Objectifs

• Relier l'effort musculaire au besoin accru en ATP, en dioxygène et en nutriments.
• Décrire les adaptations cardiaques, respiratoires et circulatoires à l'effort et calculer un débit cardiaque et un débit ventilatoire.
• Comprendre comment ces adaptations sont commandées (système nerveux, adrénaline).
• Distinguer les voies de production d'ATP selon l'effort, et les effets de l'entraînement.

1. L'effort augmente les besoins des muscles

La contraction musculaire utilise l'énergie de l'ATP (adénosine triphosphate). La cellule musculaire n'en a qu'une petite réserve : elle doit le régénérer en permanence. Pour cela, elle utilise surtout la respiration cellulaire (dans les mitochondries), qui consomme du glucose (ou des acides gras) et du dioxygène et rejette du \(\ce{CO2}\) :

Pendant un effort, la consommation de dioxygène \(\ce{O2}\) par les muscles augmente fortement, ainsi que la production de \(\ce{CO2}\) et de chaleur.

2. Les adaptations cardio-respiratoires

Le cœur

Le débit cardiaque \(Q_c\) est le volume de sang éjecté par un ventricule en une minute :

où \(FC\) est la fréquence cardiaque (battements par minute) et \(VES\) le volume d'éjection systolique (volume éjecté à chaque battement). À l'effort, \(FC\) et \(VES\) augmentent, donc le débit cardiaque augmente beaucoup.

La respiration

Le débit ventilatoire \(D_v\) est le volume d'air qui entre dans les poumons en une minute :

où \(FR\) est la fréquence respiratoire (mouvements par minute) et \(VC\) le volume courant (volume d'air inspiré à chaque mouvement). À l'effort, les deux augmentent.

La circulation

Les artérioles des muscles actifs se dilatent (vasodilatation) tandis que celles de certains organes peu utiles pendant l'effort (tube digestif par exemple) se resserrent (vasoconstriction) : le sang est redistribué vers les muscles, le cœur et la peau (évacuation de la chaleur).

Exemple résolu 1 : calcul du débit cardiaque

Dans un exercice, Ibrahim a au repos \(FC=70\) battements par minute et \(VES=70\ \text{mL}\). Pendant une course, \(FC=180\) battements par minute et \(VES=110\ \text{mL}\). Calcule son débit cardiaque dans les deux cas.

Exemple résolu 2 : débit ventilatoire

Au repos, Nadia respire \(15\) fois par minute avec un volume courant de \(0{,}5\ \text{L}\). À l'effort : \(40\) fois par minute avec \(2{,}5\ \text{L}\). Calcule les deux débits ventilatoires. Cherche d'abord !

3. Qui commande ces adaptations ?

Le cœur bat spontanément (automatisme cardiaque), mais son rythme est ajusté par le système nerveux autonome à partir de centres situés dans le bulbe rachidien :

• les nerfs sympathiques accélèrent le cœur et augmentent la force de ses contractions ;
• le nerf parasympathique (nerf vague) le ralentit ; au repos, c'est lui qui domine.

À l'effort, l'activité sympathique augmente et l'activité parasympathique diminue. Les glandes médullosurrénales libèrent de l'adrénaline, une hormone qui accélère aussi le cœur. Des centres du bulbe ajustent de même la ventilation, en particulier quand la quantité de \(\ce{CO2}\) dans le sang augmente.

flowchart LR
A[Effort musculaire] --> B[Plus de CO2 et signaux des muscles]
B --> C[Centres du bulbe rachidien]
C --> D[Nerfs sympathiques et adrenaline]
D --> E[Coeur plus rapide et plus fort]
C --> F[Ventilation augmentee]

Le modèle simplifié ci-dessous représente la fréquence cardiaque \(FC\) (en battements par minute) au cours d'un effort qui commence à \(x=0\) minute : \(r\) est la fréquence de repos, \(m\) la fréquence atteinte à l'effort, \(k\) règle la rapidité d'adaptation. Fais varier les curseurs pour comparer une personne sédentaire et une personne entraînée (\(r\) plus bas, adaptation plus rapide).

4. Les voies de production d'ATP et l'entraînement

• Phosphocréatine : elle régénère l'ATP immédiatement, sans dioxygène, mais sa réserve s'épuise en quelques secondes. Utile pour un effort bref et intense (départ de sprint, saut).
• Fermentation lactique : dans le cytoplasme, sans dioxygène, elle transforme le glucose en lactate et produit seulement \(2\) ATP par molécule de glucose. Rapide mais peu rendante, elle domine lors d'efforts intenses de courte durée.
• Respiration cellulaire (aérobie) : dans les mitochondries, avec du dioxygène, elle oxyde complètement le glucose et produit beaucoup plus d'ATP par glucose. Plus lente à démarrer, elle assure les efforts prolongés.

Les effets de l'entraînement

Un entraînement régulier d'endurance provoque des adaptations durables :

• le cœur devient plus fort : le \(VES\) augmente, donc la \(FC\) de repos baisse (pour le même débit) ;
• les muscles ont plus de capillaires sanguins et plus de mitochondries ;
• la \(VO_2\,max\) augmente : l'athlète peut fournir un effort plus intense en restant en respiration aérobie.

Exemple résolu 3

Un sportif entraîné et un élève sédentaire ont tous deux besoin d'un débit cardiaque de \(5\ \text{L/min}\) au repos. Le sportif a un \(VES\) de \(100\ \text{mL}\), l'élève de \(70\ \text{mL}\). Quelle est la fréquence cardiaque de repos de chacun ? Cherche d'abord !

Récapitulatif

• À l'effort, le muscle consomme plus d'ATP, donc plus de dioxygène et de glucose.
• Adaptations immédiates : \(FC\), \(VES\) et débit cardiaque \(Q_c=FC\times VES\) augmentent ; \(FR\), \(VC\) et débit ventilatoire \(D_v=FR\times VC\) augmentent ; le sang est redistribué vers les muscles.
• Commande : centres du bulbe rachidien, nerfs sympathiques (accélérateurs), parasympathique (frein), adrénaline.
• ATP : phosphocréatine (immédiat), fermentation lactique (rapide, 2 ATP par glucose), respiration (lente à démarrer, très rentable).
• L'entraînement augmente le \(VES\), la \(VO_2\,max\), les capillaires et les mitochondries.