Physiologie de l'exercice musculaire

L'exercice musculaire en physiologie

• L'exercice musculaire se caractérise comme une activité musculaire consciente et volontaire.
• Il représente un puissant stimulus physiologique, mobilisant les réserves de divers organes.
• L'étude de la réponse à l'effort permet ainsi d'évaluer le fonctionnement des organes et mécanismes physiologiques.
• L'approche physiologique vise à comprendre comment l'organisme s'adapte à l'exercice et fournit l'énergie nécessaire.
• Elle explique la transformation de l'énergie chimique des aliments en énergie mécanique (muscle) et thermique.
• L'énergie nécessaire aux mouvements provient de la transformation des nutriments en substrats alimentaires, puis en énergie mécanique, un processus intramusculaire.
• Le sang transporte l'oxygène des alvéoles pulmonaires et les nutriments du tube digestif aux cellules musculaires.
• Il élimine également les déchets tels que le dioxyde de carbone, la chaleur et l'acide lactique.
• L'accélération de la respiration et du rythme cardiaque lors de l'effort reflète l'augmentation des besoins énergétiques musculaires.
• Cette énergie provient majoritairement de la combustion, nécessitant l'oxygène comme comburant pour produire de l'ATP.

Étapes de l'apport d'oxygène aux muscles

• Ventilation : Convection de l'O2 de l'extérieur vers les alvéoles pulmonaires.
• Diffusion : Passage de l'O2 à travers la membrane alvéolo-capillaire vers le sang.
• Circulation : Convection de l'oxygène vers les capillaires musculaires par le cœur.
• Tissulaire : Oxydoréduction des substrats au niveau des mitochondries musculaires, pour la combustion et la contraction.
• La production d'énergie entraîne la production de déchets : CO2, chaleur, acide lactique.
• La consommation d'O2, ou VO2, se mesure en L/min.

Adaptations métaboliques et musculaires à l'effort

• L'organisme métabolise les aliments, composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, pour les rendre assimilables.
• La digestion permet de casser les molécules complexes pour les rendre plus assimilables et de stocker l'énergie dans l'ATP.
• L'ATP est une molécule composée d'adénine, de ribose et de 3 groupes phosphates, présente dans la fibre musculaire.
• L'énergie est libérée lorsque le dernier phosphate se détache de l'ATP.
• L'ATP est présente en petite quantité et ne maintient la contraction musculaire que pendant 3 secondes.
• Il nécessite d'autres sources d'énergie pour assurer une resynthèse permanente

Resynthèse d'ATP

• Les cellules synthétisent l'ATP par 3 processus : système aérobie, système ATP-CP, système glycolytique
• La voie aérobie fait intervenir l'oxygène
• Le système oxydatif oxyde les nutriments (glucides, lipides, protéines) en présence d'O2 pour resynthétiser l'ATP.
• Il s'agit de la glycolyse aérobie, avec incorporation de l'acétyl-CoA dans le cycle de Krebs.
• Le glycogène libère plus d'énergie que le glucose.
• La réaction se produit dans les mitochondries.
• La voie aérobie permet un effort d'intensité modérée mais de longue durée.
• Elle produit de l'eau et du CO2.
• Les muscles et le foie stockent le glycogène.
• Lors des efforts de longue durée (45 min et plus), les lipides interviennent particulièrement.
• L'endurance est la forme d'effort privilégiée de ce système.
• La voie anaérobie ne fait pas intervenir l'oxygène
• Le système ATP-CP(Créatine-Phosphate) renouvelle rapidement l'ATP grâce à la réserve cellulaire de CP.
• Processus anaérobie alactique (faible production d'acides lactiques)
• Il est le plus simple et rapide pour renouveler l'ATP.
• Ce système correspond aux efforts brefs mais intenses, comme la vitesse.
• Lors des 7 premières secondes d'un sprint, la quantité d'ATP reste stable, puis diminue, nécessitant d'autres procédés.
• La vitesse est la forme d'effort privilégiée de ce système.
• Le système glycolytique produit l'ATP par dégradation du glucose.
• Le glucose, provenant de la digestion des hydrates de carbone et de la dégradation du glycogène hépatique, produit l'énergie nécessaire à la resynthèse de l'ATP.
• Ce processus anaérobie lactique (production importante d'Acides Lactiques) est la glycolyse anaérobie.
• Au repos, le glucose est transformé en glycogène musculaire dans le muscle et le foie.
• Cette production d'énergie se déroule dans le sarcoplasme musculaire.
• La fourniture d'énergie est importante mais de durée relativement courte : 30 secondes à intensité max à 2 minutes pour une intensité moindre
• L'apport insuffisant d'oxygène (anaérobie) transforme l'acide pyruvique en acide lactique.
• Une quantité importante de lactates perturbe l'homéostasie et interrompt l'exercice.
• La forme d'effort privilégiée de ce système est la résistance.
• La glycolyse anaérobie entraîne la production de lactates qui perturbent l'équilibre du milieu intérieur.
• L'acide lactique est un indicateur du potentiel anaérobie lactique; sa production et son contrôle sont importants.
• Il déséquilibre l'homéostasie et doit être tamponné, éliminé, ou réutilisé comme ATP ou glycogène.

