BIOENERGETIQUE & EXERCICE MUSCULAIRE

BIOENERGETIQUE&

EXERCICE MUSCULAIRE

Unité 6: Sciences Biologiques appliquées aux APS

YQUEL Ronan, UFRSTAPS Bordeaux 2, Licence 2ème année

Substrats énergétiques&

Transport d’O2

ATP

ADP + Pi

PCKc

PCKm

Pi

Cr PCr

ADP ATP

phosphorylation oxydative

ADP ATP

Glycogène

Hexose mono P

Pyruvates

PFK

GP

ACoAO2

KNADH2

NAD+

Glucose

Glycérol

AGL

Partie 2: Apport cellulaire en O2,

CO2

H2O

½O2

ATP

nrj

K

cytoplasme

mitochondrie

GlucoseGlycogène

GlycérolAcide GrasLactate

Partie 2: Apport cellulaire en O2,

La consommation d’O2 (VO2 ) augmente à l’exercice. Elle est de:

250 ml.min-1 au repos

2.5 l .min-1 marche à 9 km.h-1

5 à 6 l.min-1 lors d’un effort intense

VO2 peut être multipliée par 20 à l’exercice intense.

Comment l’organisme s’adapte t’il au niveau respiratoire pour répondre à cette consommation d’O2?

.

.

Intensité

Durée

Bioénergétique et exercice musculaire

Partie 2: Transport de l’O2 de l’atmosphère aux mitochondries: Étape pulmonaire

- 2.1 Ventilation à l’exercice

- 2.2 Contrôle ventilatoire

- 2.3 Échanges gazeux, diffusion alvéolo-capillaire

- 2.4 Le rapport Ventilation/ Perfusion

VA/Q• •

Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire

CO2

O2

N2

20.96%

79%

0.03%

Air:

Pb = [PN2 + PO2+PCO2] +PH2OPb= 760 mmHgPO2=157-159 mmHgPH2O= 12 mmHg (air sec)

Trachée:

PiO2 = 149 mmHgPH2O= 47 mmHg (air humide)

Alvéole:

PAO2 = 100 mmHgPH2O= 47 mmHg (air humide)

Rappel structure et fonction : comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction.


Le poumon sert aux échanges gazeux. Sa fonction première est de permettre à l’oxygène de pénétrer de l’air ambiant dans le sang veineux et au CO2 d’en sortir. Sa fonction essentielle est l’échange des gaz.

L’O2 et le CO2 se déplacent entre l’air et le sang par simple diffusion, c’est à dire d’une zone de haute pression vers une zone de basse pression

- +

-+


Trachée

Bronche G,D

Bronchelobaire

Bronchesegmentaire

X divisions

Bronchiole terminale

Voies aériennes: zone de conduction


Zone de conductio

n

Zone de transition

Zone respiratoire

trachée

bronche

br lob

br seg

Bronchiole

terminale

Bronchiole respiratoire

Canal alvéolaire

Sac alvéolaire


Le poumon humain contient environ 300 millions d’alvéoles, chacune ayant un diamètre de 0.3 mm.

L’alvéole n’est pas ronde, elle a une forme polyédrique.

Surface d’échange totale entre 50 et 100 m2.


Interface gaz-sang

Sang veineux Sang artériel

Réseaucapillaire


2.1 La ventilation

Fig. schéma d’un poumon montrant les volumes et les débits caractéristiques

Volume courant VT: 500ml

Espace mort anatomique: 150ml

Volume alvéolaire: 350 ml

Ventilation totale: VE =6 à 7.5 L.min-1

Fréquence 12 à 15 cycles .min-1

VD = 2.25 L.min-1

Ventilation Alvéolaire: VA = 5.25 L.min-1

.

.

.

VT = VD + VA VE = VD + VA. . .

Volumes Débits

Au repos


2.1 La ventilation:Stratégie au repos

Ventilation VT FR VE VD VA

superficielle 0.15 40 6 40x0.15=6

0

normale 0.5 12 6 12x0.15=1.8

4.2

profonde 1.0 6 6 6x0.15=0.9

5.1

augmentation

3.0 40-45 120 à 200

(x6) (x3-4)

À l’exercice

VE= FR x VT

VE= VA + VD

.

. . .


2.1 La ventilation:

1.5

2.5

3.0

30 40 50 60 70 80 90 100

VT (

l)

%VO2

2.0

1.0

0.5

3.5

X 6 20

30

35

30 40 50 60 70 80 90 100

FR (

cycl

e/m

in)

%VO2

25

15

10

40

X 2

Stratégie à l’exercice


2.1 La ventilation A l’exerciceLa fréquence respiratoire atteint environ 40 cycles.min-1 et VE, au repos compris 5 et 10 L.min-1, passe à environ 60 L.min-1 chez un adulte sédentaire, à 120 L.min-1 chez un athlète entraîné et parfois à 200 L.min-1 chez des athlètes très entraînés. Ces chiffres peuvent être dépassés lors d’une hyperventilation maximal volontaire (HMV). Ce n’est donc pas la ventilation qui limite l’exercice dans les conditions normale.

