UE3P Adaptations Métaboliques Effort PASS 2023 P. Laveneziana PDF

2021-2022 UE 3P Polycopié ADAPTATIONS METABOLIQUES, MUSCULAIRES, CARDIOVASCULAIRES ET VENTILATOIRES A L'EFFORT Pr Pierantonio LAVENEZIANA (PU-PH de Physiologie) Service des Explorations Fonctionnelles de la Respiration, de l'Exercice et de la Dyspnée (EFRED) Hôpitaux Universitaires Pitié-Salpêtrière...

2021-2022 UE 3P Polycopié ADAPTATIONS METABOLIQUES, MUSCULAIRES, CARDIOVASCULAIRES ET VENTILATOIRES A L'EFFORT Pr Pierantonio LAVENEZIANA (PU-PH de Physiologie) Service des Explorations Fonctionnelles de la Respiration, de l'Exercice et de la Dyspnée (EFRED) Hôpitaux Universitaires Pitié-Salpêtrière, Tenon et Saint-Antoine Département Médico-Universitaire "APPROCHES" Département "R3S" (Respiration, Réanimation, Réhabilitation, Sommeil) Groupe Hospitalier AP-HP.Sorbonne Université Charles-Foix Pitié-Salpêtrière Rothschild Saint-Antoine Tenon Trousseau/La Roche-Guyon UMRS 1158 « Neurophysiologie Respiratoire Expérimentale et Clinique » INSERM - Sorbonne Université Paris, France APPROCHES Plan L’exercice musculaire en physiologie Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations ventilatoires à l’effort l’exercice musculaire en physiologie Pourquoi s’intéresser à l’exercice musculaire en physiologie ? L’exercice musculaire est une activité musculaire volontaire consciente donc les réflexes et mouvements sous-corticaux ne sont pas des exercices musculaires ! L’exercice musculaire représente le stimulus physiologique le plus puissant qui mobilise les réserves de plusieurs organes on s’en sert pour évaluer le bon fonctionnement de certains organes et mécanismes physiologiques Pour apprécier les performances physiologiques de l’organisme humain, on dispose bancs d’essai de ces différents organes, nous permettant de déceler une éventuelle pathologie l’exercice musculaire en physiologie Pourquoi l’approche physiologique ? L’approche physiologique permet de connaître par quels mécanismes l’organisme s’adapte à l’exercice musculaire et fournit l’énergie nécessaire à sa réalisation Elle permet de savoir comment l’organisme transfère l’énergie chimique contenue dans la nourriture en énergie mécanique et en énergie thermique l’exercice musculaire en physiologie Nous savons que les mouvements s’effectuent grâce à la transformation de l’énergie chimique des aliments qui deviennent des nutriments puis des substrats alimentaires et produisent de l’énergie mécanique Cette transformation est intra-musculaire C’est par le sang canalisé dans les vaisseaux sanguins (veines et artères) et propulsé par la pompe cardiaque que les cellules musculaires viennent prendre l’oxygène nécessaire à la vie au niveau des alvéoles pulmonaires, viennent prendre les aliments et l’eau au niveau du tube digestif Ensuite c’est encore par le sang qui traverse tous les organes et tous les systèmes que se font les échanges et l’élimination des déchets l’exercice musculaire en physiologie consommation O2 Chaleur Glu CO 2 Lip La- production l’exercice musculaire en physiologie Lorsque l’on fait n’importe quel effort (nager, courir, jardiner, etc…) on constate que la respiration et le cœur s’accélèrent Ces adaptations ne sont que la conséquence de l’élévation des besoins en énergie des muscles sollicités par l’exercice En grande majorité cette énergie provient d’une combustion qui a lieu dans le muscle Comme dans toutes combustions, ces carburants ne pourront brûler longtemps sans l’apport de l’oxygène (O2), l’oxygène devient alors le comburant de la combustion l’exercice musculaire en physiologie Production Apport O2 gaz carbonique (CO2) éliminé Chaleur dissipée Transport de l’O2 aux mitochondries des fibres musculaires pour la contraction Chaleur CO2 La- Acide lactique tamponé, éliminé, consommé l’exercice musculaire en physiologie Organisation du système cardiovasculaire Pr Jean-Claude DUSSAULE Adaptation de l'apport d'oxygène au métabolisme tissulaire Pr Christian STRAUS CO2 O2 Adaptations ventilatoires O2 CO2 O2 CO2 CO2 VCO2 O2 VO2 Adaptations cardiovasculaires Adaptations métaboliques et musculaires