Adaptations cardiovasculaires lexercice Christophe Delclaux Service de physiologie

Adaptations cardiovasculaires à l’exercice Christophe Delclaux Service de physiologie Hôpital Robert Debré christophe. delclaux@aphp. fr

Animaux hétérotrophes = utilisation d’énergie chimique Alimentation: • glucides + O 2 CO 2 + H 2 O + W • lipides + O 2 CO 2 + H 2 O + W • protides + O 2 CO 2 + H 2 O + azote + W W transférée sur petites molécules phosphorées (ATP, ADP) Fonctions: • cellule: Na+/K+ ATPase, etc… • organe: transport gaz et sang, muscles

Animaux hétérotrophes = utilisation d’énergie chimique Alimentation: • glucides + O 2 • lipides + O 2 • protides + O 2 CO 2 + H 2 O + W CO 2 + H 2 O + azote + W Transformation Énergie mécanique: 20% Énergie thermique (sous-produit): 80% Homme: pas de tissu calorigène spécialisé (graisse brune animale)

Animaux hétérotrophes = utilisation d’énergie chimique apports re re sp ira tio n in CO 2 + H 2 O + W CO 2 + H 2 O + azote + W tio n ira sp re ali me nt at ion Alimentation: • glucides + O 2 • lipides + O 2 • protides + O 2 élimination

Les voies de l’énergie (ATP)

Résumé: les trois voies ANAEROBIE ALACTIQUE ANAEROBIE LACTIQUE GLYCOLYSE AEROBIE délai d’efficacité maximale < 1 sec 20 – 30 sec 2 – 4 min durée d’efficacité maximale 7 – 10 sec 30 – 50 sec 3 – 15 min puissance maximale 500 k. J/min 300 k. J/min 80 k. J/min facteurs limitants stock de phosphocréatine accumulation acide lactique stock glycogène consomm. O 2 délais de récupération 2 min 1 heure 24 heures

Dépenses énergétiques usuelles kcal/h Montée d'escalier 1100 Footing (8 km/h) 570 Marche (4 km/h) 200 Déshabillage 120 Vous. . 105 Repos debout 105 Repos couché 80 Sommeil 65 80 kcal/h = 2000 kcal/j = 300 ml. O 2 /min

L’épreuve d’exercice avec mesure de V’O 2 / V’CO 2 Bicyclette ergométrique Tapis roulant

Que mesure-t-on ? VT F IO 2 VT F EO 2 . VT = FR x VT FECO 2 . alvéole (en rouge) . . VO 2 = FIO. 2 x VT – FEO 2 x VT = VT x (FIO 2 – FEO 2) . . VO 2 = Qc x (Ca. O 2 – Cv. O 2) Ca. O 2 = Pa. O 2 x 0. 003 + Sa. O 2 x 1. 39 x [Hb] cardio-vasculaire . . VCO 2 = FECO 2 x VT VO 2 VCO 2 Les tissus consomment l’oxygène (V’O 2) Le système cardio-respiratoire s’adapte

assurer VO 2 et VCO 2 VO 2 = VE (FIO 2 – FEO 2) convection = VA (FIO 2 – FAO 2) diffusion = DLO 2 (PAO 2 – Pa. O 2) convection = DC (Ca. O 2 – Cv. O 2) = DTO 2 (Pa. O 2 – Ptis. O 2) VCO 2 = VA x FACO 2 = VE x FECO 2 diffusion VCO 2 VO 2

V’O 2 et puissance La V’O 2 augmente linéairement avec W jusqu’à la V’O 2 max V’O 2 (L/mn) 5 4 3 Marathonien Athlète entraîné Homme non entraîné 2 1 0 Léger 0 100 Intense 200 Puissance (W) 300 400

Adaptations cardio-vasculaires à l’exercice VO 2 = VE (FIO 2 – FEO 2) convection = VA (FIO 2 – FAO 2) diffusion = DLO 2 (PAO 2 – Pa. O 2) convection = DC (Ca. O 2 – Cv. O 2) = FC x VES (Da-v)O 2 = DTO 2 (Pa. O 2 – Ptis. O 2) VCO 2 = VA x FACO 2 = VE x FECO 2 diffusion VCO 2 VO 2

