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PHYSIOLOGIE Cours 5 – Physiologie cardiovasculaire (1) : Facteurs mécaniques et grandeurs hémodynamiques Pr Jean-Jacques MERCADIER

I. Fonction de la circulation II. Organisation de la circulation A. Circulation générale B. Relation entre la pression artérielle et le débit cardiaque

III. Le cœur et le cycle cardiaque A. Activation cardiaque B. Le cycle cardiaque C. Les pressions cardiaques D. Notion de précharge E. Notion de postcharge

IV. Le débit cardiaque

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1)

I. FONCTION DE LA CIRCULATION La principale fonction de la circulation est le transport des gaz et des nutriments, depuis l’extérieur pour les gaz et depuis le tube digestif pour les nutriments, qui seront alors amener à toute les cellules de l'organisme. Son rôle est également d'éliminer les déchets, transportés vers les reins, le tube digestif ou les poumons. La vie de la cellule nécessite de l'énergie. La production d'énergie dans les mitochondries consomme de l'O2 et produit du CO2 c'est la respiration cellulaire. Chez les unicellulaires (ex : amibe) : – le principal mécanisme pour le transport des nutriments par exemple, est la diffusion (agitation moléculaire) à très courte distance, pour des gaz dissous – le long du gradient de concentration des molécules, donc de manière passive – avec une certaine rapidité de l'équilibration inversement proportionnelle à la distance à parcourir Au cours de la phylogenèse, l'évolution des espèces, les organismes de plus en plus complexes (pluricellulaire) ont développé la circulation pour permettre de transporter les nutriments , car la diffusion ne suffit plus. Par exemple, c'est le cas de la respiration :l'oxygène, prit des poumons, va être transporté grâce à la circulation vers les endroits où il sera utilisé, en particulier pour l'exercice (muscle). Représentation schématique de l'interaction circulation-respiration-activité musculaire(énergie) :

Activit é Musculaire

Transport O 2 et CO 2

Ventilation

Muscle Squelettique

Syst ème me Circulatoire Circulatoire

Systè Syst ème Respiratoire

QCO 2

FC

FR

QO 2

VES

VC

Il y a consommation d’oxygène et production de gaz carbonique au niveau des muscles squelettiques. Le système circulatoire est asservi aux activités métaboliques et au système respiratoire. Le CO2 est transporté par la circulation jusqu’aux poumons, où il est évacué par la ventilation. L’oxygène suit le chemin inverse pour arriver aux muscles, où il est consommé. Lors d’un effort musculaire, il va falloir consommer plus d’oxygène au niveau des muscles. Il va donc y avoir des signaux qui vont aller vers le SNC et déclencher une commande (SNC ++) qui va accélé-

rer les systèmes respiratoire et circulatoire. Il existe des variables d’adaptation : • Fréquence cardiaque et VES, au niveau du système circulatoire • Fréquence respiratoire et VC (Volume Courant), volume d'air mobilisé à chaque respiration La circulation est sous la dépendance du cerveau et du tronc cérébral.

II. ORGANISATION DE LA CIRCULATION A. Circulation générale Le cœur est la pompe du système cardiovasculaire (soit deux pompes : cœur droit et cœur gauche). Le système cardiovasculaire est composé de deux circulations en série l'une après l'autre :  La circulation systémique ou grande circulation (caractérisée par des pressions élevées) qui va de la valvule aortique à l'abouchement de la veine cave (VC) dans l'OD. Elle permet la vascularisation des muscles, des viscères et des organes.

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1) La circulation pulmonaire ou petite circulation (c ara ct éri s ée pa r d es p re s s io ns ba s s e s) .qui va de l'artère pulmonaire à la veine pulmonaire dans l'OG. Les vaisseaux qui quittent le cœur sont les artères, ceux qui y reviennent sont les veines. Si les deux côtés du cœur sont accolés anatomiquement, ils n’ont fonctionnellement rien à voir. Ils sont placés en série l’un par rapport à l’autre. 

B. Relation entre la pression artérielle et le débit cardiaque On peut faire une analogie avec un système électrique :

U  R  I  PA  RV  Qcardiaque  PA  RV  Qcardiaque Loi d'Ohm

Loi de Darcy

D’où :

Qcardiaque 

PA RV

Avec Qc le débit cardiaque, PA la pression artérielle moyenne, et RV les résistances vasculaires. On peut alors facilement retrouver les pressions correspondantes à chaque circulation. Sachant que le débit Q est constant en tout point du circuit vasculaire, les pressions dépendent alors des RV : – Les RV vasculaires systémiques sont très élevées, ainsi pression élevé pour la circulation systémique – Les RV pulmonaires sont très basses, ainsi pression basse pour la circulation pulmonaire Les deux termes du rapport varient dans les mêmes proportions. De plus, les cœurs droit et gauche sont fonctionnellement en série MAIS anatomiquement en parallèle. La circulation entre organes est en parallèle .Il ne faut pas oublier que lorsqu’on parle de pression dans le cadre de la circulation, il s’agit d’une différence de pression P (Pinitiale-P finale). Elle est généralement négligeable dans le système veineux (environ 5 mmHg dans la circulation veineuse) devant le côté artériel. Les RV vasculaires systémiques (RVS) sont élevées ainsi les pressions artérielles systémique (PAS) sont élevées . Les RV pulmonaires (RVP) sont basses donc les pressions artérielles pulmonaires (PAP) très basses. Tous les vaisseaux sont tapissés d' endothélium, certains d'entre eux auront une quantité plus importante de cellules musculaires (rôle de vasomotricité), et d'autre une quantité plus importante de cellules élastiques (rôle de compliance et de rigidité, dit aussi rôle de distention). Les résistances se trouvent majoritairement au niveau des sphincters pré-capillaires, et un peu au niveau des artérioles. C’est là qu’entre majoritairement en jeu la vasomotricité via les cellules musculaires lisses.

