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L’effort physique et ses effets

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​Introduction :

Lors d’un effort physique, les muscles ont des besoins particuliers pour lesquels le corps réalise des modifications conséquentes.
Dans ce cours, nous verrons dans un premier temps quels sont les besoins du muscle au cours d’un effort physique. Nous évaluerons notamment ses besoins en dioxygène et en nutriments. Dans une seconde partie, nous analyserons les modifications physiologiques qui répondent aux besoins des muscles. Ces modifications sont d’ordres respiratoires et cardiaques.

Les besoins du muscle au cours d’un effort physique

Évaluation des besoins du muscle

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Définition

Muscle :

Les muscles sont un ensemble de cellules musculaires. Ils convertissent l’énergie chimique présente dans le sang pour créer de l’énergie mécanique.

Pour savoir quels sont les échanges effectués entre les muscles et le sang qui entre et sort du muscle, on fait une prise de sang à une personne au repos puis pendant un effort. On cherche à mesurer les quantités de dioxygène, de dioxyde de carbone et de glucose dans le sang qui entre dans le muscle et dans celui qui sort du muscle.

Alt texte Comparatif des quantités de dioxygène, de dioxyde de carbone et de glucose dans le sang entrant et sortant du muscle, au repos et à l'effort.

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Exemple

Prenons dans un premier temps l’analyse faite chez un individu au repos.
La quantité de dioxygène dans le sang entrant dans le muscle est de 200 microlitres alors qu’elle n’est plus que de 150 microlitres à la sortie du muscle. Cela montre qu’il y a eu une consommation de dioxygène par le muscle.

De la même manière, la concentration en glucose diminue dans le sang après le passage dans le muscle. Elle passe de 900 microgrammes à 870 microgrammes. Là encore, on voit donc que le muscle consomme du glucose.

Au contraire, la concentration en dioxyde de carbone dans le sang augmente suite à son passage dans le muscle. Elle passe de 490 microlitres à 530 microlitres. Le muscle a donc apporté du dioxyde de carbone dans le sang.
On peut comparer cette analyse avec celle faite chez le même individu pendant un effort. Le sang entrant dans le muscle contient la même quantité de dioxygène, de dioxyde de carbone et de glucose que le sang entrant dans le muscle au repos. Les différences s’observent dans le sang sortant du muscle.

La quantité de dioxygène diminue comme dans l’expérience au repos. Cependant, il diminue d’une façon plus importante. Alors qu’il restait 150 microlitres au repos, il ne reste plus que 20 microlitres pendant l’effort. On peut donc en conclure que pendant un effort, le muscle consomme davantage de dioxygène qu’au repos.

De la même manière, la concentration en glucose était de 870 microlitres au repos et elle n’est que de 500 microlitres à l’effort. Là encore, on observe que le muscle a une consommation supérieure en glucose à l’effort qu’au repos.
Au contraire, la concentration en dioxyde de carbone est plus importante dans le sang sortant à l’effort qu’au repos. Il y a donc un rejet plus important de ce gaz pendant un effort.

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À retenir

Le muscle consomme davantage de dioxygène et de glucose pendant un effort, et il rejette plus de dioxyde de carbone.

Ces échanges sont indispensables pour que les cellules réalisent la respiration cellulaire et ainsi produisent de l’énergie. Pendant un effort, la respiration cellulaire est plus importante, d’où l’augmentation des échanges.

La consommation de dioxygène

Les cellules musculaires consomment plus de dioxygène à l’effort qu’au repos. Sur le graphique, on observe que cette consommation est d’autant plus forte que l’effort est important.

Alt texte La composition de dioxygène dans le temps au repos, lors d'un effort modéré ou intense

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À retenir

La consommation en dioxygène est mesurée en volume d’air consommé. On la note VO2.

VO2 peut être exprimé :

  • en volume par unité de temps, c’est à dire en litres par minutes ou par heure ;
  • en volume par unité de temps et par unité de masse de l’organisme, c’est-à-dire en litre, par minute ou par heure, par kilogramme.