Évolution de la fourniture d'énergie dans le temps

• L'activité musculaire brève et intense : anaérobie alactique.
• Activité musculaire de durée moyenne : anaérobie lactique.
• Activité musculaire de longue durée : aérobie.
• Ces voies se chevauchent progressivement et ont des délais et possibilités d'interventions différents.

Fibres musculaires

• Il existe 3 types de fibres musculaires : Type I (rouges), Type lla (blanches), Type llb (blanches)
• Nombre de fibres par motoneurone : 10 à 180, 300 à 800 et 300 à 800, respectivement
• Vitesse de conduction nerveuse : Lente, Rapide et Rapide, respectivement
• Vitesse de contraction (ms) : 50, 50 et 110, respectivement
• Capacité aérobie(oxydative): élevée, modérée, faible
• Capacité anaérobie(glycolytique): faible, élevée, élevée
• Activités privilégiées : endurance, exercices explosifs (Résistance à la fatigue plus faible que les type I), intensité importante (Résistance à la fatigue très faible)
• Les fibres lla et IIb ont toutes les deux une force de contraction importante.
• Si on analyse les fibres musculaires des muscles gastrocnémiens ou muscles jumeaux du triceps sural d'une personne qui fait des marathons (endurance ++), on trouve 93-99% de fibres de type I, ces mêmes muscles ne sont formés que de 25% de fibres de type I chez une personne faisant des sprints.

Effets de l'exercice sur la production de CO2

• Les cellules consomment le dioxygène et produisent du dioxyde de carbone, qui doit être éliminé par la ventilation.
• Le CO2 est transporté sous 3 formes : dissous, à l'état de bicarbonates et combiné à Hb.
• L'augmentation de CO2 dans le sang veineux est causée par l'exercice musculaire.

Adaptation cardiovasculaires à l'effort

• Le cœur assure la convection d'oxygène vers les capillaires musculaires
• Augmentation de débit cardiaque au cours de l'effort. Le débit cardiaque = volume de sang éjecté par chaque ventricule pendant une minute (L/min). Dépend du volume de sang éjecté à chaque contraction ventriculaire (systolique). Dépend de la fréquence cardiaque exprimée en battements par minute.
• Au repos = 5 l/min, Exercice intense = 20 l/min
• Le débit cardiaque est le produit de la fréquence des battements cardiaques par le volume d'éjection systolique (VES) : Qc = FC x VES
• La fréquence cardiaque dépend d'une innervation intrinsèque et extrinsèque : système nerveux végétatif : sympathique et parasympathique
• Le volume d'éjection systolique est le volume de sang que le cœur éjecte à chaque contraction (systole). Chez l'homme, au repos, il est d'environ 70 mL.

