Organisation et physiologie cardiovasculaire

Introduction à la physiologie cardiovasculaire : Organisation du système cardiovasculaire

La physiologie cardiovasculaire étudie les mécanismes, les fonctions et les propriétés du cœur et des vaisseaux, assurant l'homéostasie dans l'organisme. Ce système complexe est vital pour le transport de substances et la régulation de multiples paramètres physiologiques.

I. Principes généraux en physiologie

Nation d'homéostasie

La physiologie est l'étude de l'homéostasie de l'organisme, caractérisée par la capacité à maintenir ou à limiter les variations de certaines caractéristiques fonctionnelles qui sont alors dites grandeurs régulées. D'autres caractéristiques peuvent varier considérablement, comme le débit cardiaque.

• Exemple du système cardiovasculaire :

  • La Pression Artérielle Systémique (PAS) est une grandeur régulée, avec des valeurs normales strictes (130 mmHg systolique, 80 mmHg diastolique).

  • Le Débit Cardiaque (DC) est une grandeur non régulée et régulante, s'adaptant aux situations (5 L/min au repos, jusqu'à 15-20 L/min en activité). Ses variations interviennent pour la régulation de la pression artérielle.

• Système de comparaison : Pour les grandeurs régulées, la valeur effective est comparée à une valeur de consigne. La régulation tend à réduire l'écart par un système de rétroaction négative (feedback négatif). Un défaut de cette capacité est appelé défaut d'homéostasie.

Exemples d'homéostasie

Rôle de la circulation sanguine

Dans les organismes pluricellulaires complexes, l'apport de nutriments ne peut se faire uniquement par diffusion. La convection forcée est indispensable pour véhiculer les substances à proximité des cellules.

• Diffusion : Transport local sur de très courtes distances (≤ 100 μm), insuffisant pour les organismes pluricellulaires.

• Convection forcée : Mouvement de fluide unidirectionnel et à grande vitesse, nécessaire pour les organismes complexes.

Exemple du transport du dioxygène en 4 étapes

1. Convection forcée (ventilation) : De l'air ambiant vers les alvéoles pulmonaires.

   • Distance : ≈ 10 – 50 cm.

   • Temps : < 1 s.

   • Rôle : amène l'O₂ en masse jusqu'aux poumons.

2. Diffusion pulmonaire du dioxygène : De l'alvéole au sang (globules rouges) à travers la membrane alvéolo-capillaire.

   • Distance : ≈ 0,3 μm.

   • Temps : ≈ 0,25 s.

   • Rôle : passage de l'O₂ dans le sang, fixation sur l'hémoglobine.

3. Convection forcée (circulation) : Du cœur vers les organes via le sang.

   • Distance : ≈ 30 – 100 cm.

   • Temps : ≈ 5 - 15 s.

   • Rôle : distribution rapide de l'O₂.

4. Diffusion tissulaire du dioxygène : Des capillaires vers les cellules.

   • Distance : ≈ 10 – 30 μm.

   • Temps : < 1 s.

   • Rôle : apport final de l'O₂ aux mitochondries.

Divers transports assurés par la circulation

• Nutriments : Nécessaires au métabolisme cellulaire.

• O₂ et CO₂ : Transport de l'oxygène, élimination du dioxyde de carbone.

• Cellules immunitaires : Monocytes, lymphocytes pour la défense immunitaire.

• Produits du métabolisme : Vers les reins pour excrétion (ex: urée).

• Électrolytes et systèmes tampons : Impliqués dans la régulation de l'osmolarité et du pH.

• Calories : Impliquées dans la thermorégulation.

• Hormones : Transportées de leur site de synthèse vers les cellules cibles (ex: insuline).

II. Anatomie fonctionnelle

Organisation du système cardiovasculaire

Le système cardiovasculaire est composé de deux circulations en série (grande et petite), actionnées par une double pompe cardiaque.

• Deux circulations en série :

  • Circulation systémique (grande circulation) : Distribue le sang oxygéné aux tissus.

