Bioénergétique de l’exercice : Les bases

epaule-jete
  1. Rappel sur la physiologie musculaire

Le muscle est un organe formé par la juxtaposition d’unités structurelles, les fibres musculaires, lesquelles sont enveloppées de tissu conjonctif et disposées sous forme de paquets. Une cellule musculaire isolée est une fibre musculaire (Costill D.L. et Wilmore G.H., 2006), elle contient un très grand nombre d’unités fonctionnelles, les sarcomères.

Il existe trois types de fibres musculaires (McArdle W. et Katch F. & Katch V., 2001) :

  • Fibre rouge ou lente (type 1)
  • Fibre rose transformable suivant le type d’entraînement (type 2a)
  • Fibre blanche ou rapide (type 2b)

Selon Costill D.L. et Wilmore G.H. (2006), la plupart des muscles contiennent 50% de fibres de type 1, 25% de fibre de type 2a et 25% de fibres de type 2b. Les fibres rapides constituent la base des efforts intenses et de courte durée. Elles ont un diamètre plus important que les autres types de fibres.

Chaque fibre musculaire est composée de myofibrilles, ces derniers sont le résultat d’une juxtaposition des filaments contractiles (filaments fins et épais) qui sont disposés parallèlement. Les filaments fins (composés essentiellement d’actine) entourent les filaments épais (myosine, troponine et tropomyosine) formant ainsi des sarcomères.

Une unité motrice est constituée par un motoneurone et toutes les fibres musculaires innervées par celui-ci. « La différence de force isométrique développée entre les unités motrices de type lent et rapide est attribuée au nombre de fibres musculaires par unité motrice ainsi qu’à la différence de force des fibres lentes et rapides. Les fibres lentes et rapides ayant le même diamètre génèrent approximativement la même force. Ainsi, la stimulation une unité motrice de type rapide génère plus de force car ses fibres musculaires sont plus nombreuses et plus larges que celle d’une unité de type lent » (Costill D.L. et Wilmore G.H., 2006).

  1. Les systèmes énergétiques

La production de l’énergie nécessaire pour réaliser un travail musculaire s’effectue grâce à la contribution de trois (03) mécanismes énergétiques (cycle de la phosphocréatine, cycle du lactate, cycle du citrate). La mise en jeu de chaque mécanisme obéit à plusieurs facteurs dont la zone d’intensité et la durée de travail sont les plus importants. Chacune de ces filières énergétiques est définit par cinq notions fondamentales (Billat V., 2003 ; Costill D.L. et Wilmore G.H., 2006) :

  • La puissance : correspond à la durée pendant laquelle la production d’énergie par une filière donnée est maximale.
  • La capacité : correspond à la durée la plus grande durant laquelle un système énergétique peut maintenir la production d’énergie à un seuil optimal.
  • La latence : C’est le temps nécessaire pour atteindre la puissance maximale de travail.
  • La récupération : Durée de repos permettant une récupération partielle des ressources énergétiques ainsi qu’un stabilisation temporaire des indicateurs physiologiques de l’organisme dans le but de pouvoir continuer la séquence d’effort.
  • La régénération : Correspond à la durée nécessaire à la restauration complète des réserves énergétiques et à la détoxication du terrain (élimination des toxines produites lors de l’entraînement).

2.1. Le système anaérobie alactique (Cycle de la phosphocréatine)

Ce système intervient lors des exercices intenses et de courte durée. Selon Sahlin K. (1985) cité par Billat V. (2003) la durée d’intervention de ce système est de moins de 10 secondes pour un exercice à intensité maximale et peut aller jusqu’à 30 secondes lors d’un exercice à 70% du VO2max. Les substrats énergétiques utilisés sont principalement de la créatine phosphate (CP). L’ATP immédiatement disponible n’est utilisée que dans une très faible mesure (5mmol/ kg utilisée en moins de 2 secondes) et est réservé beaucoup plus aux réactions de conversion et de resynthèse des substrats énergétiques. Il n’intervient donc pas directement dans la génération du mouvement.