Consommation d’O2 (L/min) Production de CO2 (L/min) l’exercice musculaire en physiologie Selon l’intensité et la durée de l’exercice, la combustion pourra utiliser différents « carburants » que l’on trouve soit dans le muscle soit transportés par le sang l’exercice musculaire en physiologie  Pour les longs exercices de faible intensité, le carburant est constitué d’un petit % de glucides et d’un grand % de lipides qui en constitue pratiquement l’essentiel  Lorsque la vitesse et l’intensité augmentent d’une manière progressive le pourcentage de lipides diminue et le pourcentage de glucides augmente  Lorsque l’on fait de la vitesse longue mais à intensité maximum c’est en consommant uniquement les glucides et surtout le glycogène que l’on va tenir dans cette voie  Pour réaliser des séances où la vitesse est au maximum mais durant seulement quelques secondes c’est dans le muscle que l’on va trouver le carburant appelé la Créatine Phosphate l’exercice musculaire en physiologie Les aliments que nous ingérons ne sont pas directement utilisables au niveau cellulaire Ils sont principalement composés de carbone (C), d’hydrogène (H) et d’oxygène (O2) Un des buts de la digestion est de casser les molécules complexes afin de:  les rendre plus assimilables à l’organisme (sous forme de substrats)  d’utiliser l’énergie en la stockant dans une molécule dont le nom est l’adénosine triphosphate (ATP) l’exercice musculaire en physiologie L’ATP est une molécule composée d’adénine, de ribose qui sont rattachés à 3 groupes phosphates Cette ATP est présente dans la fibre musculaire Pour simplifier on peut dire qu’une énergie est libérée quand le dernier phosphate se détache de la molécule d’ATP Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Pi + ADP ATP l’exercice musculaire en physiologie Ce substrat (l’ATP) est présent en toute petite quantité dans le muscle Il ne peut maintenir une contraction musculaire plus de 3 secondes L’ATP est le seul substrat que la fibre musculaire peut utiliser pour fonctionner Il est donc nécessaire que d’autres sources d’énergie permettent la resynthèse permanente de l’ATP pour un travail musculaire continu Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Les cellules synthétisent l’ATP par 3 processus : La voie aérobie qui fait intervenir l’O2 : 1. Le système oxydatif : ce système fait appel à l’oxydation des nutriments (glucides, lipides, protéines) en présence de l’O2 pour la production d’énergie nécessaire à la resynthèse de l’ATP. C’est un processus aérobie La voie anaérobie qui ne fait pas intervenir l’O2 : 2. Le système ATP-CP : l’ATP est renouvelé grâce à l’énergie fournie par la réserve cellulaire de CP. C’est un processus anaérobie alactique 3. Le système glycolytique : c’est un nutriment énergétique, le glucose (apporté par la digestion des aliments) qui produit l’énergie nécessaire à la resynthèse de l’ATP. C’est un processus anaérobie lactique. Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort  Système oxydatif  Glycolyse aérobie   Incorporation de l’acétyl-CoA dans le cycle de Krebs qui est couplé à la chaîne de transport des électrons Énergie libérée: Glycogène ATP ++++++++++  Glucose ATP +++++++++  Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort  Glycolyse anaérobie   Glycogène musculaire glucose 6 phosphate glucose Formation d’acide pyruvique transformé en acide lactique qui est transformé en lactate 1 molécule de glycogène  1 molécule de glucose  peu ATP peu ATP La VO2 est directement dependente de la quantité d’ATP produite par la voie aérobie ATP utilisée VO2 (L/min) Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Donc, la VO2 est une mesure de l’intensité de l’exercice aérobie travail musculaire (watts) ATP produite ATP utilisée VO2 (L/min) ATP produite par la voie aérobie La quantité d’ATP utilisée est directement dépendante de la quantité d’ATP produite La quantité d’ATP utilisée est directement dépendante du travail musculaire (ou intensité de l’exercice) travail musculaire (watts) Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système oxydatif  Ce système cellulaire de production