IV . ADAPTATION DE L`APPAREIL CARDIO

IV . ADAPTATION DE L’APPAREIL CARDIO-VASCULAIRE ou
CIRCULATOIRE
La fonction circulatoire
La plupart des cellules des êtres supérieurs ne sont pas au contact direct
avec l’environnement .
La diffusion est le seul moyen par lequel les gaz et certaines substances
traversent les membranes alvéolo-capillaires ( respiration pulmonaire ) et
cellulaire ( respiration cellulaire ) .
La circulation du sang permet leur transport rapide jusqu’aux cellules , et
inversement .
La fonction de l’appareil circulatoire est de mobiliser le tissu sanguin et de
favoriser son écoulement .
L’appareil cardio-vasculaire est composé schématiquement d’un moteur
ou ‘pompe’ ( le cœur ) qui assure la circulation d’un liquide ( le sang ) dans
une ‘tuyauterie’ ( artères , artérioles , capillaires , veines , veinules ) afin
d’irriguer les différentes parties de l’organisme .
Cet ensemble réalise un circuit fermé .
A . La circulation
A1 . Le tissu sanguin
1) La composition : ensemble de cellules spécialisées en suspension dans un
liquide , le plasma
a ) Les cellules spécialisées :
- Les globules rouges ou érythrocytes ou hématies
Ce sont des cellules anucléés ( sans noyau ) qui renferment
l’hémoglobine dont le rôle est le transport de l’oxygène et du CO₂ .
- Les globules blancs ou leucocytes
Leur rôle essentiel est l’immunité et la défense de l’organisme .
- Les plaquettes
Elles interviennent essentiellement dans la coagulation .
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b) Le plasma : liquide très complexe constitué de substances organiques et
de sels minéraux dissous . Ces substances organiques sont :
- Des protéines qui ne sont pas captées par les cellules
- Des substrats : glucose , acides gras libres et acides aminés qui
subviennent aux besoins énergétiques et métaboliques de la cellule
- Des déchets produits par le catabolisme ( dégradation des composés )
cellulaire → acide lurique , acide lactique , …
- Les sels minéraux : sodium ( Na ) , chlorure ( Cl ) , potassium ( P ) ,
phosphate ( Ph ) , magnésium ( Mn ) qui sont aussi nécessaires à la
cellule .
2 ) La fonction respiratoire du sang : essentiellement transport de l’oxygène
et du CO₂
a) Transport de l’oxygène
L’oxygène existe dans le sang sous forme dissoute et combinée à
l’hémoglobine . Il est dissous lorsqu’il est libéré de l’hémoglobine pour
permettre la diffusion cellulaire .
O₂ + hb ⇄ hbO₂
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b ) Transport du CO₂
Comme pour l’oxygène , le CO₂ se trouve sous forme dissoute ou
combinée .
Une fraction importante de CO₂(67 %) subit un certain nombre de réactions
chimiques pour être transformé en ions carbonate ( HCO₃⁻) et libérer de
l’hydrogène ( H⁺) .
La fraction restante dissoute au départ passe par diffusion du milieu
interstitiel vers les veinules pour être transporté jusqu’aux poumons .
Liquide interstitiel → sang → poumons
CO₂ + Hb
⇄
sang ( hb )
Rejet CO₂
HbCO₂
A2 . Le coeur
1) Le cœur
C’est un muscle creux ( myocarde ) divisé en 2 parties totalement
séparées par une cloison :
- Cœur droit , pour la circulation pulmonaire
- Cœur gauche , pour la circulation systémique
Chaque partie se subdivise en 2 cavités : oreillettes et ventricules
2) Les oreillettes et les ventricules
- L’oreillette droite reçoit le sang périphérique par les 2 veines caves
- L’oreillette gauche reçoit le sang des poumons par les 4 veines
pulmonaires
- Le ventricule gauche propulse le sang dans l’aorte
- Le ventricule droit propulse le sang dans l’artère pulmonaire
Oreillettes et ventricules communiquent entre eux par l’orifice auriculoventriculaire et sont séparés par les valves mitrales ( côté gauche ) et
tricuspides ( côté droit ) .
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Elles empêchent le reflux du sang dans les oreillettes au moment de la
contraction ventriculaire .