Alt texte La consommation de dioxygène en fonction de l'intensité de l'effort

Ce graphique représente la consommation de dioxygène (VO2) en fonction de l’intensité de l’effort. Jusqu’à un certain point, la consommation de dioxygène augmente en fonction de l’intensité physique.

Mais à un moment précis, la consommation de dioxygène cesse d’augmenter malgré l’augmentation de l’intensité de l’effort. C’est à ce moment que l’organisme atteint sa limite de consommation de dioxygène.

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À retenir

On appelle VO2 max\text{VO}_{2\ max} la consommation maximale de dioxygène.

À ce moment, la respiration cellulaire, qui est un phénomène se déroulant en aérobie, est à son maximum. Si la personne veut continuer à intensifier son effort physique, d’autres phénomènes que la respiration cellulaire vont prendre le relais dans la cellule en conditions anaérobie et donc sans dioxygène.

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À retenir

La valeur de la VO2 max\text{VO}_{2\ max} est variable chez les différentes personnes. Elle dépend, entre autres facteurs, du sexe, de l’âge et de la condition physique.

Cette valeur est primordiale pour les sportifs de haut niveau qui essaient sans cesse d’augmenter leurs capacités physiques. C’est pour cela que certains utilisent des produits dopants, qui permettent d’augmenter artificiellement la valeur de leur VO2 max\text{VO}_{2\ max}.

La consommation de nutriments

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À retenir

Comme le dioxygène, les nutriments sont essentiels à la cellule pour réaliser la respiration cellulaire.

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Définition

Nutriments :

Les nutriments sont des petites molécules transformées dans notre système digestif à partir des aliments que l’on ingère.

Le glucose est un exemple simple de nutriment que l’on peut doser pour voir sa consommation en fonction du temps lors d’efforts légers à intenses. On observe sur ce graphique que la consommation en glucose est d’autant plus élevée que l’intensité de l’effort est importante.

Alt texte La consommation de glucose dans le temps en fonction de l'intensité de l'effort

Alt texte les réserves du corps en nutriments

Pendant la digestion, les nutriments sont absorbés par l’intestin grêle et rejoignent la circulation sanguine. Les nutriments vont alors passer dans différents organes qui vont le stocker. Une fois stockés, le glucose est appelé glycogène et les acides gras deviennent des triglycérides.
Le sang riche en glucose va d’abord passer par le foie qui va faire des stocks de glycogène hépatique.

Lorsque les nutriments arrivent dans les cellules musculaires, ils sont également stockés. Ainsi, on retrouve dans ces cellules du glycogène musculaire et des triglycérides.
Les tissus adipeux, c’est-à-dire la graisse de notre corps, vont, eux, stocker seulement les acides gras, sous forme de triglycérides.

Si l’on regarde la variation de la concentration en glycogène des muscles en fonction de la puissance de l’effort physique on remarque :

  • que lors d’un effort, la quantité de glycogène diminue plus rapidement qu’au repos ;
  • que plus l’effort est intense, plus la quantité de glycogène diminue.

Alt texte La consommation de glycogène en fonction de l'intensité de l'effort

On peut donc dire que les réserves en nutriments de la cellule musculaire sont mobilisées pour répondre à ses besoins en fonction de l’activité du muscle.

Des modifications physiologiques pour répondre aux besoins des muscles

Les modifications respiratoires

Pendant la respiration, il y a une succession d’inspirations et d’expirations. À l’inspiration, l’air entre dans les poumons, alors qu’à l’expiration, il sort des poumons.

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À retenir

Une inspiration et une expiration correspondent à une ventilation.

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Définition

Fréquence ventilatoire :

On appelle fréquence ventilatoire le nombre de ventilations par minute.

Dans les poumons, il y a une petite unité que l’on appelle une alvéole pulmonaire. On peut voir sur le schéma qu’une alvéole pulmonaire est bordée de capillaires sanguins qui permettent les échanges entre l’air et le sang.