VE < HMV.

L’augmentation de VE, est d’abord strictement proportionnelle à VO2. Puis augmente plus vite que celles ci lors des exercices intenses. Ce phénomène est lié d’une part à l’augmentation de la stimulation corticale et d’autre part au mauvais rendement des muscles respiratoires qui consomment plus d’oxygène.

. .


2.1 La ventilation A l’exercice

sédentaire

Moyen Ent

Haut niv20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 2 3 4 5 6

VE (

l.m

in-1)

.

VO2 (l.min-1). Hyperventilation

VE < HMV.


2.1 La ventilation: Coût de VE.

0.5

1.5

2.0

10 20 30 40 50 60 70

VO

2 (

l.m

in-1)

. 1.0

0

2.5

VE (l.min-1)

.

Muscles non respiratoires

Muscles respiratoires

Muscles respiratoires:

Repos: 0.5 à 1 ml d’O2/litre ventilé

Exercice: 4 à 5 ml ……………

>> 100 L.min-1: 8 ml……………..

Sachant que VE:

Repos = 6 L.min-1

Exercice = 120 L.min-1

Max = 200 L.min-1

.


2.2 Le contrôle ventilatoire: comment les échanges gazeux sont réglés

Malgré de grosses variations dans la consommation d’O2 et le rejet de CO2 par l’organisme, les PO2 et PCO2 artérielles sont normalement maintenues à l’intérieure d’étroites limites. Cette remarquable régulation des échanges gazeux est possible grâce au contrôle précis du niveau de la ventilation. Les trois éléments de base du système de contrôle de la ventilation sont : 1 les récepteurs qui accueillent l’information et la fournissent aux, 2 centre de contrôle situés dans le cerveau, qui coordonnent cette information et , en retour envoient des impulsions aux, 3 effecteurs (les muscles respiratoires) qui assurent la ventilation.


2.2 Le contrôle ventilatoire:

Mécano-récepteurs des membres

Moelle épinière

Tronc cérébral

Cortex

Cervelet

Artère

Aorte

Chémo-récepteurs centraux

Chémo-récepteurs de la bifurcation carotidienne

FNM

OTG

Centre bulbaire

Chémo-récepteurs de la crosse aortique

Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonairePartie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire

pH et PaCO2

FNM

OTG

PaO2

mouvement

pH et PaCO2


2.2 Le contrôle ventilatoire:

Les chémorécepteurs centraux:-répondent à un changement de la concentration en ion H+ de leur liquide extracellulaire.-Répondent aux variations de PaCO2.

Les chémorécepteurs périphériques:-sont le seul support de la sensibilité à une baisse de la PaO2.

Les Propriocepteurs des membres: Fuseau NeuroMusculaire, Organe Tendineux de Golgi: ils sont impliqués dans l’augmentation de la ventilation surtout en début d’exercice.


2.2 Le contrôle ventilatoire: Bronchodilatation des voies

aériennesAugmentation des volumes et débits

pulmonaires

Nerf phrénique Diaphragme

Système

orthosympathique

T°

Stimulation des muscles inspirateurs

Diaphragme

Système

ortho

PetitGrandpectoral

scalèneSterno-cleïdo-mastoidien

Intercostaux externes


2.2 La ventilation: Contrôle par PaO2

20

40

60

40 60 80 100

VE (

l.m

in-1).

PaO2 (mmHg)

30

10

0

Fig. Effets de l’inhalation de

mélanges pauvres en O2 sur la

ventilation. La PO2 artérielle a

été maintenue à 40 mmHg tout au long de l’exercice

Une baisse de PaO2 stimule la ventilation. Cette stimulation est observable à partir de 70mmHg.


2.2 La ventilation: Contrôle par le H+

7.5

12.5

15

38 40 42 44 46 48 50

VE (

l.m

in-1).

[H+] (nmol.L-1)

10

5

0

Fig. Changements de ventilation en réponse à une élévation de la concentration d’H+ produit par l’administration acide lactique..

L’acidose métabolique augmente la ventilation. L’alcalose métabolique diminue la ventilation

acidose

alcalose


2.2 La ventilation: Contrôle par PaCO2

10

20

32

38 40 42 44 46 48 50

VE (

l.m

in-1).

PaCO2 (mmHg)

16

8

0

Fig. Effets d’une augmentation de la PaCO2 artérielle, réalisée par adjonction de CO2 à l’air inspiré.

Sensibilité à l’augmentation de PaCO2

Une augmentation de PaCO2 stimule la ventilation. Une baisse de PaCO2 diminue la ventilation.

2.2 La ventilation Alvéolaire: Contrôle par PACO2


Repos

PAO2 = 100 mmHgPACO2= 40 mmHg

Exercice



Repos = = Exercice = Constante



60

100

120

30 32 34 36 38 40

VA

(l.m

in-1)

.

