Thème 3 Corps humain et santé : l'exercice physique 18 Voir l'activité n 9 I Les besoins des muscles Lors d'un effort d'intensité croissante, la consommation de dioxygène augmente progressivement jusqu'à atteindre une valeur maximale appelée VO 2 max. Cette consommation de dioxygène s'accompagne d'un rejet de dioxyde de carbone en quantité équivalente ; elle est associée à la dégradation d'une forme de réserve du glucose dans le muscle appelée glycogène et à la production de chaleur, mais aussi et surtout d'énergie chimique utilisable par le muscle pour accomplir sa fonction : la contraction. (voir le document 1) 25% 75% Document 1 - Schéma : La production d'énergie dans le muscle remarques : - la réaction chimique de type catabolique illustrée dans le document1 est équivalente à une combustion ; elle nécessite donc 2 types de réactif : un carburant (le glucose essentiellement) et un comburant (le dioxygène). Alors que le premier «brûle», le second «fait brûler». - le rendement énergétique du muscle est d'environ 25% c'est-à-dire que l'énergie contenue dans les nutriments catabolisés par les muscles est transformée pour ¾ en chaleur, et pour ¼ en énergie utilisable pour la contraction.
Bilan : 19 La digestion et l'absorption assurent l'approvisionnement des cellules en nutriments à partir des aliments. Les nutriments représentent pour les cellules une source d'énergie importante lorsqu'ils réagissent avec le dioxygène : c'est la respiration cellulaire qui a lieu dans les mitochondries. La consommation de dioxygène et de nutriments par les cellules musculaires augmente avec l intensité de l activité physique. Le muscle en activité prélève le glucose dans le sang et dans ses réserves de glycogène. Le muscle ne dispose pas de réserve de dioxygène. II Les réponses de l'organisme à l'effort physique (voir les documents 2 et 3) Un exercice physique se traduit au niveau de l'organisme par : - une augmentation du débit ventilatoire - une augmentation du débit cardiaque - une augmentation de la sudation (= transpiration) Quelques définitions : (voir le document 2) - le volume d'éjection systolique est le volume de sang expulsé par le cœur dans l'aorte à chaque battement cardiaque (suite à la contraction du ventricule gauche, appelée systole) et à destination des organes. C'est la différence entre le volume de sang dans le ventricule gauche avant et après la contraction (VES = V 1 - V 2 ) - la fréquence cardiaque (F.C) est le nombre de battements du cœur effectués en 1 minute. - le débit cardiaque (D.C ) est le volume de sang expulsé par le cœur dans l'aorte par minute, c'est donc le produit du volume d'éjection systolique (V.E.S) par la fréquence cardiaque : D.C = F.C x V.E.S - la fréquence ventilatoire est le nombre de mouvements respiratoires (= cycles inspiration-expiration) effectués en 1 minute. - le volume courant est le volume d'air qui rentre (ou qui sort) des poumons lors d'un mouvement respiratoire. - le débit ventilatoire est le volume d'air qui rentre (ou qui sort) des poumons par minute, c'est donc le produit du volume courant par la fréquence ventilatoire. P.A.S P.A.D Légende : V.E.S V 2 P.A.S : pression artérielle systolique P.A.D : pression artérielle diastolique V 1, V 2 : volume sanguin dans le ventricule gauche V.E.S : volume d'éjection systolique remarque : les cœurs sont représentés dans la position du corps qui est face à l observateur. Document 2 - Schéma : Pressions sanguines lors de la systole (a) et de la diastole (b) V 1
20 Document 3 Schéma-bilan : Quelques modifications physiologiques lors de l'exercice physique Bilan : L'augmentation de l'activité musculaire est associée à une augmentation du volume de dioxygène consommé, possible grâce à une augmentation des débits respiratoire et cardiaque. Le cœur est un muscle creux animé de contractions rythmiques qui mettent le sang en mouvement dans les vaisseaux sanguins sous l'effet de la pression sanguine. Une activité physique régulière a un double impact positif : sur la santé en réduisant le risque d'apparition de nombreuses maladies (obésité, troubles cardiovasculaires, cancers,...),ainsi que sur l'esprit (libération d'endorphines) tout en améliorant les capacités physiques (endurance notamment). (voir l'exercice 17) III Les limites des performances sportives A partir d'une certaine intensité de l'effort (ou puissance), le volume de dioxygène consommé par le muscle en un temps donné atteint une valeur maximale appelée VO 2 max ; lors d'un exercice physique de type course à pied, par exemple, elle correspond à une vitesse appelée la Vitesse Maximale Aérobie (V.M.A). Au delà du palier d'effort correspondant à 60% de VO 2 max.(variable selon l'individu), l'organisme utilise d'autres ressources énergétiques, limitées, qui ne font pas appel à la consommation de dioxygène. Cela s'accompagne de la production de substances toxiques (acide lactique notamment) qui s'accumulent dans le sang, conduisant à l'épuisement. L'effort ne peut donc être maintenu au-delà de quelques minutes à des puissances égales ou supérieures au palier correspondant à VO 2 max. VO 2 max varie d'une personne à l'autre, notamment selon l'âge, le sexe et l'entraînement. Ce volume maximal de dioxygène que l'organisme est capable de fournir aux muscles par unité de temps (c'est donc en fait un débit), est considéré comme le meilleur indicateur de l'aptitude physique de type endurance (effort de longue durée et de puissance inférieure à la valeur maximale). L'augmentation de la fréquence cardiaque observée lors d'un effort physique ne peut dépasser une valeur maximale appelée fréquence cardiaque maximale (en théorie, F.C max = 220 âge ±10). F.C max et VO 2 max sont donc 2 paramètres physiologiques étroitement liés (voir le schéma-bilan de l'activité n 9) remarque : l'organisme stocke suffisamment de réserves énergétiques, sous la forme de glycogène dans les cellules musculaires et de lipide dans les cellules graisseuses, pour ne pas manquer de carburant lors d'une activité physique. En revanche, il ne stocke pas de comburant, c'est-à-dire de dioxygène; On en déduit que la performance sportive, sur un travail d'endurance, est principalement lié à VO 2 max.
