Chapitre 2 : Des modifications physiologiques à l`effort - Pavot

Chapitre 2 : Des modifications physiologiques à l'effort
I – Approvisionnement des muscles, besoin en énergie et limite du corps
humain :
III2 – Activité 1
Des études sur les modifications physiologiques à l'effort
Problème
Comment le corps se modifie lors d'un exercice physique ?
Compétences
Plus l’effort est intense, plus la consommation de glucose et de
dioxygène augmente : notion de VO2 et de VO2max.
Augmentation de la fréquence ventilatoire et volume courant (et donc
débit ventilatoire).
Mo.3
Augmentation de la fréquence cardiaque, volume d’éjection systolique
(et donc débit cardiaque) et la pression artérielle.
Organisation et modifications de circulation sanguine au niveau des
vaisseaux sanguins.
I.1 – Ré.1 – Ré.6 – Ra.2 – Ra.4 – Co.3
Matériel
Ateliers + ordinateur + ExAO (sonde O2, spirométrie).
Correction :
1 – On peut supposer que le corps doit apporter plus d'énergie :
• en apporter plus de glucose aux muscles ;
• en apporter plus de dioxygène aux muscles ;
On peut supposer aussi que différents organes vont se modifier pour apporter ces molécules aux
cellules :
• modification du système circulatoire (cœur, vaisseaux sanguins) ;
• modification de l'appareil respiratoire.
2 – Voir par atelier :
Atelier 1 : Mise en évidence de la consommation de dioxygène lors d'un effort physique
Pour montrer que le dioxygène est nécessaire lors de
l'effort, on peut imaginer un dispositif permettant de
mesurer la consommation de dioxygène au cours du
temps et pour vérifier cette consommation augmente
en fonction de la puissance de l'activité.
D
Pour cela, ou peut suivre un protocole ExAO et obtenir
ce genre de graphique qui montre l'évolution de la VO2
en fonction du temps avant et pendant un effort (voir
C
ci-contre).
Effectivement, on constate qu'au cours du temps la
B
VO2 augmente plus rapidement lors d'un effort qu'au
repos. On peut calculer le coefficient directeur (a) de
A
chaque droite ce qui permet d'obtenir la VO 2 en
fonction du temps :
Rappel de la formule : on prend deux points éloignés
sur la droite puis on utilise la formule suivante : a = (yb – ya) / (xb – xa). Au repos, on obtient (voir
graphique) : a1 = 0,5 – 0 / 2 – 1 = 0,5 l.min -1. Donc au repos, la personne consomme 0,5 l de dioxygène
par minute.
A l'effort, on obtient (voir graphique) : a2 = (yd – yc) / (xd – xc) = 2,0 – 1,40 / 2 – 1,5 = 1,2 l.min-1.
Donc la consommation de dioxygène (ou VO2) a donc presque triplé à l'effort.
Atelier 2 : Mise en évidence d'une limite aux performances du corps – la VO 2max et la perte de poids
VO2 consommé (en ml/min/kg)
Avec un test d'effort scrupuleusement fait en milieu médical, on peut mesurer différentes données
physiologiques comme la fréquence cardiaque, la VO 2, etc. en fonction d'une puissance d'effort
imposée. On peut augmenter la puissance imposée jusqu'à la limite du corps et on pourra alors
déterminer par exemple la VO2 maximale d'une personne appelée simplement VO 2max. Au bout de
cette VO2max, le corps et notamment les muscles ne peuvent plus consommer une plus grande de O 2.
En fait, la respiration cellulaire est saturée. Avec cette VO 2max, on peut déterminer une puissance
maximale aérobie qui correspond en fait à la performance maximale d'utilisation du dioxygène par la
personne. Par l'entraînement, on peut faire reculer la VO2max et la PMA.
Pour un certain Monsieur
W, on peut obtenir sa Graphique de la VO2 consommé en fonction de la puissance imposée
VO2max et sa PMA en
90
VO2 max
traçant
ce
type
de
80
graphique qui montre
70
l'évolution de la VO2 en
60
fonction de la puissance
50
VO2 consommé (en
imposée (voir ci-contre).