PaCO2 (mmHg)

80

40

20

140

180

1

2

3

4

5

6

Ex mod ath

VCO2 (l.min-1)

.

Ex max ath Ent

Ex max Sed

VCO2 = VA x PACO2 x k

A PACO2 = constante

PACO2 = VCO2 = Cte VA

Si VCO2 x 6 (production)

Alors VA x 6

. .

..



Le système de contrôle de la ventilation est d’une grande complexité; il est capable de modifier la ventilation en fonction des besoins métaboliques, en maintenant les pression des gaz dans d’étroites limites au cours de la plupart des circonstances physiologiques.

La pression alvéolaire en CO2 est maintenue constante, alors que la ventilation est contrôlée pour permettre ce maintien.

Plus la production de CO2 (VCO2) est importante, plus la ventilation est augmentée.

Donc physiologiquement, la ventilation s’adapte pour maintenir PACO2 constante.

.


PaO2 PaCO2 [H+]

Exercice musculaire

PCO2 du liquide céphalorachidien

Décharge des chémorécepteurs centraux

Décharge des chémorécepteurs périphériques

Décharge des neurones inspiratoires bulbaires

Décharge des neurones des muscles inspiratoires

Ventilation


2.2 Ventilation et type d’exerciceV

E (

l.m

in-1)

.

Temps (min)

Inte

nsi

té

Exercicerectangulaire

Accrochage

décrochage

La VE augmente immédiatement, pour se stabiliser au niveau requis par l’effort en cours.Dès la fin de l’effort, VE diminue immédiatement pour reprendre en quelques minutes sa valeur pré exercice.


2.2 Ventilation et type d’exercice

VE (

l.m

in-1)

.

Temps (min)

Inte

nsi

té

Exercicetriangulaire

La VE augmente de façon linéaire en début d’exercice, puis elle augmente de façon exponentielle et traduit une accélération ventilatoire.

VE max

.

hyperventilation

2.3 Échanges gazeux, diffusion alvéolo-capillaire: comment les gaz traversent la barrière gaz-sang


Diffusion à travers la membraneAlvéolo-capillaire

Diffusion et fixation à l’hémoglobine


Lois de la diffusionLa diffusion à travers les tissus est décrite par la loi de Fick. Cette loi établit que le débit de transfert d’un gaz à travers une couche de tissu est proportionnelle à sa surface ainsi qu’à la différence de pression partielle du gaz entre ses deux faces, et inversement proportionnelle à l’épaisseur du tissu.La surface de la barrière gaz-sang est énorme (50 à 100 m2), et son épaisseur ne dépasse pas 0.3 m. Ces dimensions sont idéales pour la diffusion.De plus, la vitesse de ce phénomène est proportionnelle à une constante de diffusion qui dépend des propriétés des tissus et du gaz donné. Cette constante est proportionnelle à la solubilité du gaz et inversement proportionnelle à la racine carré du poids moléculaire. Ceci signifie que le CO2 diffuse environ 20 fois plus vite que l’O2 à travers les couches de tissu puisqu’il a une solubilité beaucoup plus grande et un poids moléculaire très peu différent.

2.3 La diffusion: étape 1


2.3 La diffusion

P2P1

Épaisseur

SURFA

CEO2

CO2

Vgaz S x D (P1 – P2)

E

.

D Sol

PM

Surface: 75 m2

Épaisseur: 0.3 m

Solubilité de CO2++++

PAO2 = 100-105 mmHg

PACO2= 40 mmHg

PvCO2= 46 mmHg

PaO2= 100 mmHgPvO2= 40 mmHg


2.3 La diffusion

PaCO2= 40 mmHg


2.3 La diffusion: équilibre des pressions

44

40

60

PC

O2 (

mm

Hg)

46

42

40

80

100

PO

2 (

mm

Hg)

48

44

46

42

40

48

40

60

80

100

0.00 0.25 0.50 0.75 s

Temps de transit dans le capillaire

Veine Capillaire Artère


2.3 La diffusion: équilibre des pressions

100

0.00 0.25 0.50 0.75

PO

2 (

mm

Hg)

Temps dans le capillaire (s)

50

0

Alvéolaire

Exercice

BPCO Sévère

BPCO


2.3 La diffusion: de l’oxygène

La PO2 dans un globule rouge (PaO2) est normalement de 40mmHg. De l’autre côté de la barrière gaz-sang, à seulement 0.3 m, la PO2 alvéolaire (PAO2) est de 10 mmHg. L’O2 suit cet important gradient de pression, et la PaO2 s’élève rapidement. Elle atteint la PO2 du gaz alvéolaire au moment où l’hématie se trouve seulement au tiers de son parcours le long du capillaire. Ainsi dans des conditions normales les réserves de diffusion sont considérables.

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