  • Circulation pulmonaire : Oxygène le sang au niveau des poumons.

• Double pompe cardiaque : Le cœur est constitué de deux ventricules fonctionnant simultanément.

  • Le ventricule gauche assure la circulation systémique : sang artériel systémique riche en O₂, sang veineux systémique pauvre en O₂.

  • Le ventricule droit assure la circulation pulmonaire : sang artériel pulmonaire pauvre en O₂, sang veineux pulmonaire riche en O₂.

• Réseau de distribution : Les artères propulsent le sang depuis les ventricules. Les artérioles sont les principaux sites d'ajustement de la résistance à l'écoulement (2/3 des résistances systémiques). Les veinules sont un deuxième site de résistance.

• Capillaires : Sites primaires d'échanges par diffusion.

• Veines : Collectent le sang des capillaires et le ramènent au cœur. Elles constituent un réservoir à capacité variable en raison de leur grande compliance.

Débits

• La volémie (volume sanguin total) est d'environ 5 L. Elle est répartie de manière inégale : 63% dans les veines systémiques, 12% dans la circulation pulmonaire, 10% dans le cœur, 10% dans les artères et artérioles, 5% dans les capillaires systémiques.

• Les débits des deux pompes (droite et gauche) sont nécessairement identiques (~ 5 à 6 L/min). Toute inégalité entraînerait une accumulation de sang dans un des systèmes et un déficit dans l'autre.

• Il existe un "shunt anatomique" où une petite partie du sang veineux systémique retourne à l'oreillette gauche, rendant le débit systémique légèrement supérieur à celui de la circulation pulmonaire.

• L'hématocrite est le rapport du volume des globules rouges sur le volume sanguin total (valeur normale : ~45%).

Débits régionaux (régulés)

• Débit métabolique : L'élément essentiel est le transfert de O₂ (ex: muscles cardiaques, muscles striés squelettiques).

• Débit fonctionnel : L'élément essentiel est la quantité d'eau plasmatique par unité de temps (ex: reins pour la production d'urine, foie).

Description du réseau circulatoire artériel et veineux

• Aorte et collatérales : L'aorte, issue du ventricule gauche, distribue le sang par des branches collatérales (artères coronaires, bronchiques, vertébrales, carotides, sous-clavières, hépatique, mésentériques, splénique, rénales). Elle se divise ensuite en artères iliaques primitives. Ces grosses artères élastiques donnent naissance à des artérioles, puis des réseaux capillaires.

• Veinules et veines : Après les capillaires, les veinules se rejoignent pour former les veines.

  • Veines caves : Les veines caves inférieure et supérieure ramènent le sang à l'oreillette droite.

  • Veine porte : Cas particulier, elle collecte le sang de la rate et de l'intestin vers le foie avant de rejoindre la circulation générale.

  • Veines pulmonaires : Au nombre de quatre, elles ramènent le sang oxygéné des poumons à l'oreillette gauche.

Description fonctionnelle du cœur

• Anatomie : Le cœur possède 4 cavités (oreillette droite, oreillette gauche, ventricule droit, ventricule gauche).

• Circulation du sang :

  1. Veines caves → Oreillette droite.

  2. Oreillette droite → Ventricule droit.

  3. Ventricule droit → Tronc de l'artère pulmonaire.

  4. Veines pulmonaires → Oreillette gauche.

  5. Oreillette gauche → Ventricule gauche.

  6. Ventricule gauche → Aorte.

• Les valves : Empêchent le reflux sanguin.

  • Valves auriculo-ventriculaires : Tricuspide (droite) et mitrale (gauche), empêchent le reflux des ventricules vers les oreillettes lors de la contraction.

  • Valves sigmoïdes : Pulmonaire et aortique, empêchent le reflux des artères vers les ventricules lors de la relaxation.

• Débits et pressions :

  • Les débits sont identiques dans les deux ventricules.

  • Les pressions sont différentes : la pression aortique est bien plus élevée que la pression pulmonaire, car les résistances systémiques sont plus importantes.