Entre les ventricules et les artères afférentes , il existe aussi des valves qui
empêchent le retour du sang dans la cavité ventriculaire ( valves aortiques
et valves pulmonaires ) .
A3 . Les vaisseaux sanguins
a. Les artères
L’aorte
C’est la plus grande et la plus grosse artère de l’organisme . Elle naît du
ventricule gauche du cœur et s’étend jusqu’à l’abdomen où elle bifurque en
2 artères plus petites ( artères iliaques communes ) .
Elle apporte le sang oxygéné à toutes les parties du corps via la circulation
du sang excepté la circulation fonctionnelle du poumon (artère pulmonaire)
Rq : pathologie : anévrisme (dilatation) → risque de rupture de l’aorte
L’artère pulmonaire
Son rôle est de transporter le sang appauvri en oxygène du cœur vers les
poumons ; elle se divise en 2 pour se diriger vers chacun des poumons .
Rq : pathologie : embolie ( artère obstruée par un caillot )
Les artères se divisent en artérioles puis en capillaires au niveau des tissus
afin de faciliter la diffusion .
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b. Les veines
Elles ramènent le sang des organes vers le cœur , pour la plupart
dépourvues de fibres élastiques .
Elles présentent , surtout au niveau des membres inférieurs , des valvules
qui aident la progression du sang et qui surtout empêchent le retour .
c. Les capillaires
Ils assurent la continuité entre les artères et les veines .
C’est un réseau très dense qui permet au sang d’irriguer complètement les
tissus ( augmentation de la surface des échanges ) .
Au repos , une partie d’entre eux sont collabés et ne s’ouvrent que dans
certaines conditions ( contraction musculaire , augmentation de la
température , massage ) .
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B. Les deux circulations
1) La grande circulation ou circulation systémique
Elle permet , depuis le ventricule gauche , l’aorte et ses multiples
arborisations , la circulation du sang riche en oxygène jusqu’aux tissus puis
aux cellules .
Les capillaires font la jonction au niveau tissulaire puis le réseau veineux
ramène le sang appauvri en oxygène et riche en CO₂ aux veines caves qui
débouchent dans l’oreillette droite .
2) La petite circulation ou circulation pulmonaire
Au niveau du ventricule droit , le sang remonte par l’artère pulmonaire et
ses différentes ramifications jusqu’aux poumons où , par diffusion entre les
capillaires et les alvéoles le sang se débarrasse du CO₂et s’enrichit en O₂
puis revient dans l’oreillette gauche par les 4 veines pulmonaires .
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C . Fonctionnement de l’appareil cardio-vasculaire
1) Le cœur
Il se contracte ( systole ) et se relâche ( diastole ) périodiquement suivant
une fréquence de 70 à 80 cycles par minute au repos ( FC ) .
Ce mécanisme s’accompagne de phénomènes électriques .
( enregistrés par des électrodes externes → électro-cardiographie )
→ pendant la diastole le cœur se remplit
→ pendant la systole le cœur se vide
La quantité de sang éjectée par le ventricule à chaque systole s’appelle le
volume systolique(≈ 100 ml au repos)ou volume d’éjection systolique (VES)
Le débit cardiaque représente la quantité de sang éjectée par le cœur par
unité de temps :
Débit = FC ⨯ VES
Au repos , il est de 5 à 7 l par mn .
2) Hémodynamique
Dans les vaisseaux sanguins , la circulation dépend de 3 paramètres : le
débit , la pression et la résistance à l’écoulement du sang .
 Le débit
Il s’adapte aux besoins tissulaires , des valeurs de 25 à 30 ml par mn
peuvent être atteintes au cous d’exercices intenses par de athlètes entraînés
 La pression
C’est la force avec laquelle le sang sort du ventricule gauche ; cette force
permet de vaincre la résistance à l’écoulement du sang . Elle se traduit par
une pression au niveau de la paroi des artères ; cette pression varie en
fonction de l’endroit où elle est mesurée .
Au niveau de l’artère humérale , c’est la tension artérielle (TA) .
L’effort intense provoque des modifications du débit de la TA .
 Les résistances
Ce sont des forces qui s’opposent à l’écoulement du sang .
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→ dans les artères , la vasoconstriction des petites artères périphériques
( artérioles ) en est la principale cause .