d’énergie est le système aérobie (oxydation des nutriments)  Cette réaction se produit dans les mitochondries « véritables usines à oxygène » situées dans la fibre musculaire  La présence d’O2 (voie aérobie) permet un fonctionnement d’intensité modérée mais de très longue durée  Cette dégradation des glucides, des lipides et de quelques protéines par voie aérobie s’accompagne d’une production de « résidus » ayant peu d’influence à court terme sur la fatigue : ☺ De l’eau (H2O) → sueur éliminée ☺ Du gaz carbonique (CO2) → éliminé dans la respiration Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système oxydatif  Ce sont les muscles et foie qui stockent environ l’équivalent de 2000 Kcal sous forme de glycogène ☺ Pour les efforts de longue durée (45 mn minimum) ce sont les lipides qui interviennent en particulier  La forme d’effort privilégié de ce système : l’Endurance Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système ATP-CP (Créatine-Phosphate)  C’est le système le plus simple et le plus rapide pour renouveler l’ATP à partir d’un composé énergétique présent dans les cellules  C’est un processus Anaérobie Alactique. Cette molécule est appelée la Phospho-Créatine (PC) ou Créatine Phosphate (CP)  Ce système correspond à des efforts brefs mais intenses comme la vitesse  Ce processus est rapide et ne nécessite pas la présence d’oxygène (ANAEROBIE) de plus il est ALACTIQUE (faible production d’acide lactique) Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système ATP-CP (Créatine-Phosphate)  Durant les premières secondes de l’exercice musculaire à intensité maximale (sprint), la quantité d’ATP est maintenue à un niveau relativement constant  Mais au bout de 7 secondes à effort maximal, les niveaux d’ATP et de CP deviennent trop faibles pour permettre d’assurer des contractions musculaires  Au-delà de cette période, les muscles doivent utiliser d’autres procédés pour continuer la couverture énergétique  La forme d’effort privilégié de ce système ATP-CP : la Vitesse Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système glycolytique  Un autre moyen de production de l’ATP implique la libération d’énergie par la dégradation du glucose qui représente 99% des sucres circulant dans le sang, ce procédé est appelé glycolyse  C’est un processus Anaérobie Lactique  Ce glucose provient de la digestion des hydrates de carbone et de la dégradation du glycogène hépatique  Au repos le glucose est pris en charge par le muscle et le foie qui le transforme en glycogène musculaire ☺ Celui-ci à l’avantage de pouvoir être stocké et dégradé à la demande Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système glycolytique  Cette production d’énergie se déroule dans le sarcoplasme musculaire  La fourniture d’énergie est importante mais de durée relativement courte (de 30 secondes à intensité max à 2’ pour une intensité moindre)  L’apport de l’oxygène est insuffisant (anaérobie) ce qui par un schéma complexe, transformera l’acide pyruvique en acide lactique Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le système glycolytique  La présence d’une quantité importante de lactates (acide lactique) dans le sang va perturber l’homéostasie (baisse du Ph dans le sang)  et l’exercice devra être interrompu (courbature dans les jambes, les bras lourds, etc)  La forme d’effort privilégié de ce système : la Résistance Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le devenir de l’acide lactique La glycolyse anaérobie entraîne la production de lactates, réversées dans le sang, perturbant ainsi l’équilibre du milieu intérieur (pH) et entravant la contraction musculaire On a longtemps pensé que l’acide lactique était un « déchet toxique » qu’il fallait vite éliminer, ou en produire le moins possible Mais on peut le voir aussi comme un indicateur du potentiel anaérobie lactique Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Le devenir de l’acide lactique Chez le sportif, la concentration d’acide lactique, débute après 1 mn à 3 mn d’effort intense Il déséquilibre l’homéostasie Il doit être tamponné, éliminé Les lactates pouvant être réutilisés comme ATP soit comme glycogène Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort  La partie Acide est absorbée par des substances tampons contenus dans le plasma sanguin ☺ ce tamponnement évite une élévation trop rapide de l’acidose sanguine, maintenant ainsi un pH du sang constant  La partie Lactates (avec une structure moléculaire identique au sucre) sert de carburant au myocarde ☺ Elle est stockée sous forme de glycogène dans le foie. En présence d’O2 elle sert à la resynthèse de l’ATP. Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Evolution de la fourniture d’énergie dans le temps Selon la durée de l’exercice musculaire, différents métabolismes sont impliqués : - Activité musculaire brève et très intense : anaérobie alactique - Activité musculaire de durée moyenne : anaérobie lactique - Activité musculaire de longue durée : aérobie Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort L’interprétation de ces trois courbes montre que les voies 1, 2, 3 n’interviennent pas successivement, elles se chevauchent progressivement par différents processus par ordre Elles ont un démarrage immédiat, par contre elles ont des délais d’interventions différents et leurs possibilités sont étalées dans le temps Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Les fibres musculaires Fibres de type I (fibres rouges) : – – – – – – – – 10 à 180 fibres par motoneurone Vitesse de conduction nerveuse lente Vitesse de contraction (ms): 50 Seuil d’activation bas donc souvent mobilisées pour contractions de faible niveau Capacité aérobie (oxydative) élevée Capacité anaérobie (glycolytique) faible Très résistantes à la fatigue mais tensions développées faibles Activités d’endurance : exercices prolongées et d’intensité faible à modérée (la marche, le marathon, la natation) Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Les fibres musculaires Fibres de type IIa (fibres blanches) : – – – – – – – – – 300-800 fibres par motoneurone Vitesse de conduction nerveuse rapide Vitesse de contraction : 50 ms Résistance à la fatigue plus faible que type I Développement de tensions fortes Capacité aérobie modérée Capacité anaérobie élevée Force de contraction importante (+ élevée que type I) Exercices explosifs, intense et bref comme 200-400m Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Les fibres musculaires Fibres de type IIb (fibres blanches) : – – – – – – – – 300-800 fibres par motoneurone Vitesse de conduction nerveuse très rapide Vitesse de contraction : 110 ms Résistance à la fatigue très faible Capacité aérobie faible Capacité anaérobie élevée Force de contraction très importante Exercices d’intensité importante, très haltérophilie, sauts lancers explosifs 40-60-100m, Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort Les fibres musculaires Type de fibre et performance muscle gastrocnémien qui comporte deux chefs – un chef latéral ou externe, et un chef médial ou interne (il n'y a pas si longtemps appelés muscles jumeaux du triceps sural) – Marathon : 93 à 99 % de fibres I – Sprint : 25% de fibre de type I muscular force or work rate Incremental Exercise Modified from Maughan R, Gleeson M & Greenhaff PL. Biochemistry of Exercise and Training, Oxford University Press, 1977. Adaptations métaboliques et musculaires à l’effort ATP ATP “Production et Transport du CO2” CO2 CO2 VE CO2 VA O2 Poumon QCO2 Transport CO2 VCO2 Muscles et metabolisme Contenu et pression partielle en CO2 CO2 CO2 CO2 PvCO2 = 45-47 mmHg PaCO2 = 40 mmHg CvCO2 = 52-54 ml/100ml CaCO2 = 48 ml/100ml CO2 VCO2 Transport sanguin du CO2 CO2 transporté sous 3 formes : Dissous  loi de Henry Conc CO2 dissous = α * PCO2  coefficient de solubilité α du CO2 (eau 37°C) : 0,072 ml / 100ml / mm Hg  PaCO2 = 40 mm Hg Conc CO2 dissous = 2,9 ml / 100 ml A l’état de bicarbonates Combiné aux protéines (composés carbaminés) Contenu vs pression partielle en CO2 Contenu total en CO2 Sang artériel Sang veineux Adaptations cardiovasculaires à l’effort ATP contraction musculaire travail musculaire Adaptations cardiovasculaires à l’effort  ATP contraction musculaire travail musculaire continu  