Débit cardiaque (l. min-1) Débit cardiaque à l’exercice • Le débit cardiaque. augmente avec la VO 2 25 20 15 10 Exercice maximal Hommes Femmes Sub maximal 5 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 5, 0 Consommation d’oxygène (l. min-1) • Le débit cardiaque max (20 à 30 l. min-1) est atteint en même temps que la VO 2 max . • Il n’y a plus de. réserve cardiaque à la VO 2 max

Adaptation cardiaque La fréquence cardiaque augmente linéairement jusqu’à FC max de ~ (220 – âge) Le VES (volume d’éjection systolique) augmente d’environ 50% jusqu’à 40% de la performance maximale puis reste constant DC multiplié par 4 -5 chez le non sportif, 5 -7 chez le sportif pour un exercice maximal (20 -35 L/mn)

% VES max Volume d’éjection systolique et fréquence cardiaque à l’exercice 100 80 • VES max fonction de l’entrainement, . plafonne souvent avant la V’O 2 max 60 40 Fréquence cardiaque 200 180 160 • Fc max atteinte en dernier : 220 -age 140 120 Repos 100 = Hommes = Femmes 80 60 0 20 40 60 80 100 % de la consommation maximale d’oxygène . Plus aucune réserve cardiaque à la V’O 2 max

Déterminants de l’augmentation de débit cardiaque 250 FC bpm FC VES ml Qc(ml/mn)/100 200 Dav. O 2 ml/l 150 p. S 100 50 0 V’O 2 ml/min 0 0 1000 2000 3000 4000 % V’O 2 max repos 50 100 FC maximale ~220 - âge

CONTRÔLE NERVEUX DU COEUR nerfs p. S S Médiateur Acétylcholine Noradrénaline Récepteurs Muscariniques b 1 -adrénergiques Effets: Dromotrope - Inotrope 0 Chronotrope FC VES Qc = VES x FC = + + +

Adaptations cardio-vasculaires à l’exercice VO 2 = VE (FIO 2 – FEO 2) convection = VA (FIO 2 – FAO 2) diffusion = DLO 2 (PAO 2 – Pa. O 2) convection = DC (Ca. O 2 – Cv. O 2) = FC x VES (Da-v)O 2 = DTO 2 (Pa. O 2 – Ptis. O 2) VCO 2 = VA x FACO 2 = VE x FECO 2 diffusion VCO 2 VO 2

ADAPTATIONS À l’EFFORT FC Sous contrôle (Activation), para (Inhibition) et humoral (catécholamines circulantes : Nor. Ad et Ad) VES par augmentation de la contractilité (sous contrôle ) Inotrope + Qc VASOMOTRICITE : Les artérioles des muscles squelettiques sollicités Vasodilatation sous l’effet du sur les récepteurs 2 et par augmentation locale de lactates, de Pa. CO 2 et de T° et diminution de Pa. O 2

Adaptation circulatoire à l’exercice 1 - Ajustements locaux ( au niveau des muscles en exercice) V’O 2 locale Pompe musculaire = Qs x ( Ca. O 2 – Cv 02 ) aspiration veineuse p. H résistance hémodynamique Vasodilatation artériolaire PO 2 PCO 2 , etc… Pour l’ensemble de la musculature squelettique: repos exercice maxi Qs l/min 1, 0 22, 0 Qs musc / Qc 20% 85% Cv. O 2 ml. O 2/100 ml 16, 0 2, 0

Adaptation circulatoire à l’exercice 2 - Ajustements circulatoires centraux VO 2 globale = FC x VES x ( Ca. O 2 – Cv 02 ) tonus p. S D-métaboliques locaux tonus S contractilité myocardique RVS VD territoires actifs Pression OD accélération du retour veineux Pompe musculo-veineuse

Débit cardiaque – Retour veineux Notion de point d’équilibre

DC et RV en L/mn Débit cardiaque – Retour veineux Exercice Repos 7 5 Stimulation sympathique: RV : vasoconstriction veines DC : augmentation contractilité B A Effet expansion volémique 0 +7 +10 POD (mm. Hg)