→ dans les veines , les causes sont multiples :
- pression veineuse capillaire ou reste de pression artérielle après
vascularisation des tissus
- activité musculaire dynamique qui comprime les veines
- système valvulaire des veines
- aspiration thoracique pendant l’inspiration
- diastole
D. Les réponses circulatoires à l’APS
Au départ de l’APS , pour répondre aux besoins musculaires apparaissent
rapidement les modifications suivantes ;
- au niveau local , une vasodilatation et un relâchement des sphincters
pré capillaires qui entraîne l’ ouverture des capillaires collabés au
repos
- au niveau de la pompe cardiaque , une élévation du débit cardiaque
par augmentation de la fréquence cardiaque et du volume d’éjection
systolique
Ces 2 phénomènes vont entraîner l’augmentation de la consommation d’O₂
car :
VO₂ = débit cardiaque (Q) ⨯
( contenu artériel en O₂ - contenu veineux en O₂ mêlé )
VO₂ = Q ⨯ ( CaO₂ - CvO₂)
Et nous savons que Q = FC ⨯ VES
- au niveau général , une redistribution compensatrice de la masse
sanguine en faveur de la zone d’activité et une augmentation de la
vitesse du retour veineux
- au niveau pulmonaire , une élévation parallèle du débit cardiaque et
du débit sanguin pulmonaire qui permet une augmentation des
échanges gazeux
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1) Augmentation de la FC
L’adaptation la plus fréquente et la plus immédiate lors d’un travail
musculaire est l’accroissement de la FC . Elle reflète fidèlement
l’augmentation du débit cardiaque et de la consommation d’oxygène .
D’autre part , la FC est atteinte quand la même puissance de travail
musculaire est nécessaire pour obtenir le VO₂ max .
Cette relation entre la puissance de la FC max et du VO₂ max se vérifie aussi
bien chez l’athlète de haut niveau que chez le sédentaire , si bien que la FC
permet d’évaluer indirectement le VO₂ max à partir d’un travail musculaire
contrôlé .
2) Variation de la FC pendant l’effort
D’une valeur normale comprise entre 60 et 80 ppm , elle diminue
progressivement de la naissance à l’âge adulte .
⤇ Formule d’Astrand : FCmax = 220 – âge pour les hommes
(+ ou – 10 pulsations )
FCmax = 226 – âge pour les femmes
Le travail musculaire nécessaire pour atteindre la FCmax varie d’un
individu à l’autre .
Elle dépend de l’intensité , de la durée , de la nature du travail musculaire
mais aussi de la composante émotionnelle , de l’entraînement , de l’âge du
sujet , de la température et de l’hygrométrie ( humidité de l’air ) .
Pour des intensités de travail inférieures au VO₂max , la FC est un élément
précieux , à condition de :
- connaître la FC de repos : relever si possible le matin avant de se lever
- calculer la FCmax selon la formule d’Astrand
- FC entraînement = %( FCmax – FCrepos ) + FCrepos
= % ( FCde réserve) + FCrepos
→ exemple :un coureur peut ,à l’aide d’un cardio-fréquencemètre , travailler
les différentes allures donc les différentes filières énergétiques
( principe du ‘fractionné’ ) et aussi améliorer son VO₂max .
( voir tableau )
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Le temps mis pour retrouver la FC de repos après un effort est aussi un
indice de forme facile à évaluer au cours d’une saison d’entraînement ;
plus la récupération est rapide , plus s’élève l’état de forme .
3) Modification du volume d’éjection systolique ( VES )
A la fin d’une contraction ventriculaire ou systole , une quantité
importante de sang reste dans le ventricule . Le VES est donc égal à la
différence du volume sanguin à la fin de la diastole ( Vol. Télédiastolique )
et du volume restant à la fin de la systole ( Vol. Télésystolique ) .
⤇ VES = V Télédiastolique – V Télésystolique
Au cours du travail musculaire , l’augmentation du retour veineux remplit
davantage les ventricules , ce qui étire les fibres myocardiques qui , en
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réponse , vont renforcer la contraction et augmenter la quantité de sang
éjecté .