Au cours des premières secondes d’un exercice intense, le niveau d’ATP reste constant. Tandis que, la quantité de créatine phosphate diminue progressivement, arrivée à un certain moment les réserves de phosphagènes ne suffisent plus pour maintenir le niveau énergétique à un seuil qui permet un fonctionnement métabolique optimal. C’est là qu’interviennent progressivement d’autres systèmes énergétiques.

2.2. Le système anaérobie lactique (cycle du lactate)

Etant donné l’extrême brièveté du temps de production d’énergie à partir des phosphagènes l’organisme dispose d’une autre source d’énergie plus durable pour assurer son activité motrice : c’est le système de l’acide lactique. Cependant, le débit énergétique résultant de ce système est sensiblement moins important que dans le système ATP-CP. Ce système appelé aussi glycolytique (Costill D.L. et Wilmore G.H., 2006) permet de dégrader le glucose provenant de la digestion des glucides et du glycogène hépatique en acide pyruvique. Le devenir du pyruvate est fonction de la présence ou non de quantités suffisantes d’oxygène. Ceci est déterminé directement par l’intensité de l’exercice et de la capacité ventilatoire du sujet. En l’insuffisance d’oxygène une partie du pyruvate est métabolisé en lactate, lequel s’accumulera dans le muscle pour inhiber ensuite la contraction musculaire. Le lactate sera éliminé par le foie (cycle de Cori) et grâce à un isoenzyme de la lactico-déshydrogénase présent dans le cœur (Billat V., 2003).

2.3. Le système aérobie (cycle du citrate)

Dans la filière aérobie le glucose est transformé en pyruvate afin d’être oxyder ensuite en énergie en présence d’oxygène. Ce système intervient durant les efforts prolongés et de faible intensité. Le pyruvate résultant de la glycolyse en présence de quantités suffisantes d’oxygène, passera au cycle de Krebs (cycle du citrate) sous l’action de l’Acétyl coenzyme A. Le produit du cycle de Krebs passera ensuite à une chaîne de transmission d’électron (chaîne respiratoire mitochondriale) dont le catalyseur final serait l’oxygène. On peut constater l’intervention également lors du cycle de Krebs de l’hydrogène biologique (NADH et FADH).

 

Caractéristiques de chaque système énergétique :

 

 Filières Anaérobie alactique (Cycle de la créatine phosphate) Anaérobie lactique (Cycle du lactate) Aérobie            (Cycle du citrate)
Durée de la puissance maximale de la filière 8 ” 60-80’’ 3-12’
Durée de fonctionnement de la filière au cours de l’effort (Capacité) 30’’ 8-120’’ Dépend de l’intensité de l’effort :

5-10’ : 100% VO2max

Plusieurs heures : intensités submaximales de VO2max.

Délai d’intervention de la filière (Latence) 3’’ 5-8’’ 3-5’ pour atteindre la puissance maximale à partir de l’oxydation des glucides.

30’ pour atteindre la puissance maximale à partir de l’oxydation des lipides.

Récupération des réserves énergétiques 50% des réserves : 30’’ 100% des réserves : 4-7′

Nécessité de l’oxygène afin restituer les réserves de CP

Élimination jusqu’à 50% du lactate en 15’

Élimination totale en 60’

 

12-72h
Régénération complète de l’organisme 6-12h 12-36h 48-120h
Substrat énergétique -ATP (5mmol/kg de muscle frais)

-CP (20mmol/kg de muscle frais)

-Glucose :

75kjoules chez les sédentaires

150kjoules chez les sportifs d’élite

-Glucose +++

-Acides gras ++

-Acides aminés +

Réactions enzymatiques ATP à ADP + Pi + énergie (avec l’intervention de l’atépase)

ADP + CP à Créatine + ATP (avec intervention de la créatine phosphokinase)

Glucose à 2 pyruvates + 2ATP (après 11 réactions)

Si déficit d’oxygène à 2 lactates

Oxydation du glucose

C6H12O6 + 6O2 + 38ADP +38 Pi à 36ATP + CO2 + H2O (après passage au cycle du citrate)

 

Oxydation du palmitate C15H31COOH + 23O2 + 129ADP + 129Pi à 16CO2 + 16H2O + 129ATP

Foyer des réactions enzymatiques Sarcoplasme au niveau des filaments fins et épais Sarcoplasme extramitochodrial Mitochondrie
Processus métabolique Dégradation de la créatine phosphate Glycolyse+ fermentation lactique -Glycolyse+ Oxydation (cycle de Krebs)

-Lipolyse (phosphorilation oxydative)

-Néoglucogénèse

Fréquence cardiaque maximale (bts/min) 180 200-220 120- 140 à une intensité proche de 50% du VO2max.

