : plus élevée dans l'aorte que dans l'artère pulmonaire.
• La même quantité de sang est éjectée par les deux ventricules, grâce à la différence de force développée par les ventricules (le ventricule gauche étant plus fort).

Paramètres de la Fonction Cardiaque

• Le volume d'éjection systolique (VES) est le volume éjecté par les ventricules à chaque contraction.
• En moyenne, le VES au repos chez un homme adulte est de 70 ml/battement.
• La fréquence cardiaque (Fc) est le nombre de battements cardiaques par minute.
• En moyenne, la Fc au repos chez un homme adulte est de 75 battements/minute.
• Le débit cardiaque est le volume de sang éjecté par le ventricule gauche (ou droit) dans l'aorte (ou l'artère pulmonaire) par minute.
• En moyenne, le débit cardiaque au repos chez un homme adulte est de 5,25 l/minute (VES x Fc = 70 x 75 = 5250 ml/minute).

Modulation de la Fréquence Cardiaque

• Un cœur isolé bat à une fréquence de 100 battements/minute sous l'influence du nœud sinusal.
• In situ, des influences nerveuses modulent l'activité électrique du nœud sinusal, ramenant la fréquence à 75 battements/minute.
• Les nerfs sympathique et parasympathique innervent le cœur au niveau du nœud sinusal.
• La stimulation des nerfs parasympathiques diminue la fréquence cardiaque, tandis que celle des nerfs sympathiques l'augmente.
• Au repos, l'activité parasympathique domine, maintenant une Fc moyenne de 75 battements/minute.
• Le stress ou l'exercice physique entraînent une adaptation de la Fc via le centre cardiaque situé dans le bulbe rachidien, qui reçoit des informations des barorécepteurs (pression artérielle) situés dans les sinus carotidiens et la crosse aortique.

Régulation du Volume d'Éjection Systolique (VES)

• Au repos, les ventricules ne se vident pas complètement lors de la contraction.
• Si nécessaire, une contraction plus puissante peut augmenter le VES en augmentant la vidange ventriculaire.
• La modulation du VES passe par la modulation de la force de contraction du myocarde, impliquant deux mécanismes : la loi de Starling et le rôle du système nerveux sympathique.

Loi de Starling

• La force de contraction du ventricule est proportionnelle au volume de sang présent à la fin de la diastole ventriculaire (avant la contraction).
• Plus le ventricule est rempli, plus la contraction sera importante.
• L'étirement des cellules musculaires cardiaques par le volume de sang dans les ventricules détermine la force de contraction des fibres musculaires.

Rôle du Système Nerveux Sympathique

• Les nerfs sympathiques se distribuent dans l'ensemble du myocarde, contrairement au système nerveux parasympathique.
• La stimulation des nerfs sympathiques augmente la contractilité ventriculaire (force de contraction).