IV Relation entre l'apport de dioxygène aux muscles en activité et la double circulation (voir le document 4) La circulation pulmonaire et la circulation générale sont disposées en série : elles sont placées l'une à la suite de l'autre et ont, par conséquent, un débit sanguin identique. Tout le sang issu des organes passe donc par les poumons, ce qui permet de recharger en dioxygène l'ensemble du volume sanguin. 21 Document 4 - Schéma : disposition en série de la circulation générale et de la circulation pulmonaire V La distribution du sang vers les tissus lors d'un effort (voir les documents 5 et 6) Les organes de la circulation générale sont disposés en parallèle, ce qui assure une distribution indépendante de sang aux différents organes (débit sanguin propre à chaque organe). Lors de l'effort physique, le débit sanguin dans les organes varie : - il est augmenté au niveau du cœur, des muscles et de la peau - il est constant au niveau du cerveau - il est diminué au niveau des autres organes et notamment l'appareil digestif.
Ces variations du débit sanguin sont contrôlées par des variations du diamètre des artérioles qui irriguent ces différents organes (ces variations modifient la résistance qu'exercent les vaisseaux sur l'écoulement du sang) : - il y a vasodilatation (augmentation du diamètre d'un vaisseau sanguin par relâchement des fibres musculaires de sa paroi) des artérioles ai niveau des muscles, du cœur et de la peau. - il y a vasoconstriction (diminution du diamètre d'un vaisseau sanguin par contraction des fibres musculaires de sa paroi) des artérioles au niveau des autres organes 22 Légende : Document 5 - Schéma : les variations de débit sanguin dans les artérioles Document 6 - Schéma : la distribution du sang dans les organes lors d'un effort physique Ces 2 phénomènes (disposition en parallèle et changements du diamètre des artérioles) sont responsables d'une modification de la distribution des débits sanguins entre les différents organes au cours de l'activité physique. Bilan : Au cours de l'effort, les augmentations des débits cardiaque et ventilatoire, associée à des modifications de la circulation sanguine, sont synchrones : elles sont couplées, ce qui permet un apport accru de dioxygène aux muscles
VI Le contrôle de l'activité cardiaque 23 Voir l'activité n 10 Rappels : - La pression artérielle (P.A) est la force motrice qui propulse le sang dans dans les artères grâce à la contraction des ventricules (=systole). C'est un paramètre physiologique qui doit être étroitement contrôlé et qui est lié à la fois à la fréquence cardiaque et à la résistance des vaisseaux sanguins (R.V) par la formule mathématique : P.A = F.C x V.E.S x R.V - Les organes communiquent entre eux par 2 voies principalement : la communication nerveuse et hormonale (voir le cours de 4 ème ). a b Document 7- Schéma : la communication nerveuse (a) et hormonale (b) L'activité n 10 a permis de conclure que l'activité cardiaque est sous le contrôle du système nerveux. Au repos, lorsque la pression artérielle varie, l'organisme réagit en mettant en place des mécanismes s'opposant à cette variation pour l 'annuler et finalement, maintenir la pression artérielle constante : on parle de régulation de la pression artérielle. Conformément au schéma général du document 7a, ce mécanisme de régulation fait intervenir les éléments suivants (voir le document 8 - Schéma bilan de l'activité n 10) : - un récepteur : il 's'agit du sinus carotidien, pourvues de cellules sensorielles sensibles aux variations de la pression artérielle (stimulation) et capable de produire un message nerveux sensitif. - d'un nerf sensitif : c'est le nerf de Héring qui conduit des messages nerveux sensitifs du récepteur à un centre nerveux. - un centre nerveux : il s'agit du bulbe rachidien, juste au dessus de la moelle épinière, qui analyse ces messages puis élabore à son tour des messages nerveux adaptés ; c'est un centre intégrateur - de 2 nerfs moteurs qui conduisent des messages nerveux moteurs du bulbe rachidien au cœur : c'est le nerf parasympathique (lorsqu'il est stimulé, il entraîne une diminution de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque : il freine le cœur) et le nerf sympathique (lorsqu'il est stimulé, il entraîne une augmentation de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque : il accélère le cœur) - un effecteur : le cœur qui en modifiant son rythme notamment, agit sur la pression artérielle, qui reprend alors une valeur adaptée, compatible avec le bon fonctionnement de l'organisme. Remarque : l'activité cardiaque est également régulée par voie hormonale ; ainsi, sous l'effet d'un stress ou lors d'un exercice physique, une hormone cardio-accélératrice est produite, par une glande placée sur les reins, puis libérée dans le sang : il s'agit de l'adrénaline. Bilan : L'activité cardiaque est contrôlée de façon automatique et involontaire par le système nerveux. Pour cela, un boucle de régulation permet de maintenir, au repos, un paramètre physiologique essentiel : la pression artérielle, à une valeur relativement stable. (voir le document 8)
Document 8- Schéma : Boucle de régulation de la pression artérielle 24