40
ml/min/kg)
Par
exemple
pour
30
Monsieur W, on peut
20
déterminer qu'il a une
10
VO2max de 80 ml/min/kg
PMA
0
pour une PMA d'environ
0
100
200
300
400
500
600
450 W.
Puissance imposée (en Watts)
On peut utiliser aussi ces
données pour aider et se
préserver de l'obésité. Par exemple, on peut connaître la vitesse de course adéquate pour que le frère
de Monsieur W perde du poids facilement :
➢ La VO2max est d'environ 3,5 L (voir graphiques ci-dessous).
➢ Au début, lors d'une faible intensité d'exercice, la consommation de lipides augmente puis à
partir de 45 %, elle diminue jusqu'à pratiquement devenir nulle à forte intensité.
➢ La consommation de lipides optimale est de 45 % (voir graphiques ci-dessous).
➢ Au moins une façon simple de le faire : sachant qu'on connaît la VO2max et qu'on connaît
l'optimum pour consommer le maximum de lipides, on peut alors calculer la VO 2 correspondant
à cette optimum. Ce qui donne : 100 % ↔ 3,5 L (VO2mx)
45 % ↔ x
=> x = (3,5 x 45)/100 = 1,6 L (produit en croix).
Grâce au graphique du document 4, on peut connaître la vitesse de course optimale pour brûler le
maximum de lipides. Il suffit de reporter sur le graphique la valeur de 1,5 L de VO 2 et de voir combien
vaut la vitesse. On peut lire : 5,0 km/h environ (voir graphiques ci-dessous).
VO2max
Vitesse
optimale
Document 4 : Consommation de dioxygène en
fonction de la vitesse de l'exercice
Document 5 : Consommation des lipides en
fonction de l'intensité de l'exercice (mesurée en
pourcentage de VO2max)
Atelier 3 : Mise en évidence de la consommation de glucose lors d'un effort physique
Suivant l'effort physique (marche, course, nage, etc.), un individu consomme beaucoup plus d'énergie
qui est en lien avec une augmentation de consommation de glucose (sucre) et de dioxygène (voir
atelier 1).
On peut le voir aussi très précisément au niveau sanguin. Avec une puissance musculaire de 0, le taux
de glucose dans le sang (= glycémie) reste environ de 1 g/l mais lorsque la puissance musculaire
augmente la glycémie diminue en fonction du temps (on passe de 1 à 0,88 g/l au bout de 4h pour une
puissance de 100 W et on passe de 1 à 0,67 g/l au bout de 4h pour une puissance de 175 W).
Globalement, le corps puise dans ces réserves au cours de l'effort. Par exemple, les muscles puise dans
ses propres réserves comme le glycogène (réserve de glucose) pendant l'effort. Lorsque le glucose et le
glycogène sont utilisé, le corps finit par utiliser ses dernières ressources comme les lipides (graisses) et
les protides (protéines).
Donc au cours d'un effort physique, le corps augmente sa consommation en glucose voir utilise
d'autres types de ressources comme ses réserves en glycogène dans les muscles, ses réserves lipidiques
ou protidiques. L'hypothèse de début est bien validée.
Atelier 4 : Mise en évidence des modifications du système ventilatoire
Pour montrer qu'il y a une modification de la respiration lors de l'effort, on peut imaginer un dispositif
permettant de mesure l'évolution de la ventilation pulmonaire au cours du temps.
Pour cela, ou peut suivre un protocole ExAO et obtenir ce genre de graphique qui montre l'évolution de
la fréquence ventilatoire en fonction du temps avant et pendant un effort (voir ci-contre).
Au repos, on obtient un volume courant ou
volume ventilé (VV) au repos est de 1,1 l et à
l'effort VV est de 1,6 l. Pour la fréquence
ventilatoire au repos, il faut obtenir la
période d'un cycle respiratoire qui est de 5,6
sec. Comme la fréquence ventilatoire (FV) est
1/P et qu'elle doit être en cycle.min -1, on
obtient (1/5,6)x60 = 10,7 cycle.min-1.
A l'effort, on obtient une période de 3,2 sec
pour un cycle. La FV donne (1/3,2)x60 = 18,8
cycle.min-1.