Consommation d’O2 (L/min)  Production de CO2 (L/min) Adaptations cardiovasculaires à l’effort O2 étape ventilatoire : convection de l’oxygène du milieu extérieur vers les alvéoles pulmonaires. …par l’intermédiaire du système cardiorespiratoire étape de diffusion, au cours de laquelle l’oxygène traverse la membrane alvéolaire pour pénétrer dans le sang grâce à la perméabilité et à la différence de pression de l’oxygène entre le sang capillaire et alvéolaire. étape cardiocirculatoire, où le cœur assure la convection d’oxygène vers les capillaires musculaires étape tissulaire, qui comporte l’oxydoréduction des substrats au niveau des mitochondries. Adaptations cardiovasculaires à l’effort Le débit cardiaque augmente au cours de l’effort Le débit cardiaque est le volume de sang éjecté par chaque ventricule pendant une minute (L/min) Il dépend du volume de sang éjecté à chaque contraction ventriculaire Il dépend de la fréquence cardiaque exprimée en battements par minute Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires Repos: – Débit cardiaque 5 l/min ; 15 - 20 % distribué vers les muscles squelettiques Exercice intense: 20 l/min ; 80 % vont vers les muscles – Perfusion du SNC non modifiée – Baisse de la perfusion rénale et du système digestif Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Qc VO2 VO2 max Lors d’un exercice à charge croissante de travail : Augmentation linéaire du débit cardiaque Qc avec la charge de travail de puissance croissante, donc avec la VO2. Le débit cardiaque Qc plafonne au niveau de la puissance correspondant à la VO2 max. VO2 P méca. Mécanismes : - Augmentation de la contraction myocardique (inotrope positif) par augmentation de l’activité sympathique et étirement des fibres musculaires. - Augmentation du retour veineux : augmentation du remplissage veineux grâce à la contraction des muscles périphériques et à la veinoconstriction, chassant le sang vers le cœur et grâce à l’inspiration augmentant la pression abdominale et diminuant la pression thoracique. -Augmentation du volume sanguin total. → Donc, augmentation du remplissage ventriculaire. Adaptations cardiovasculaires à l’effort VES n’augmente que de 1,6 à 1,7 fois au max Au total, l’augmentation du VES se fait surtout pour un effort modéré puisqu’elle est proche de sa valeur de repos lors d’un effort intense. Le mécanisme principal d’adaptation du débit cardiaque est donc l’augmentation de la fréquence cardiaque Adaptations cardiovasculaires à l’effort Fc FMT VO2 Pour un travail musculaire de puissance faible ou moyenne, augmentation linéaire de la Fc avec la puissance de l’exercice (donc, avec la VO2), jusqu’à 3-4 fois sa valeur de repos, pour atteindre une valeur maximale ═ fréquence maximale théorique (FMT) ═ 220 – âge (formule d’Astrand). L’accélération de la fréquence cardiaque est donc le principal facteur d’augmentation du débit cardiaque Fréquence cardiaque:  de 70 à 140-150 (doublement) à 60-70 ans de 70 à 180 - 200 chez sujet jeune (2,5 à 3 fois)  Alors que VES n’augmente que de 1,6 à 1,7 fois au max Adaptations cardiovasculaires à l’effort ADAPTATION VASCULAIRE PERIPHERIQUE Pression = Débit x Résistance Augmentation de pression artérielle distribuer efficacement un débit accru, nécessaire pour Une modification de la distribution du débit au différents organes par le jeu d'une modulation des résistances périphériques Pression sanguine Pression = Débit x Résistance Volume sanguin volémie Vaisseaux sanguins Cœur (pompe) Viscosité du sang Longueur des vaisseaux Diamètre des vaisseaux Remplissage Inotropisme chronotropisme Volume éjection systolique (VES ∼ 60-70mL) x Fréquence cardiaque (FC ∼ 70-80 bpm) Adaptations cardiovasculaires à l’effort Modification de la pression sanguine – Exercice dynamique: Augmentation de la pression systolique Pression diastolique stable ou baisse modérée Baisse des résistances vasculaires périphériques d’où une meilleure irrigation Redistribution du débit cardiaque à l’exercice 76% Muscle Strié Squelettique 16% 5% 8% 15% Repos 22% 5 L/min 28% 6% Myocarde Peau Cerveau Rein Circulation Hépato-splanchnique