VES (volume télédiastolique )

• VES varia avec : la précharge (degré de remplissage du ventricule), l'inotropie(force de contraction), la postcharge (frein à l'ejection)
• Le débit doit être fourni sous une certaine pression permettant le réglage de la distribution sanguine dans chaque organe en fonction de ses besoins propres sans compromettre l'équilibre général
• A l'exercice, on augmente le débit cardiaque en augmentant la pression, mais en diminuant les résistances périphériques.

Mécanismes adaptatifs neurologiques et humoraux

• Nombreux mécanismes neurologiques et/ou humoraux interviennent dans la régulation du système cardiovasculaire en fonction des conditions physiologiques
• Les systèmes nerveux central, sympathique et parasympathique, et les secrétions hormonales.
• Lors d'un exercice à charge croissante de travail : augmentation linéaire du débit cardiaque avec la charge de travail de puissance croissanter.

Mécanismes

• Augmentation de la contraction myocardique : inotrope positif, par augmentation de l'activité sympathique et étirement des fibres musculaires
• Augmentation du retour veineux par la contraction des muscles périphériques et à la veinoconstriction, chassant le sang vers le cœur. Gràce à l'inspiration augmentant la pression abdominale et diminuant la pression thoracique
• augmentation de volume sanguin total
• VES n'augmente que de 1,6 à 1,7 fois au max : l'augmentation de VES ne correspond donc pas au principal mécanisme d'adaptation au débit cardiaque !
• Au total, l'augmentation du VES se fait surtout pour un effort modéré. Le principal d'adaptation du débit cardiaque est donc l'augmentation de la fréquence cardiaque
• Pour un travail musculaire de puissance faible ou moyenne : augmentation linéaire de la Fc avec la puissance de l'exercice
• La fréquence maximale théorique (FMT) = 220 - l'âge
• L'accélération cardiaque est donc le facteur principale à l'augementation du débit cardiaque
• Pour adapter la pression artérielle :P = RPT x Qc

Adaptation ventilatoire à l'effort

• Ventillation : comment l'oxygène arrive au niveau alvéolaire, diffusion : comment traverse la membrane le gaz
• Augmentation du débit ventilatoire (ventilation pendant l'effort)
• Régulation de la ventillation à l'exercice : Mécanismes physiologiques de la réponse ventilatoire à l'exercice : commande centrale; rétro-controle; débit de CO2; chémosensibilité; augmentation de la température corporelle
• Adapation ventilatoire Débit ventilatoire est la quantité (volume) totale de gaz inspiré et expiré en une minute (L/min)

Adaptation ventilatoire et effort

• Le volume courant (Vt) est le volume lors d'une respiration au repos
• Le volume de réserve inspiratoire (VRI) est le volume maximal qu'on peut inspirer en plus d'une inspiration de repos
• Le volume expiratoire est le volume maximal qu'on peut expirer après une expiration de repos
• L'ensemble constitue la capacité vitale
• Facteur limitant la ventilation et l'arrêt précoce de l'exercice
• La ventillation n'est donc pas un factur limitant à l'effort
• Régime ventilatoires: Pour une même ventillation minute : ventillation alvéolaire sera différente selon régime inspiratoire choisi
• La ventillation de l'espace mort représente représente 30-40% au repos
• Principe de diffusion et diffusion des gaz: le gaz diffuse toujours vers ou la pression du gaz est élevée le
• Pour les mélanges gazeux : chaque gaz se comporte de façon indépendante selon la pression partielle
• Diffusion du gaz entre le milieu gazeux des alvéoles et le plasma

Diffusion

• Grande différence au début entre le sang qui arrive dans les capillaires et le gaz alvéolaire
• Atteint rapidement au début
• Différence faible du CO2 entre le sang et le gaz alvéolaire mais diffusibilité importante du gaz
• Passage du sang o2 et CO2 vers les alvéoles : simple diffusion est lié à la différence des pressions partiel dans les gaz
• La diffusion est tributaire de l'épaisseur des membranes alvéolaires capillaires

Circulation et effort

• Temps limité du sang et temps de contact
• Augmentation du débit cardiaque, et rapport équilibre entre la ventillation-perfusion
• Temps réduit compansé par la surface d'échange par de nouveaux capillaires