 

ATP produite 1ATP/ molécule de CP 2ATP/ molécule de glucose (la dégradation de glycogène musculaire en glucose fournit 1ATP supplémentaire) 38 ATP/ molécule de glucose (la dégradation de glycogène musculaire en glucose fournit 1ATP supplémentaire) : 6,3ATP/O2

 

129ATP/ molécule de palmitate : 5,6ATP/O2

Puissance (watt/minute) 80 fois la puissance de repos : homme sportif 15-20w/kg, femme sportive 12w/kg 20-30 fois la puissance de repos.

8-9 w/kg pour un effort d’une durée de 30’’

6-7w/kg pour un effort d’une durée de 60’’

15-20 fois la puissance de repos. Correspond au VO2max du sujet laquelle correspond à la PMA.

Homme sportif : 80-90 ml/min/kg = 6w/kg

Femme sportive = 60-70 ml/min/kg = 5w/kg

Types de fibres musculaires Fibre blanche

(type 2b)

Fibre rose

(type 2a)

Fibre rouge

(type 1)

Facteurs limitants -Accumulation de la créatine dans la fibre musculaire

-Réserves énergétiques limitées

-Fatigue nerveuse (défaut de régénération des neuromédiateurs)

-Accumulation de l’acide lactique dans les tissus.

Tolérance au lactate :

Sédentaire = 14-17 mmol/ litre de sang

Sportif = 25-30 mmol/litre de sang

-Monotonie (conduit à une fatigue nerveuse)

-Manque de réserves énergétiques (la fatigue survient lorsque le glycogène musculaire a disparu et ce à 75% du VO2max)

-Tolérance des articulations et leviers (os)

-Acidose tissulaire à des intensité proche du VO2max

-Capacité de  thermorégulation de l’organisme et lutte contre la déshydratation

Méthodes d’entraînement -Interval training

-Intermittent court

-Fractionné

-Interval training

-Circuit training

-Intermittent long

-Continue

-Circuit training

 

Indicateurs développés -Activation neuromusculaire

-Hyperplasie

-Coordination intramusculaire

-Hypertrophie (sarcoplasmique+, sarcomérique+++)

-Puissance maximale anaérobie

-Fréquence des impulsions nerveuses

-Répétition maximale (1-RM)+++

-Réflexe myotatique

-Explosivité du mouvement

-Seuil anaérobie

-VO2 max/VMA/ PMA

-Répétition maximale (1-RM)+

-Hypertrophie (sarcoplasmique+++, sarcomérique+)

 

 

-Capacité maximale aérobie

-Seuil aérobie

 

 

Types d’effort Effort brefs et très intense.

Exemple : Sauts, lancers, haltérophilie, powerlifting, départ en course ou début de toutes activité physique intense.

Effort de 30’’ à 120’’ à intensité maximale.

Exemple : 400m course, 1000m vélo, 100m nage, superset en musuclation…etc.

Effort de moyenne et longue durée.

Exemple : course de fond et demi fond, marche, cross country, marathon…etc.

 

Références :

 

  1. BILLAT V., Physiologie de l’entraînement : De la théorie à la pratique, de boeck, Bruxelles, 2003.
  2. COSTILL D.L., WILMORE J.H., Physiologie du sport et de l’exercice, de boeck, Bruxelles, 2006
  3. FOX E.L., MATHEWS D.K., Bases physiologiques de l’entraînement, Vigot, Paris, 1984.
  4. McARDLE W., KATCH F., KATCH V., Physiologie de l’activité physique, énergie, nutrition et performance, Maloine, France, 2001.

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