Classe de seconde

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Classe de seconde
1.5h en demi groupe par semaine
1h en classe entière par quinzaine
L’ORGANISME EN
FONCTIONNEMENT
Chapitre1 : Effort physique et modifications
physiologiques.
Chapitre2 : organisation de l’appareil circulatoire et
apport d’o2 aux cellules musculaires.
Chapitre 3 : contrôle et coordination des fonctions
cardiaques et respiratoires par le système nerveux.
DUREE : 7 semaines
1
L’effort physique s’accompagne de modifications
physiologiques.
I Les besoins des cellules musculaires.
1 Au repos.
Emergence des pré requis des classes de 5e et 3e à partir de l’observation d’un athlète en
action (photo).
Le squelette est mis en mouvement grâce à l’intervention des muscles qui y sont rattachés (par
les tendons).
Ceci est permis grâce à une commande nerveuse : le SN est relié aux muscles via des nerfs
qui acheminent le message nerveux.
Système nerveux central
Nerfs
Contraction des Muscles
Mise en mouvement du corps.
Les muscles, acteurs des déplacements du corps.
Le tissu musculaire est constitué de cellules qui nécessitent, pour leur survie et leur activité,
des nutriments (tels que le glucose) et du dioxygène dont le rôle est de pourvoir ces cellules
en énergie.
Les cellules doivent d’autre part éliminer les déchets qu’elles produisent (co2…).Ces
échanges se réalisent entre le sang et la cellule
02
Energie
Cellule
musculaire
énergie
2
Glucose
CO2
2 Lors de l’effort.
Qu’en est il des besoins en glucose d’une cellule musculaire lors d’un exercice physique
prolongé ?
Comment évoluent les besoins des cellules musculaires lors d’un effort ?
Décrivez le document 1. (Activité individuelle, correction collective).
Pour cela :
-repérer quels sont les paramètres utilisés sur l’axe des abscisses et des ordonnées et dites quel
paramètre varie en fonction de quel autre.
-dérivez l’évolution de la consommation en glucose lors d’un exercice léger. Faites de même
pour un exercice modéré et intense ; vous vous appuierez sur des valeurs chiffrées.
-comparer les trois courbes entre elles et dégagez une conclusion générale.
Production attendue :
-C’est la durée de l’exercice qui est mesurée sur l’axe des abscisses.
C’est le prélèvement de glucose par les muscles qui est mesuré sur l’axe des ordonnées.
On étudie le prélèvement de glucose par le muscle en fonction de la durée de l’exercice.
-Lors d’un ex léger, le prélèvement de glucose augmente lors des 10 premières minutes : elle
passe de 0.5mmol /L/min à 0.8mmol /L/min puis se stabilise.
Lors d’un exo modéré, le prélèvement de glucose augmente : elle passe de 0.5 à 1 mmol
/L /min lors des 10 premières minutes puis se stabilise.
3
Lors d’un exo intense, il passe de 0.5 à 3 mmol/L/min lors des 10 premières min puis se
stabilise.
-Dans tous les cas le prélèvement de glucose par le muscle augmente lors des 10 premières
minutes, et il est d’autant plus important que l’exercice est intense.
II La satisfaction des besoins des cellules musculaires en glucose lors de l’effort.
Exo permettant de faire émerger une problématique :
Lors d’1 effort le muscle consomme en moyenne 500mg de glucose par minute. La teneur du
sang en glucose (glycémie) est de 1g par litre. Un homme possède en moyenne 5 L de sang.
Le glucose sanguin est donc consommé au bout de 10 minutes.
(1*5=5g=5000mg de glucose dans le sang)
(5000 /500=10 minutes)
Le fait que le glucose sanguin soit entièrement consommé au bout de 10 minutes vous
interpelle t il ?
Quelle est la question que vous vous posez ?
Rédigez la en qq lignes.
Problème : comment expliquer que l’effort puisse être prolongé au-delà de 10 minutes alors
que tout le glucose sanguin est consommé ?
Formuler une hypothèse (solution probable) relative au problème soulevé.
Hyp : il doit exister des réserves en glucose au sein de l’organisme.
Lors de l’effort ce sont les muscles qui consomment le plus de glucose, il serait donc logique
de penser que s’il y a une réserve de glucose elle soit localisée au niveau du muscle.
S’il existe une réserve de glucose au niveau du muscle, alors les cellules musculaires doivent
présenter des aspects différents au repos (la réserve est maximale) et lors de l’effort (la
réserve est utilisée).
On est donc allé voir l’aspect des cellules musculaires avant et après un effort physique, et en
particulier, on a coloré une molécule, contenue dans les cellules ; voici le résultat de cette
coloration :
4
Cellules d’un muscle resté au repos (photographie a) et après un effort physique (b).
Activité :
Comparer les photographies a et b.