Reste Exercice 20 L/min 5% 5% 3,5% 4% 5,5% 1% Adaptations cardiovasculaires à l’effort L'augmentation du débit cardiaque à l'exercice n'est pas du tout homogène d'un tissus à l'autre Elle dépend entre autre de la proportion de récepteurs α et β dans les vaisseaux, mais aussi d'autres facteurs qui ne seront pas tous évoqués ici L'augmentation du débit cardiaque à l'exercice est dirigée préférentiellement vers les muscles qui travaillent ils recevront 75 à 85% du débit l'exercice au lieu de 15 à 20% au repos cardiaque à Adaptations cardiovasculaires à l’effort Modifications des débits artériels périphériques ↑↑↑ - territoires musculaires actifs ↑↑↑ - muscles respiratoires ↑↑↑ - myocarde (de 250ml/min jusqu'à 1000ml/min) ↓↓ - territoires hépato-splanchnique ↓ - rénal = - encéphalique ↓ - cutané (au début) puis ↑↑↑ (T° rég.) Le cas de la circulation cutanée est particulier……. Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Diminution des résistances artérielles périphériques La diminution des résistances périphériques est consécutive : artérielles - A la vasodilatation - A un recrutement massif des capillaires non fonctionnels au repos - ce qui augmente la surface d’échange entre les vaisseaux et les fibres musculaires - d’où un meilleur apport local en O2 Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Les vaisseaux musculaires ayant une prédominance de β récepteurs, l'effet dominant de la stimulation adrénergique sera une vasodilatation Cette stimulation adrénergique est globale, concernant tous les vaisseaux musculaires quelle que soit l'activité du muscle …..or la vasodilatation n'est pas du tout la même dans les groupes musculaires au travail et dans les groupes au repos …...et dans un même groupe musculaire, elle est plus importante au niveau des faisceaux de fibres les plus actifs Adaptations cardiovasculaires à l’effort En fait, la stimulation adrénergique joue surtout un rôle de "mise en train" globale de l'organisme mais le principal mécanisme de vasodilatation musculaire à l'exercice est métabolique Il s'agit d'un contrôle humoral par les métabolites libérés localement par l'exercice Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort L'avantage d'un tel système est qu'il permet une vasodilatation : directement fonction de l'intensité du métabolisme précisément localisée aux territoires fonctionnels Adaptations cardiovasculaires à l’effort Cette vasodilatation locale va ensuite induire une vasodilatation des gros troncs en amont : La relaxation des cellules musculaires lisses se propage de proche en proche sur quelques millimètres La vasodilatation locale dans le muscle augmente le débit sanguin dans les gros troncs artériels en amont Ceci crée des contraintes de cisaillement sur l’endothélium vasculaire, qui induisent la libération de médiateurs vasodilatateurs (NO, prostaglandines) Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations cardiovasculaires à l’effort Adaptations ventilatoires à l’effort ADAPTATION VENTILATOIRE Le débit ventilatoire (ventilation) augmente au cours de l’effort…… …car il permet le renouvellement de l’air alvéolaire et donc :  un apport d’O2 à l’organisme  une élimination du CO2 produit par l’organisme Adaptations ventilatoires à l’effort Régulation de la Ventilation à l’exercice C’est une régulation multifactorielle Les Cycles respiratoires résultent de l’activité de neurones dans la Médulla Se superposent à cette activité des circuits neuraux intégrés relayant des Informations des centres cérébraux supérieurs, des poumons et d’autres récepteurs du corps Au repos, la ventilation alvéolaire est contrôlée à travers plusieurs facteurs chimiques influençant directement le centre respiratoire ou modifiant son activité à travers des chémorécepteurs Adaptations ventilatoires à l’effort Les ajustements ventilatoires à l’exercice sont potentialisés par des facteurs régulateurs nonchimiques : (A) Activation Corticale anticipatrice de l’exercice et stimulus du cortex moteur quand l’exercice commence (B)Input (stimuli) sensoriels périphériques provenant de mécanorécepteurs des articulations et