VV
P
On peut maintenant calculer facilement le
débit ventilatoire au repos et à l'effort :
• DV = FV x VV
• Au repos, on a : 10,7x1,1 = 11,8 l.min-1.
• A l'effort, on a : 18,8x1,6 = 30,1 l.min 1
.
On peut constater ainsi qu'à l'effort le
volume courant (= volume ventilé) est plus
important et que la fréquence ventilatoire
est plus grande ce qui permet d'avoir un
débit ventilatoire plus important. Donc on
ventile plus d'air, plus rapidement et donc en
beaucoup plus grande quantité.
VV
P
Atelier 5 : Mise en évidence des modifications du système circulatoire – Le cœur
Pour montrer qu'il y a une modification du cœur lors de l'effort, on peut imaginer un dispositif
permettant de mesure l'évolution du rythme cardiaque au cours du temps.
Pour cela, ou peut tout d'abord mesurer son propre pouls (c'est-à-dire son flux de sang lié au
battements du cœur). Déjà on peut remarquer que augmente entre le repos l'effort. De plus, on peut
faire un ECG qui montre l'évolution de la fréquence cardiaque en fonction du temps avant et pendant
un effort (voir ci-contre).
On constate que les pulsations cardiaques (sous
forme de crêtes) sont grandes et nombreuses à
l'effort qu'au repos.
On peut trouver la fréquence cardiaque (FC) en
mesurant la période d'une pulsation cardiaque.
P
Au repos, on obtient une période de 0,7 sec, ce
qui donne une FC (qui doit être en
battements.min-1) de (1/0,7)x60 = 85,7
battements.min-1.
A l'effort, on obtient une période de 0,4 sec, ce
qui donne une FC de (1/0,4)x60 = 150
battements.min-1.
On peut mesurer un autre paramètre qui est le
volume d'éjection systolique, c'est-à-dire le
volume de sang éjecté par le cœur (ventricule
gauche) lors d'une contraction cardiaque. On
peut obtenir les données suivantes sous forme
d'un graphique :
P
Graphique du VES en fonction de la puissance imposée
160
VES max
Volume d'éjection systolique (en mL)
140
120
100
80
VES (en mL)
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Puissance imposée (en Watts)
On constate que la VES ne fait qu'augmenter suivant la puissance musculaire jusqu'à atteindre une
valeur maximale appelée VESmax (qui correspond à la capacité maximale d'éjection du cœur). Si on a
un cœur plus gros et/ou plus entraîné, cette VESmax sera plus importante. Ainsi, par exemple, au
repos, on a une VES de 70 ml soit 7,0.10 -2 l. A une puissance imposée de 120 W, on a une VES de 140 ml
soit 1,4.10-1 l. Cette valeur correspond en même temps à la VESmax de Monsieur W.
On peut maintenant calculer facilement le débit cardiaque au repos et à l'effort :
• DC= FC x VES
• Au repos, on a : 85,7x7,0.10-2 = 6,0 l.min-1.
• A l'effort, on a : 150x1,4.10-1 = 21 l.min-1.
On peut constater ainsi qu'à l'effort le nombre de battements cardiaques est plus important et que la
fréquence cardiaque est plus grande ce qui permet d'avoir un débit cardiaque plus important. Donc le
cœur s'accélère, pompe beaucoup plus de sang et éjecte plus sang dans les vaisseaux sanguins.
Atelier 6 : Mise en évidence des modifications du système circulatoire – Les vaisseaux sanguins
Pour rappel, une veine est un vaisseau sanguin qui arrive au cœur et une artère un vaisseau sanguin qui
parte du cœur. Les poumons sont directement branchés sur le cœur et la circulation générale, c'est
pour cela qu'on peut dire qu'on dit que les circulations générale et pulmonaire sont en série. Cela
permet au sang de se recharger en dioxygène dans les alvéoles pulmonaires, et de le distribuer aux
organes. Et donc à l'inverse, les organes de la circulation générale, eux, sont en parallèle. Grâce à ce
système, ils reçoivent tous du sang venant directement du cœur avec la même teneur en dioxygène. En
fait, juste le débit cardiaque change en fonction de l'organe et de ses besoins.