Adaptation générale V’O 2 globale = FC x VES x ( Ca. O 2 – Cv 02 ) Noradrénaline, Adrénaline réc b 1 Activation sympathique Gs + S, NA et ADR réc b 1 prot Gs AMPc PKA + RS Na+ Phospholambdan GNa If Dromotrope + Chronotrope + + Troponine I Ca++VOC, canal calc L, DHP réc Ca-Mg ATPase Vitesse de relaxation + Ca++ Force de contraction Affinité de Troponine C pour Ca Activité ATPasique de la myosine Vitesse de contraction

V’O 2 globale = FC x VES x ( Ca. O 2 – Cv. O 2 ) DC = 630 ms DPA PRESSION Activation sympathique 1 = 200 ms DC = 200 ms DPA = 130 ms VES 1 VES 3 VOLUME

Adaptation circulatoire à l’exercice mm. Hg PA PA = Qc x RVS 180 130 95 PAm 80 % VO 2 max repos 50 La PA moyenne n’augmente que peu avec la puissance de l’exercice, car la chute de RVS compense l’augmentation du Qc 100 Baisse du débit des organes non impliqués dans l’activité musculaire (splanchnique, reins, muscles inactifs) par vasoconstriction sous l’effet de l’activation S

Evolution de la pression artérielle et des résistances vasculaires à l’exercice Pression Artérielle (mm. Hg) 250 Systolique 200 150 Moyenne 100 50 Diastolique 0 25 50 75 100 Consommation d'Oxygène (% du maximum) Résistances Vasculaires Systémiques (UR) 20 15 10 5 0 0 25 50 75 100 Consommation d'Oxygène (% du maximum) D'après Higginbotham et coll. Circ Res 1986; 58: 281 -291.

Redistribution du débit cardiaque à l’exercice 76% Muscle Strié Squelettique 16% 5% 8% 15% Repos 22% 5 L/min 28% 6% Myocarde Peau Cerveau Rein Circulation Hépato-splanchnique Reste Exercice 20 L/min 5% 5% 3, 5% 4% 5, 5% 1%

ADAPTATIONS CARDIO-VASCULAIRES en résumé Volume sanguin POD Précharge POG Compliance veineuse Contractilité VG + S p. S + + VES + + - FC Resistance vasculaire systémique + P aortique - Postcharge Qc = VES x FC

20 Fréquence cardiaque (bat/min) 30 160 140 120 100 80 60 Roca et al 1992 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 5, 0 Consommation d’oxygène (l/min) 10 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 5, 0 Consommation d’oxygène (l/min) Collégiens non entraîné Collégiens après 55 j entraînement Athlètes Volume d’éjection systolique (ml/batt) Débit cardiaque (l/min) Débit cardiaque et entraînement 200 180 160 140 120 100 80 Consommation d’oxygène (l/min)

Dav. O 2 (ml. O 2/100 ml de sang) Entraînement et échanges tissulaires 20 Collégiens non entraîné Collégiens après 55 j entraînement Athlètes 10 Roca et al 1992 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 En début d’entraînement, on observe une augmentation de la D (A-V) O 2 qui plafonne rapidement ensuite 5, 0 Consommation d’oxygène (l. min-1) L’amélioration de la capacité de diffusion tissulaire par la capillarisation permet d’extraire un débit d’O 2 plus important avec le même gradient

4 groupes de sujets sains ge ~70 ans Groupés selon leur activité sportive au cours de la vie

Pression artérielle moyenne Résistance vasculaire systémique V’O 2/HR: pouls l’oxygène

Sportifs: • cœur musclé +++ • plus d’extraction périphérique

Résultats exprimés en % de V’O 2 maximale Effet central du sport: SV (stroke volume) augmenté Effet périphérique du sport: différence a-v en O 2 augmentée

V’O 2 max et sport Valeur assez représentative de la performance… ml/min/kg

Limitation de la V’O 2 max • Ventilation et diffusion alvéolo capillaire non limitants - Pa. O 2 et Ca. O 2 normaux à l’exercice chez normaux - V’O 2 max non améliorée par inhalation d ’O 2 • Limitation cardiaque - Fc max et VES max atteint - hypertrophie cardiaque en cas d’entraînement intensif • Limitation périphérique - DAv. O 2 max atteinte - augmentation de la capillarisation musculaire en cas d ’entraînement