Ainsi, le dioxygène inspiré va passer dans le sang alors que le dioxyde de carbone véhiculé par le sang est déchargé dans l’alvéole avant d’être expiré par l’organisme.

Alt texte Fonctionnement d'une alvéole pulmonaire

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À retenir

Le sang apporte aux cellules le dioxygène dont elles ont besoin pour réaliser la respiration cellulaire et les débarrasse du dioxyde de carbone qui est un déchet de cette même respiration.

À chaque ventilation, le volume d’air est renouvelé dans les poumons et donc dans les alvéoles pulmonaires.

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Définition

Volume courant :

Le volume courant est le volume d’air renouvelé dans les poumons à chaque ventilation.

Lors d’un effort physique, la quantité de dioxygène consommée par les cellules est plus importante qu’au repos. À ce moment-là, la fréquence ventilatoire ainsi que le volume courant augmentent. Ainsi, le débit ventilatoire, qui est le volume d’air renouvelé dans les poumons par minute, augmente.

Si l’on nomme FvFv la fréquence ventilatoire, Vc\text{Vc} le volume courant et Dv\text{Dv} le débit ventilatoire, on peut dire que Dv=Fv×Vc\text{Dv}={\text{Fv}}\times{\text{Vc}}.

Les modifications cardiaques

Conjointement à l’augmentation du débit ventilatoire, l’activité cardiaque connaît des modifications lors d’un effort physique.

Le cœur est composé d’un tissu musculaire, le myocarde, et de quatre parties creuses : les oreillettes (droite et gauche) et les ventricules (droits et gauches) qui communiquent par des valvules auriculoventriculaires.

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Définition

Myocarde :
Le myocarde est le muscle du cœur qui, par sa contraction, assure la circulation du sang dans le corps.

Alt texte Schéma du cœur

Le sang circule en sens unique dans le corps. Dans le cœur, le sang arrive par les veines (caves ou pulmonaires) et repart par les artères (aortes ou pulmonaires). Ce sont les deux grandes boucles de circulation sanguine. On parle de double circulation.

Dans la circulation pulmonaire, le sang part du cœur par l’artère pulmonaire. Il passe dans les poumons, où il se décharge en dioxyde de carbone et se charge en dioxygène. Il retourne alors au cœur par la veine pulmonaire.

Dans la circulation générale, le sang part du cœur par l’artère aorte. Il passe dans l’ensemble des organes de notre corps simultanément, pour approvisionner nos organes en dioxygène et les décharger du dioxyde de carbone. Il revient au cœur par la veine cave.

Alt texte La circulation sanguine

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Définition

Fréquence cardiaque :

On appelle fréquence cardiaque le nombre de battements du cœur par minute.

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Définition

Volume d’éjection systolique :

Le volume d’éjection systolique correspond au volume de sang éjecté à chaque contraction du cœur.

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À retenir

Lors de l’activité physique, le volume de sang éjecté par minute, qui correspond au débit cardiaque, s’accroît grâce à l’augmentation conjointe de la fréquence cardiaque et du volume systolique.

Si l’on note FcFc la fréquence cardiaque, Ves\text{Ves} le volume d’éjection systolique et Dc\text{Dc} le débit cardiaque, on peut dire que Dc=Fc×Ves\text{Dc}=\text{Fc} \times \text{Ves}

Conclusion :

Le muscle, pour fonctionner, à besoin de dioxygène et de nutriments. Plus l’effort est intense, plus les besoins sont importants. La consommation en dioxygène augmente en fonction de l’effort jusqu’à une certaine valeur appelée VO2 max\text{VO}_{2\ max} : c’est la limite respiratoire de l’organisme.

Les nutriments sont stockés à différents endroits du corps et lorsque les muscles ont besoin d’un apport accru en nutriments, ils mobilisent ces stocks. Pour répondre à ses besoins, le corps connaît donc des modifications au niveau respiratoire et cardiaque : les débits ventilatoire et cardiaque augmentent.