Au niveau de la photographie b, les cellules musculaires sont plus claires que celles de la
photo a , la molécule colorée est dons plus abondante dans les cellules au repos que dans les
cellules après l’effort.
Conclusion : Les cellules musculaires présentent un aspect différent avant et après l’effort,
cette différence pourrait être due à la mobilisation de la réserve de glucose du muscle lors
d’un effort.
La molécule que l’on a colorée est le glycogène ; s’il s’agit de la réserve de glucose, alors il
faut que :
Sa quantité soit maximale au repos.
Sa quantité diminue lors de l’effort, « pour que » du glucose soit libéré.
On a donc mesurée la quantité de glycogène contenue dans le muscle au repos et lors d’un
effort, les résultats vous sont présentés dans le doc ci-dessous :
Evolution de…………………………. En fonction de………………………………….. .
Compléter le titre du graphique ci-dessus.
Décrivez le document.
Dites si le glycogène rempli les conditions que l’on a posées pour être une réserve de glucose,
justifiez votre réponse.
Conclusion :
Le glycogène est une grosse molécule constituée d’un enchaînement de molécules de
glucoses. C’est la réserve de glucose des cellules animales, il libère le glucose nécessaire à la
cellule musculaire lors de l’effort.
Ainsi c’est grâce au glycogène que l’effort peut être soutenu au-delà de 10 minutes.
L’hypothèse est validée.
III La satisfaction des besoins des cellules musculaires en O2 lors de l’effort.
Pb : comment expliquer la satisfaction des besoins en O2 lors de l’effort alors qu’il n’existe
pas, contrairement aux réserves de nutriments, des réserves de dioxygène ?
5
Formuler des hypothèses en relation avec le problème posé.
Hyp : On respire plus vite (et/ou plus fort).
Vérification : TP exao Spirom et Respihom.
Spirom :
Un capteur mesure le volume d’air mobilisé à chaque inspiration et expiration.
Ces mesures sont transmises à l’ordinateur qui présente sous forme graphique les volumes
d’air inspirés et expirés en fonction du temps.
a : enregistrement réalisé au repos.
b : enregistrement réalisé au cours de l’effort.
A partir des graphes que vous avez obtenus, calculer lorsque l’individu est au repos et en
activité :
6
- la fréquence respiratoire ou rythme respiratoire : nombre de mouvements respiratoires
(inspiration et expiration) en une minute.
- le volume d’air courant : volume d’air échangé (inspiré ou expiré) à chaque mouvement
respiratoire.
- le débit ventilatoire ou respiratoire : produit de la fréquence respiratoire par le volume d’air
courant.
Ainsi, le débit ventilatoire = Fréquence respiratoire * volume courant.
C’est la quantité d’air échangé par les poumons par unité de temps, il s’exprime en litres par
minutes (L/min).
Vous présenterez vos résultats sous forme d’un tableau :
Repos
Effort
Fréquence respiratoire
Volume d’air courant
Débit ventilatoire
Comment évoluent ces 3 paramètres quand on passe du repos à l’effort ?
Bilan : lors d’un effort physique il y a augmentation de la fréquence respiratoire ainsi que
du volume d’air échangé lors des inspirations et expirations, donc du débit ventilatoire .
Respihom :
Une sonde mesure la quantité d’02 restant dans l’air expiré.
En soustrayant la quantité d’o2 présente dans l’air ambiant (cette quantité est constante et vaut
21%) à la quantité d’o2 restante dans l’air expiré, le logiciel calcule la quantité d’O2 utilisée
par l’organisme. On peut ainsi suivre l’évolution de la consommation de dioxygène au repos
et lors d’un effort.
Résultats :
La courbe représente la consommation d’02 par l’organisme (en Litres). Il s’agit d’une
quantité cumulée. C’est donc une rupture de pente qui sera Indicatrice d’une plus ou moins
grande consommation d’O2.
7
.
Conclusion : Lors de l’effort, le débit respiratoire augmente.
Que permet cette augmentation du débit respiratoire ?
Vont me dire qu’elle permet d’enrichir le sang en o2. (Faire rappel sur lien entre air et sang :
transparent rétro projeté).
Hyp : lorsque le débit respiratoire augmente, plus d’o2 est pris en charge par le sang au niveau
des capillaires alvéolaires.
Au repos, la PO2 alvéolaire est de 106.4 mm de Hg, elle peut augmenter jusqu'à atteindre
120mm de Hg lorsque la respiration s’accélère.
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Doc : Quantité d’O2 fixée par le sang en fonction de la PO2de l’air alvéolaire.
Déterminer, grâce à la lecture de la courbe quelle est la quantité de dioxygène fixée par
le sang des capillaires pulmonaires au repos et lors de l’exercice.