  • Le travail fourni par le ventricule gauche est plus élevé que celui du ventricule droit.

Le cycle cardiaque

Les cœurs droit et gauche fonctionnent de manière simultanée et cyclique, alternant des phases de remplissage et d'éjection.

Organisation du système lymphatique

Le système lymphatique est un système de convection forcée parallèle à la circulation sanguine, formant un réseau collecteur et non un circuit circulaire.

• La lymphe : Liquide circulant dans les vaisseaux lymphatiques, issu de l'excédent de filtration par rapport à la réabsorption au niveau des capillaires sanguins. Un dysfonctionnement peut entraîner un œdème.

• Réseau collecteur lymphatique : Nait de capillaires lymphatiques borgnes, qui se regroupent en vaisseaux collecteurs, puis en vaisseaux lymphatiques afférents menant aux ganglions lymphatiques, et enfin en vaisseaux efférents qui rejoignent la circulation sanguine dans les veines systémiques.

• Débit du réseau lymphatique : Très faible (2-3 L/24 h) comparé au débit sanguin (6 L/min), car il n'y a pas de pompe ventriculaire. La lymphe est propulsée par des différences de pression.

III. Pressions, volumes et débits : Paramètres circulatoires

La compliance

La compliance () quantifie la capacité d'un vaisseau à se distendre. Elle est d'autant plus élevée que le vaisseau est facilement distensible.

• La compliance des veines systémiques est environ 20 fois plus élevée que celle des artères.

  • Veines :

  • Artères :

La pression vasculaire

La pression dans un vaisseau dépend du volume réellement distendant (), de la souplesse du vaisseau () et de la pression extérieure ().

$P_{vasc} = \frac{V_s - V_r}{C} + P_{ext}" data-type="inline-math"></span>$

• : volume au repos du contenant (volume mort).

• : volume sanguin contenu.

• : volume distendant (créant la pression).

• Artères :

• Veines :

La résistance

La résistance vasculaire (R) est l'opposition à l'écoulement du sang. Le débit () est proportionnel à la différence de pression () et inversement proportionnel à la résistance.

$\boxed{Q = \frac{\Delta P}{R}}" data-type="inline-math"></span><span data-latex=" d'où " data-type="inline-math"></span>R = \frac{\Delta P}{Q}$

• Dans la circulation systémique, la Pression Aortique Moyenne (PAM) est environ égale au produit du Débit Cardiaque (Q) et des Résistances Périphériques Totales (RPT) : $\mathbf{\overline{PAM} \approx Q \times R}" data-type="inline-math"></span>$

• La PAM se calcule également approximativement par la formule : .

Pathologies liées à la pression aortique moyenne (PAM)

Déterminants de la résistance à l'écoulement du sang

La résistance dépend principalement de la géométrie du vaisseau (rayon , longueur ) et de la viscosité du sang () (Loi de Poiseuille).

$\overline{R} = 8\eta l / \pi r^4" data-type="inline-math"></span>$

Le rayon du vaisseau est le déterminant le plus important, car il est élevé à la puissance 4.

Relation entre viscosité et hématocrite

La viscosité du sang, environ 3 fois supérieure à celle de l'eau, augmente fortement avec l'hématocrite ().

• Hématocrite trop élevé : Sang trop visqueux, résistances augmentent, débit baisse, le cœur doit augmenter son travail (risque de déformation cardiaque).

• Hématocrite trop bas : Baisse de la viscosité, mais baisse du contenu artériel en oxygène.

Relation entre vitesse, débit et surface

Le débit (Q) dans un vaisseau est égal à la vitesse moyenne (v) multipliée par la section du vaisseau (S) : . Le débit est identique dans tous les compartiments.

• L'aorte a une section faible (2,5 cm²) et une vitesse rapide (33 cm/s).

• Les capillaires ont une section totale énorme (2500 cm²) et une vitesse ultra lente (0,03 cm/s), favorisant les échanges par diffusion.