Effectivement lors d'un effort, certains organes ont un débit plus important comme les muscles, un
tout petit peu le cœur et la peau. Les viscères à l'inverse ont un débit moins important. Cependant,
globalement le débit cardiaque général est 5 fois plus important à l'effort qu'au repos (voir atelier 5).
Ces différences de débit entre organes sont dus en fait aux sphincters qui sont fermés par exemple
dans les muscles au repos. Ainsi une partie des capillaires sanguins ne sont pas irrigués. Par contre à
l'effort, les sphincters s'ouvrent et tout le muscle devient irrigué par les capillaires. Cela permet au
final d'améliorer le débit sanguin dans l'organe lors de l'effort et donc d'améliorer l'apport en
dioxygène.
Bilan : La VO2 (consommation de dioxygène en fonction du temps) et la consommation de glucose
augmentent pour fournir l'énergie nécessaire aux muscles lors d'un effort. De plus, l'organisme
peut mobiliser en plus au cours du temps différentes ressources énergétiques (glycogène, lipides,
protides). Mobiliser correctement ces ressources énergétiques pendant un effort physique long et
régulier permet de limiter les risques d'obésité.
Cependant, il existe une limite à la consommation de dioxygène, appelée VO2max. C'est une limite
à la performance physique d'un individu. Cette limite peut être repoussée avec de l'entraînement.
Pour apporter plus de dioxygène et de glucose et donc d'énergie aux muscles lors d'un effort, le
corps va s'adapter au niveau respiratoire et cardiaque.
• Lors d'un effort physique, le volume d'air ventilé (ou courant) ainsi que la fréquence
ventilatoire augmentent. Cela augmente le débit ventilatoire et ainsi la quantité d'air
apporter par les poumons (voir formule).
• Lors d'un effort physique, le volume d'éjection systolique, c'est-à-dire le volume de sang
éjecté par le cœur au niveau du ventricule gauche, ainsi que la fréquence cardiaque
augmentent. Cela augmente le débit cardiaque (voir formule).
• De plus, il y a aussi des modifications au niveau des vaisseaux sanguins. Certains organes
comme les muscles sont beaucoup plus irrigués (exemple des sphincters pré-capillaires).
Ainsi les modifications du système cardio-respiratoire permet une meilleure circulation du sang et
donc un meilleur approvisionnement en O2 et en glucose aux muscles.
II – Un aspect de la régulation de la pression artérielle :
III2 – Activité 2
Régulation de la pression artérielle chez l'Homme
Problème
Comment est régulée la pression artérielle chez l'Homme ?
Compétences
Mo.3
Régulation de la pression artérielle (boucle de régulation – système
réglant-réglé).
I.1 – Ra.6 – Co.4
Matériel
Documents sur la pression artérielle.
Correction :
1 – On constate que la pression artérielle n'est pas constante au cours d'une journée et qu'elle évolue
sans cesse. On peut penser qu'elle réguler suivant l'activité qu'on exerce dans la journée.
2 – 3 : Voir schémas-bilan ci-dessous.
Bilan : La pression artérielle constitue un paramètre physiologique réglé. Une boucle réflexe de
contrôle de la fréquence cardiaque (dont elle dépend) permet de la maintenir autour d'une valeur
« consigne ». Cette boucle de régulation fait intervenir différents acteurs :
• des capteurs : barorécepteurs dans la crosse aortique et les sinus carotidien qui détectent
les variations de la pression dans les artères.
• des nerfs sensitifs : nerf de Cyon et de Héring qui transmettent les informations.
• un centre intégrateur : le bulbe rachidien qui synthétise les données transmises depuis les
barorécepteurs.
• des nerfs moteurs : les nerfs sympathique et parasympathique qui envoient des signaux de
modification.
• des effecteurs : le cœur qui modifie sa fréquence de pulsation et les artères qui sont douées
de vasomotricité.
Cette boucle de régulation permet ainsi de réajuster les valeurs de la la pression artérielle en cas
de modification liée par exemple à un effort physique.
Schémas-bilan :
•
Boucle de régulation de la pression artérielle :
•
Fonctionnement de la boucle de régulation de la pression artérielle :