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1) – Aorte et artère : composée sont surtout de fibres élastiques , peu de cellules musculaires lisses et beaucoup de tissus fibreux. Elle n'a donc pas de rôle pour la vasomotricité. – Artérioles et sphincters pré-capillaires : majorité des résistances vasculaires, surtout des cellules musculaires lisses et peu de fibres élastiques. Elles ont donc un rôle de vasomotricité. – Capillaire : taille de 8 microns, même taille qu'u n GR, le GR reste plus longtemps dans le capillaire pour permettre les échanges gazeux à différents endroits. Il n'est composé que d’endothélium . – Côté veineux : extensible car présence de fibres élastiques (en moins grande quantité que pour l'aorte). Leur calibre (rayon) est plus important que le circuit artériel, leur paroi est plus fine. Capacité à se distendre facilement, ce sont les vaisseaux de stockage du sang. Ainsi, à un moment donné, il y a plus de sang côté veineux qu'artériel. La majorité des circulations sont en parallèles, il existe néanmoins quelques circulations en série. La loi de Poiseuille (R = 8L/r4) permet de moduler le débit en fonction de la résistance des vaisseaux (mécanismes de contraction des muscles lisses cf. cours précédent), plus le rayon est petit plus les résistances vont être élevées. Ainsi grâce aux circulations en parallèle (résistances vasculaires en parallèle), il y a possibilité que chacun reçoit un sang riche en O2 et en nutriments et pauvre en CO2 et produits de déchets. Il s'agirait d'une régulation indépendante de chaque lit vasculaire en débit et éventuellement en pression (exemple du rein) Si la circulation était en série (résistances vasculaires en série), une réduction du débit pour l’un des organes aurait des répercussions fortes sur les organes vascularisés après lui. Par ailleurs, la circulation en parallèle permet, aux corps humains, d’obtenir des résistances moins grandes, que si la vascularisation était en série.

III. LE CŒUR E ET T LE CYCLE CARDIAQUE A. L'activation cardiaque Le cœur est une pompe pulsatile. Le ventricule gauche est plus épais que le ventricule droit, il possède d’avantage de cellules musculaires. C’est lui qui est chargé d’envoyer le sang dans l’aorte via la valvule aortique. Cette valvule aortique est située juste en arrière de la valvule pulmonaire. Le sang passe de l’oreillette gauche au ventricule gauche par la valvule mitrale, par opposition à la valvule tricuspide qui sépare l’oreillette droite du ventricule droit. Le sang en provenance des veines caves (pauvre en dioxygène) arrive dans l’oreillette droite puis, une fois dans le ventricule droit, il est éjecté dans la petite circulation, et va se recharger en O 2 dans les alvéoles. Oreillettes et ventricules se contractent en opposition de phase (permet le remplissage des bocaux dans le bon ordre). Le nœud sinusal est le point de départ de la contraction du myocyte cardiaque, il se dépolarise automatiquement. Il y a donc dépolarisation de l’oreillette droite, puis de l’oreillette gauche de proche en proche.

Contraction des oreillettes

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1) On ne trouve pas de tissus de conduction du potentiel d’action dans l’oreillette, la dépolarisation passe donc de proche en proche jusqu’au le nœud auriculo-ventriculaire. Il emprunte ensuite le tronc puis le faisceau de His. Le potentiel d’action se déplace dans le réseau de Purkinje et va dépolariser les ventricules par la pointe inférieure du ventricule gauche. Elle se transmet ensuite de la pointe vers la base (c'est-àdire qu'elle remonte). C’est la contraction des ventricules.

Contraction des ventricules (100-200ms) La dépolarisation se fait en opposition de phase, quand les ventricules se contractent, les oreillettes se relaxent, c’est ce qui permet le remplissage des différents compartiments de façon synchronisée. Cette opposition de phase est possible à cause du délai de conduction entre le nœud sinusal et la pointe inférieur du ventricule gauche (100-200ms). Les 2 oreillettes (droite et gauche) se contractent en même temps, alors que les ventricules sont au repos. Le cœur est une pompe pulsatile à débit discontinu, dont on distingue deux phases : • Phase de remplissage (relaxation puis remplissage passif), qui survient pendant la diastole. • Phase de vidange (= éjection par contraction), qui survient pendant la systole.