• La vitesse du sang réaugmente dans les veines à mesure que les sections globales diminuent.

Variations de pressions le long de l'arbre vasculaire

• Ventricule gauche : Variations extrêmes (0 à 120 mmHg).

• Artères : Pression élevée et pulsatile (120/80 mmHg), amortie par l'élasticité de l'aorte.

• Artérioles : Chute brutale de pression, lieu où les résistances augmentent massivement (le "barrage" artériolaire).

• Capillaires : Pression basse et continue (20-35 mmHg), adaptée aux échanges.

• Le sang circule toujours d'un système de haute pression vers un système à basse pression.

Particularités structurales et fonctionnelles des compartiments vasculaires systémiques

IV. Vasomotricité artériolaire systémique

Généralités

La vasomotricité est la capacité de variation du diamètre d'un vaisseau par modification de l'état de contraction des cellules musculaires lisses (CML) de sa paroi.

• Vasoconstriction (VC) : Contraction du vaisseau, diminution du diamètre.

• Vasodilatation (VD) : Relâchement du vaisseau, augmentation du diamètre.

• C'est un élément essentiel pour le calcul des résistances.

Rôles de la vasomotricité artériolaire

• Fonction locale/régionale : Adapter la pression artérielle et le débit circulatoire aux besoins spécifiques d'un territoire vasculaire.

• Fonction générale : Adapter la valeur des résistances périphériques totales (RPT) au fonctionnement cardiaque et à la régulation de la pression artérielle systémique.

Anatomie fonctionnelle des artérioles

Les vaisseaux sont composés de trois tuniques :

• Intima (endothélium) : Couche la plus interne, en contact avec le sang.

• Média : Composée de CML vasculaires et de fibres élastiques. Responsable de la vasomotricité.

• Adventice : Couche la plus externe, contient des fibroblastes et les nerfs innervant les vaisseaux.

La variabilité du calibre est beaucoup plus marquée dans les artérioles que dans les artères.

Mécanismes de régulation de la vasomotricité artériolaire

Quel que soit le signal, l'état de contraction des CML est contrôlé par des seconds messagers (Ca²⁺, GMPc, AMPc).

Régulations intrinsèques : régulations locales

Ces régulations mettent en jeu des signaux internes à la paroi d'un vaisseau.

Régulations extrinsèques : régulation générale de la pression artérielle systémique

Ces régulations sont hormonales ou nerveuses (système nerveux autonome).

Chaque fibre sympathique peut établir une synapse avec plusieurs cellules musculaires lisses.

Exemple : régulation coronaire

• Régulation chimique : En cas d'hypovolémie ou de chute de pression, libération de médiateurs vasoconstricteurs (endothéline-1, angiotensine II) pour augmenter la résistance artérielle et la perfusion.

• Régulation neuro-humorale (effort) : La levée du frein parasympathique et l'activation du système nerveux sympathique (libérant noradrénaline et adrénaline) augmentent la fréquence cardiaque, le tonus des vaisseaux et la contraction du cœur (effet inotrope positif).

V. Conclusion : Messages clés

• La pression artérielle est une grandeur régulée par des mécanismes de rétroaction négative impliquant le débit cardiaque et les résistances périphériques totales.

• Le système cardiovasculaire est organisé en compartiments fonctionnels :

  • Cœur : pompe.

  • Artères : réseau de distribution.

  • Artérioles : sites de résistance.

  • Capillaires : sites d'échange.

  • Veines : réservoir de volume.

• Les artérioles sont le principal site de résistances systémiques, leur vasomotricité adaptant les débits régionaux et la pression artérielle.

• La vasomotricité résulte de l'intégration de régulations intrinsèques et extrinsèques, impliquant le calcium cytosolique, l'AMPc, le GMPc, l'endothélium, le système nerveux sympathique et les systèmes hormonaux.

• L'endothélium exerce un tonus vasodilatateur physiologique (NO, prostacycline) et module la réponse vasoconstrictrice des CML.