A cette régulation intrinsèque s’ajoute une régulation extrinsèque induite
par les nerfs ( SN ) qui entraîne :
- une forte contractibilité du myocarde
- une contraction et un relâchement plus précoce permettant la
compatibilité de la FC avec le délais de remplissage ventriculaire
Les modifications du VES sont liées à l’interaction de plusieurs phénomènes
→ en amont , le retour veineux plus important
→ au niveau du cœur , la pression systolique augmente
→ en aval , les résistances qu’il doit vaincre pour permettre l’écoulement
Sanguin
4) Influences respectives de la FC et du VES dans l’augmentation du
débit cardiaque au cours d’une APS
En admettant que l’intensité de l’effort augmente progressivement
( course ou nage en accélération progressive ) , l’augmentation du débit
s’explique par :
- L’augmentation du volume sanguin éjecté à chaque contraction (VES)
→ Tant que l’effort est modéré , entre 40 à 50 % e VO₂max , le VES va
jusqu’à doubler , c’est donc lui qui assume l’augmentation du débit .
- Au-delà de 50 % , c’est la FC qui augment , en sachant que la FCmax ne
varie pas pour une personne entraînée ou sédentaire ;lorsque celle-ci
et atteinte ,c’est le VES qui les différencie .
Conséquence pratique pour l’entraînement
Pour un début de saison ou une phase de récupération ou même pour le
début d’une APS pour un jeune ou un sédentaire , il est recommandé de
travailler à 50 % du VO₂max afin de préparer le terrain physiologique .
La préparation ne doit pas excéder 3 à 4 semaines .
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Il est recommandé par la suite d’augmenter progressivement les intensités
( de + en + proche du VO₂max ) afin de développer l’endurance aérobie .
5) Modifications de la circulation systémique
a. Retour veineux lors de l’exercice
- La vasoconstriction
Les veines qui par leur paroi fine et extensible subissent une
vasoconstriction réflexe dans le début de l’exercice , ce qui entraîne un
retour rapide du sang dans le cœur .
- La contraction musculaire
Elle comprime les veines ce qui chasse son contenu , lors du relâchement
musculaire le sang remplit à nouveau les veines .
La contraction et le relâchement des muscles agissent donc comme une
pompe .
L’efficacité de ce mécanisme varie en fonction du type et de l’intensité de la
contraction .
L’alternance , forte contraction/relâchement augmente le débit veineux .
Les contractions statiques ou isométriques peuvent perturber le retour
veineux : accumulation des déchets métaboliques .
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b. Redistribution compensatoire des débits locaux
Lors de l’APS , parallèlement à l’élévation du débit cardiaque , il y a une
redistribution des débits au niveau des organes qui permet un afflux de
sang supplémentaire aux muscles en activité .
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c. Zone à circulation accrue
- les muscles sont en activité mais aussi le myocarde , le débit sanguin
augmente donc l’apport d’oxygène est plus important .
- la peau : vasoconstriction des vaisseaux cutanés puis pour dissiper la
chaleur produite les sphincters pré-capillaires s’ouvrent ; le débit local est
alors en augmentation ( couleur rose ou rouge de la peau ).
6. Modifications de la circulation pulmonaire
L’augmentation du débit cardiaque tend à élever la pression de l’artère
pulmonaire et l’hyperventilation à la diminuer .
Il en résulte une augmentation modérée de la pression artérielle
pulmonaire qui entraîne une vasodilatation des vaisseaux pulmonaires avec
recrutement des vaisseaux collabés au repos .
7. Les adaptations cardio-vasculaires à l’effort
 Adaptation immédiate
- Augmentation du VES
- Augmentation de la FC : après l’effort , la FC chute assez rapidement
de 10 à 20 pulsations ( + ou – vite selon l’entraînement du sujet )
 Adaptation à long terme
Le cœur du sportif subit des modifications anatomiques et physiologiques :
- Hypertrophie du cœur – cavités plus grandes – parois plus épaisses ce
qui explique une augmentation du VES
- Ralentissement de la FC ( mais peut dépendre du facteur génétique )
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Augmentation du volume sanguin
- Augmentation de la capillarisation musculaire
- Retour plus rapide après l’effort à la FC de repos
L’ensemble de ces modifications permet un apport d’oxygène et de
nutriments plus important avec un retour plus efficace des déchets
métaboliques .
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