Pour cela,
-entourez les valeurs de la PO2 au repos et lorsque la respiration s’accélère,
-relier grace à un trait vertical ces valeurs à la courbe puis relier grace à un trait horizontal
ces points sur la courbe à l’axe des ordonnées.Lire sur cet axe la valeur de la quantité d’o2
fixée par litre de sang.
Mettre à l’épreuve l’hypothèse.
Que l’individu soit au repos ou en activité, la quantité d’02 fixée par le sang au niveau des
poumons est de 200mL par litre de sang.
Ainsi, le sang des capillaires alvéolaires est saturé en o2 au repos, comme lors d’un exercice.
Ainsi l’hypothèse est fausse : le sang ne peut pas fixer plus d’02 au niveau des alvéoles
pulmonaires lors de l’effort.
Le seul moyen d’acheminer plus d’02 aux cellules musculaires est donc que le sang circule
plus vite (car le volume sanguin est constant).
Comment le sang est il mis en circulation?
C’est le cœur qui permet la mise en mouvement du sang dans l’organisme. Si le cœur bat plus
vite, alors le sang circulera plus vite aussi.
Hyp : le rythme cardiaque augmente.
Vérification : prise de pouls.
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Mesure de la fréquence cardiaque
Comparer les FC au repos et après un effort.
La fréquence cardiaque augmente quand on passe du repos à l’effort, ainsi le sang circule plus
vite.
Noter au tableau toutes les fréquences cardiaques qu’ils ont obtenues.
Formuler des hypothèses sur les différences entre les résultats de vos fréquences cardiaques.
Pourquoi certains ont des frqces plus basses ?
Ces élèves là font du sport.
Comment leur muscles sont ils assez pourvus en O2 si la fréquence cardiaque n’augmente pas
beaucoup chez les sportifs ?
Si sont pommés reprendre avec eux le lien entre respiration circulation et acheminement d’O2 aux cellules
musculaires.
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Le débit cardiaque est un volume de sang circulant par unité de temps. Il dépend donc de la
fréquence cardiaque.
Exploitez les documents ci-dessus :
On constate que dans les 2 cas (individu non entraîné et entraîné) FC augmente lorsque
l’effort augmente mais FC du sportif est toujours inférieure à FC du non sportif.
Dans les 2 cas, QC augmente mais QC du sportif est toujours supérieur à QC du non sportif.
Pb : Comment expliquer que chez les sportifs QC soit supérieur alors que FC est inférieure ?
Hyp : QC dépend d’un autre paramètre que de la fréquence cardiaque.
Ce paramètre peut être la force du coeur : le cœur est plus efficace à chaque contraction et
envoie un volume plus important de sang dans la circulation.
Définition du volume d’éjection systolique VES : c’est le volume de sang mobilisé à chaque
contraction cardiaque.
Alors Qc serait égal à VES*Fc (par analogie avec le débit respiratoire).
Si cela est vrai, le cœur du sportif doit être modifié suite à l’entraînement, il doit éjecter une
plus grande quantité de sang.
Sujets
Homme sédentaire
Homme entraîné
Paramètres
Fréquence cardiaque au repos
(batt/min)
60
45
Masse du cœur (en g)
350
500
Volume d’éjection systolique
à l’effort (mL/batt)
120
130
Comparaison de quelques paramètres cardiaques chez un homme sédentaire et chez ce même
homme après entraînement.
A l’aide du document, éprouver l’hypothèse formulée.
Chez un homme entraîné, la fréquence cardiaque est plus basse que chez un homme non
entraîné.
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Par contre, la masse cardiaque et le volume d’éjection systolique sont plus importants chez un
individu entraîné que chez un sédentaire.
Ainsi, l’hypothèse est validée : lors d’un effort physique, le débit cardiaque augmente car la
fréquence cardiaque et le volume de sang éjecté augmentent. Une plus grande quantité de
sang circule par unité de temps. Ceci permet de prélever une plus grande quantité de
dioxygène dans l’air alvéolaire et de le distribuer aux muscles.
BILAN :
Les débits cardiaques et ventilatoires augmentent lors d’une activité physique. C’est
l’augmentation conjointe de ces débits qui permet de satisfaire les besoins des cellules
musculaires.
Une augmentation du débit respi sans augmentation du débit cardiaque ne permet pas au sang
de prélever plus d’02 au nveau des capillaires.
Une augmentation du débit cardiaque non accompagnée d’une aug du débit ventilatoire
provoque une insaturation du sang en o2 par suite de la diminution de ppo2 dans les alvéoles.
Schéma bilan :
La satisfaction des besoins des muscles lors de l’effort physique
Cœur :
↑ de la frqce cardiaque
et du VES .
Poumons :
↑ de la frqe respiratoire et
du volume courant.
↑ Débit
cardiaque.
↑ Débit
ventilatoire.
Muscles :
↑ consommation
en O2 et glucose
Muscles :
↓ des réserves en glucose donc du
glycogène.
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