des muscles (C)Augmentation de la température corporelle 863 * V’CO2 V’E = PaCO2 * (1-VD/VT) CO2 set-point Adaptations ventilatoires à l’effort ADAPTATION VENTILATOIRE Le débit ventilatoire est la quantité (volume) totale de gaz inspiré et expiré en une minute (L/min). Il dépend du volume de gaz inspiré et expiré à chaque cycle (Vt, volume courant) Il dépend de la fréquence respiratoire (Fr) exprimée en nombre de cycles par minute. Adaptations ventilatoires à l’effort VE (débit ventilatoire) = Vt (volume courant) × Fr (fréquence respiratoire) Il est égal à 5 à 8 litres / minute au repos (pour une température de 37°C, et une pression atmosphérique avec saturation complète en vapeur d’eau) En début d’exercice à charge croissante (intensité faible), c’est le volume courant (autour de 500 à 600 ml au repos), qui va augmenter et ceci jusqu’à 4 fois le volume courant de repos Cette adaptation est permise par l’utilisation des volumes de réserve. Adaptations ventilatoires à l’effort En fin d’exercice (intensité élevée), c’est la fréquence respiratoire qui augmente dans un rapport de 4 à 5 (10 à 16 cycles / minute au repos  12 à 40 / minute à l’effort) ceci grâce au raccourcissement du temps inspiratoire et surtout expiratoire Vt Au total, le débit ventilatoire de repos peut être multiplié par 20 à l’effort Vt Fr Durée de l’effort La ventilation n’est donc pas un facteur limitant à l’effort +++ Adaptations ventilatoires à l’effort L'augmentation prédominante précoce de VT diminue l'importance de l'espace mort (VD) et augmente le rendement ventilatoire : la ventilation de l'espace mort représente 30 à 40 % de la ventilation totale au repos pour 10 à 20 % seulement à l'exercice l'espace mort est un espace ventilé non perfusé Adaptations ventilatoires à l’effort Volume alvéolaire Un élément important : le volume de gaz inspiré comporte deux fractions, une fraction alvéolaire et un espace mort. Fraction alvéolaire (VA) : correspond à la partie qui va participer aux échanges avec l’organisme et donc à l’apport d’oxygène Adaptations ventilatoires à l’effort Volume alvéolaire-volume mort Espace mort (VD) : il n’y a pas d’échanges avec l’organisme C’est la partie qui conduit l’air de l’extérieur aux alvéoles comme la trachée, les bronches… ……..il est environ de 150 ml chez le sujet normal Adaptations ventilatoires à l’effort Ventilation alvéolaire La ventilation alvéolaire est donc égale à : (Vt – VD) * FR C’est la ventilation efficace Comment adapter sa respiration de façon efficace : il faut augmenter le volume plutôt que la fréquence Adaptations ventilatoires à l’effort Exemples Exemple sujet normal : F = 10, Vt = 500 ml, VD= 150 ml VA = (500-150)*10 = 3500 ml/mn On double le Vt soit Vt = 1000 ml VA = (1000-150)*10 = 8500 ml/mn On double la fréquence soit FR = 20 VA = (500-150) * 20 = 7000 ml/mn Adaptations ventilatoires à l’effort Ventilation alvéolaire La ventilation alvéolaire est la ventilation efficace Pour augmenter sa ventilation alvéolaire et donc l’apport d’oxygène, il faut augmenter le volume courant avant la fréquence Une respiration ample est plus efficace qu’une respiration rapide La diffusion de l’alvéole au sang et inversement Principes de la diffusion Un gaz diffuse toujours : – Depuis le compartiment dans lequel la pression partielle est la plus élevée vers celui dans lequel la pression partielle est la plus basse – Jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint Dans un mélange gazeux, chaque gaz se comporte de façon indépendante – Un gaz (O2 par exemple) peut diffuser d’un compartiment A vers un compartiment B pendant qu’un autre gaz (CO2 par exemple) diffuse du compartiment B vers le compartiment A Diffusion d’un gaz entre un milieu gazeux (gaz alvéolaire par exemple) et un milieu liquide (plasma par exemple) – Mêmes lois qu’entre deux milieux gazeux Mais ne pas confondre pression partielle et concentration (ou contenu) Modèle de Roughton et Forster Le transfert de l’oxygène depuis le gaz alvéolaire jusqu’à l’hémoglobine se fait en 2 étapes – Diffusion du gaz en phase liquide, à travers « la membrane » Entité qui comprend