bioenergetique & exercice musculaire
DESCRIPTION
Unité 6: Sciences Biologiques appliquées aux APS. YQUEL Ronan, UFRSTAPS Bordeaux 2, Licence 2ème année. BIOENERGETIQUE & EXERCICE MUSCULAIRE. Substrats énergétiques & Transport d’O 2. ATP. ADP + Pi. Glycogène. ATP. ADP. GP. P i. PCKc. Glucose. Hexose mono P. Cr. PCr. PFK. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
- +
-+
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
Trachée
Bronche G,D
Bronchelobaire
Bronchesegmentaire
X divisions
Bronchiole terminale
Voies aériennes: zone de conduction
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
Zone de conductio
n
Zone de transition
Zone respiratoire
trachée
bronche
br lob
br seg
Bronchiole
terminale
Bronchiole respiratoire
Canal alvéolaire
Sac alvéolaire
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
Interface gaz-sang
Sang veineux Sang artériel
Réseaucapillaire
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
.
. . .
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
. .
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
Repos
PAO2 = 100 mmHgPACO2= 40 mmHg
Exercice
PAO2 = 105 mmHgPACO2= 35 mmHg
PAO2 = 105 mmHgPACO2= 35 mmHg
Repos = = Exercice = Constante
2.2 La ventilation Alvéolaire: Contrôle par PACO2
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
. .
..
2.2 La ventilation Alvéolaire: Contrôle par PACO2
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
Diffusion à travers la membraneAlvéolo-capillaire
Diffusion et fixation à l’hémoglobine
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
2.3 La diffusion
PaCO2= 40 mmHg
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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
Partie 2: Transport de l’O2, Étape pulmonaire
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.