B. Le cycle cardiaque

Le schéma précédent est à maîtriser +++, il indique en abscisse le temps et en ordonnée les pressions, le volume ventriculaire et les bruits du cœur : •

Les pressions : - La pression aortique : Lorsqu’on va prendre sa pression, le médecin donne deux valeurs, généralement 120/70 (« 12'7 »). La première indique la valeur maximale, c’est la pression télésystolique à 120 mmHg, puis descente jusqu’à 70 mmHg, c’est la pression minimale ou pression télédiastolique. La pression augmente avec l’âge, car comme vous l’avez déjà vue, la compliance des vaisseaux di minue au fur et à mesure des années.

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1)

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- La pression ventriculaire : valeur basse au départ, qui monte très vite. Elle rejoint la pression aortique pendant l’éjection du sang. Elle va ensuite brutalement diminuer et se séparer de la courbe de pression aortique. Elle atteint ensuite son minimum qui marque l’état de relaxation le plus avancé, remonte légèrement après le remplissage rapide. Elle stagne durant la diastasis et le cycle se répète. Le volume ventriculaire : volume maximum (au niveau de B1, les ventricules sont remplis), lors de la systole, éjection (vidange), ainsi le volume diminue, on arrive à un volume mininum. Puis cela va se remplir progressivement à travers 3 phases, où l'on revient au volume maximun.

Les bruits du cœur : la systole est définie par la clinique (pas des termes physiologiques), c’est ce qu’on entend à l’oreille ou au stéthoscope : un intervalle court entre B1 et B2. Alors que la diastole est l’intervalle long entre B2 et B1. On peut comprendre, qu'au repos, la systole (éjection ventriculaire) est plus courte que la diastole (remplissage). Alors que pendant un exercice physique, le cœur bat plus vite, et le temps de la diastasis est diminué, on ne différencie plus la systole de la diastole. Remarques : • Contraction et la relaxation ne sont pas distinctement séparées, il existe une superposition car dès que le calcium arrive sur la troponine, cela déclenche la contraction mais en même temps, ce pic de calcium dans le cytosol active les SERCA, ainsi SERCA commencent à repomper (relaxation). Donc lors de la systole, on a la contraction mais la relaxation s'inscrit déjà dans cette phase. • La distension est liée aux propriétés passives du ventricule, il s'agit de la notion de compliance. •

1. Détail des étapes du cycle Systole (1, 2, 3) et diastole (4, 5, 6) sont des définitions cliniques. Nous allons maintenant définir les différentes étapes du cycle cardiaque dans l'ordre: 1. La contraction isovolumique 2. L'éjection ventriculaire 3. La relaxation isovolumique 4. Le remplissage rapide 5. La diastasis 6. La contraction des oreillettes ou systole auriculaire Note : Attention, ce qu'on appelle la systole auriculaire se situe dans la diastole et non dans la systole!! Préférez le terme contraction des oreillettes pour ne pas vous embrouiller.

2. La contraction isovolumique Elle débute par le bruit B1 très fort. B1 = moment de fermeture des valvules auriculo-ventriculaires (c'est-à-dire mitrales pour le cœur gauche). Ce bruit est lié au bruit de la contraction du myocarde. → Fin de la diastole, début de la systole. À la suite de la fermeture de ces valvules mitrales, il y a donc la contraction isovolumique (à volume constant) dès que la pression dans le ventricule a atteint la PTD à 70mmgH car la valvule aortique n’est pas encore ouverte et que le sang est un liquide donc incompressible contrairement aux gaz. Dans le ventricule, la pression augmente pour atteindre la pression de l'aorte et il n'y a pas de variation de volume : • Valvule mitrale fermée •

Valvule aortique pas encore ouverte

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Physiologie – Physiologie cardiovasculaire (1)

3. L'éjection ventriculaire Pendant cette phase, la pression dans le ventricule et dans l'aorte sont superposées. En effet, la pression du ventricule a atteint la pression de l'aorte (70 mmHg), ce qui permet l'ouverture de la valvule aortique (qui ne fait pas de bruit) et l'éjection du sang du ventricule (une partie seulement). À la fin de cette éjection, le ventricule a atteint son plus petit volume au cours du cycle, on l'appelle le volume télésystolique (« télé »= fin) = VTS • Valvule mitrale fermée •

Valvule aortique ouverte

4. La relaxation isovolumique Au cours de cette relaxation, il n'y a pas de changement de volume, nous sommes toujours au VTS. B2 est créé par la fermeture de la valvule aortique. En effet, la pression dans l'aorte descend et finit par être inférieure à la pression ventriculaire ; du sang revient alors en arrière, provoquant la fermeture de la valvule aortique. Sur la courbe de pression aortique, ce phénomène est visualisable : c'est l'onde dicrote. → Fin de la systole, début de la diastole. Cette phase est appelée relaxation car, à l'inverse de la contraction isovolumique, la pression dans le ventricule chute mais le volume ne change pas ! Les valvules sont toutes fermées tandis que le myocarde se relâche : • Valvule aortique fermée, dès que pression VG...