l’épithélium, la membrane basale, l’endothélium, le plasma, la membrane des globules rouges et le cytoplasme des globules rouges – Combinaison du gaz avec l’hémoglobine À chaque étape, il existe une « résistance » au passage du gaz – Les deux résistances en série s’ajoutent Résistance totale = Résistance « membranaire » + Résistance « sanguine » R = Rm + Rsang – L’inverse d’une résistance s’appelle une conductance La conductance totale est la capacité de transfert pulmonaire du gaz (DL) 1/DL = 1/Dm + 1/Dsang Diffusion pulmonaire des gaz Diffusion de l’O2 – Grande ∆P entre le sang qui arrive dans les capillaires et le gaz alvéolaire – Équilibre atteint rapidement, en environ 0,25 s Au repos, le temps de contact entre le sang qui circule dans les capillaires pulmonaires et le gaz alvéolaire est d’environ 0,75 s Diffusion du CO2 – Faible ∆P entre le sang veineux mêlé et le gaz alvéolaire mais diffusibilité importante du gaz – Équilibre atteint rapidement, en environ 0,25 s également Les échanges avec la circulation Le passage de l’oxygène dans le sang et la sortie du dioxyde de carbone se fait au niveau de l’alvéole Mécanisme : simple diffusion liée à la différence des pressions partielles des gaz Sens du passage : de la pression la plus élevée vers la pression la moins élevée jusqu’à équilibre des pressions La loi de Fick: régit le transfert d’un gaz à travers une membrane Membrane : épaisseur (e) surface (s) P1 Gaz (D): solubilité PM P2. ΔQ / Δt = (D. s. ΔP) / e PAO2 ∆P = PAO2 - PcapO2 PcapO2 O2 O2 Epaisseur Surface La membrane alvéolo-capillaire a une surface d’environ 80 m² Echanges gazeux le long du capillaire Alvéole pulmonaire PAO2 = 100 mmHg PACO2 = 40 mmHg O2 CO2 PO2 = 40 mmHg PcO2 = 100 mmHg PCO2 = 45-47 mmHg PcCO2 = 40 mmHg Capillaire veineux (Artère pulmonaire) Capillaire artériel (veine pulmonaire)  la solubilité élevée du CO2 permet un équilibre rapide des pressions alvéolaire et capillaire en CO2  le gradient élevé de pression alvéolo-capillaire en O2 permet un équilibre rapide des pressions alvéolaire et capillaire en O2 Transfert alvéolo-capillaire Correspond à l’échange des gaz entre les alvéoles et la circulation sanguine Définition : volume de gaz passant à travers la membrane en une minute pour une différence de pression partielle de 1 mm Hg S’exprime normalement en ml/min/kPa couramment en ml/min/mm Hg Transfert alvéolo-capillaire Dépend de : – La distance à parcourir : épaisseur de la membrane fine 0,5 à 1µm transfert sera plus difficile en cas d’oedème pulmonaire par exemple – Le temps de contact : importance du débit sanguin local – Des caractéristiques physiques du gaz : le CO2 passe beaucoup plus facilement que l’O2 Transfert alvéolo-capillaire Dépend de : – De la surface d’échange 50 à 100m² de surface d’échange – Des différences de pression Le gradient de pression favorise l’entrée de l’oxygène et la sortie du dioxyde de carbone L’équilibre est rapide Déterminants du transfert pulmonaire d’un gaz inspiré Gaz 1- Arrivée du gaz dans les voies aériennes et les espaces alvéolaires 2- Mélange et diffusion du gaz dans les canaux alvéolaires, les sacs alvéolaires et les alvéoles 4- Diffusion du gaz dans le plasma des capillaires 3- Diffusion du gaz au travers de l’interface gaz-liquide dans la membrane alvéolaire 5- Diffusion à travers la membrane des globules rouges et à l’intérieur des globules rouges 6- Réaction chimique avec l’hémoglobine pour certains gaz Adaptations ventilatoires à l’effort TRANSFERT ALVEOLO – CAPILLAIRE ↓ temps de contact air - sang MAIS : différence P intra-Alv. O2 – P art. O2 et différence P intra-Alv. CO2 – P art. CO2 ne varie pas trop car : - importante réserve de temps pour l'hématose et - mise en jeu de nouveaux territoires pulmonaires (apicaux) Adaptations ventilatoires à l’effort TRANSFERT ALVEOLO – CAPILLAIRE ↑ de capacité de diffusion avec la puissance car : ↑↑↑ débit sanguin pulmonaire ↑↑↑↑ débit ventilatoire d’où ↑ rapport ventilation/perfusion CO2 PACO2 = 40 mmHg O2 O2 CO2 PAO2 = 100 mmHg O2 CO2 PvO2 = 40 mmHg PvCO2 = 45-47 mmHg PaO2 = 90-100 mmHg PaCO2 = 40 mmHg CO2 VCO2 O2 VO2