Bases Énergétiques des Exercices Physiques (PDF)

 Les bases énergétiques  Quelques principes Pas de contraction sans ressources énergétiques C’est l’énergie chimique qui assure la contraction musculaire  La réaction se produit au niveau cellulaire La cellule musculaire transforme l’énergie c...

 Les bases énergétiques  Quelques principes Pas de contraction sans ressources énergétiques C’est l’énergie chimique qui assure la contraction musculaire  La réaction se produit au niveau cellulaire La cellule musculaire transforme l’énergie chimique en énergie mécanique La cellule trouve son énergie sous forme de molécules riches en éléments phosphore: l’ATP L’énergie nécessaire aux exercices physiques provient des aliments. Ces derniers ne peuvent être utilisés directement et sont donc dissociés en composés organiques. C’est ce qu’on appelle le métabolisme énergétique (= ensemble des transformations subies par les substances alimentaires dans l’organisme). Les réactions de dégradation des composés organiques vont fournir à l’organisme des molécules hautement énergétiques appelées ATP (Adénosine TriPhosphate) ATP = Adénosine Energie Pi Energie Pi Energie Pi  Particularité de cette molécule D’ATP Elle est logée au niveau des fibres musculaires. Une fois stimulée par un influx nerveux, elle se dissocie et libère de l’énergie capable de provoquer le raccourcissement des fibres musculaires. ATP INFLUX NERVEUX ADP + P  = NRG + chaleur ATP = ADP +PI ATPase ADP = adénosine diphosphate  Durée du mouvement Tant qu’il y a de l’ATP au niveau musculaire Attention : les réserves d’ATP musculaire locale sont très faibles (2 à 3 secondes Au delà pour un exercice intense) et celles-ci doivent donc être resynthetisées en permanence. L’organisme doit le « refabriquer » On parle… …des mécanismes de resynthèse De l’ATP  2 voies de resynthèse: La voie anaérobie La voie aérobie 3 mécanismes: La voie des La voie « Glycolyse La voie oxydative PHOSPHAGENES Lactique »  La voie anaérobie des Phosphagènes (anaérobie alactique) Elle utilise les réserves en ATP. Elle est comparée au « starter » de l’effort musculaire Sans oxygène Anaérobie Sans production d’acide Alactique lactique  2 combustibles pour cette voie La créatine phosphate (CP) L’ATP contenue dans les cellules musculaires  Anaérobie = sans dioxygène. Alactique = sans production d’acide lactique. C'est le système le plus rapide et le plus simple. Substrat énergétique présent directement dans la cellule musculaire : la créatine phosphate (ou phospho-créatine = PCr) Rendement faible : 1PCr => 1 ATP Réaction facilité par une enzyme : créatine (phospho)kinase PCr + ADP == ATP + Cr Créatine kinase Métabolisme Anaérobie alactique Caractéristiques Substrats utilisés ATP + CP Délai d’intervention Nul Durée de maintien de 7 à 10 secondes Puissance (selon niveau) Durée de maintien de la 20 à 30 secondes capacité Produit final ADP et créatine Durée de récup 2 min pour resynthèse ATP ou cycle de Krebs Au repos : La phosphocréatine se reconstitue au repos, lorsque l’ATP est redevenu abondant. A l’exercice: dégradation rapide des réserves au début de l’exercice. Lors de la stagnation de la réponse ventilatoire à l’exercice l’apport en O2 et les besoins s’équilibrent permettant ainsi une resynthèse de la phosphocréatine. L’ATP est créée par la filière aérobie (cycle de Krebs/phosphorylation) et est donc associée à la créatine pour recréer la créatine phosphate grâce à des navettes PCr/Cr.  La glycolyse anaérobie (lactique) En l’absence d’O2 elle utilise un sucre complexe présent en réserve au niveau musculaire et hépatique : le glycogène On parle de « glycogenolyse anaérobie » Avec production Lactique de lactates  Glycogène 2 ATP G.6.P NRJ O2 Acide pyruvique O2 Acide lactique 17  Après plusieurs réactions chimiques, ce glycogène se transforme en glucose ATP + acide pyruvique O2 Utilisé pour les Lactate + H+ efforts intenses L’inconvénient sera une augmentation importante de l’acidose. La transformation en acide lactique aura lieu lors des déficits en O2 (activité trop intense ou début activité). Sinon, l’acide pyruvique est dirigé dans la filière aérobie (cycle de kreps).  Anaérobie = sans dioxygène Lactique = avec production d’acide lactique Système relativement rapide Le substrat dégradé dans le cytoplasme est le glucose Le glucose se transformera en acide pyruvique puis en acide lactique en raison de l’insuffisance de l’apport en O2. Ce glucose donnera 2 molécules d’ATP. Métabolisme Anaérobie lactique Caractéristiques Substrats utilisés Glycogène et glucose Délai d’intervention 20’’ à 30’’ Durée de maintien de 30’’ à 50’’ (selon niveau) Puissance Durée de maintien de la 20’’ à 3’ minutes (selon niveau) capacité Produit final Acide lactique Facteurs limitants du pH cellulaire Durée de récup (élim du lact) 1 heure si R=passif / 20’ actif  Au repos, si il y a abondance de Glucose et d’ATP, le glucose sera stocké sous forme de glycogène : c’est la glycogénogénèse Lors d’un effort prolongé et/ou intense, le taux de glucose diminue et sera compensé par l’utilisation du glycogène : c’est la glycogénolyse. Diminution très importante du glucose et du glycogène implique un risque d’hypoglycémie 1 Glycogène  3 pyruvates Bilan : 3 ATP si filière anaérobie. L’acide lactique est dissocié en lactate et hydrogène (H+) Le lactate passe du muscle à la circulation sanguine et est complétement éliminé du tissu musculaire 30’ à 1h après la fin de l’activité. Il est ensuite capté par les cellules du foie, du cœur ou des reins qui l’utilisent comme source d’énergie Les cellules du foie peuvent le reconvertir en acide pyruvique ou glucose dans le sang ou en glycogène. Le lactate ne peut être considéré comme déchet mais comme un substrat. Lorsque l’activité physique est modérée les ions H+ sont éliminés par association avec l’O2 pour former de l’eau (H2O). Ils peuvent être également associés avec les ions bicarbonates (H2O + CO2). Si l’activité est intense, les ions H+ ne sont plus suffisamment tamponnés ce qui engendre une acidification du milieu et in fine un arrêt de l’activité.  Que devient l’acide lactique? En présence d’O2 les lactates redonnent du pyruvate qui fournira à nouveau de l’ATP. Mais en cas d’exercice trop intense et ou trop long, les lactates et surtout H+, vont s’accumuler et augmenter l’acidité du milieu. Par ailleurs, une petite activité musculaire après compétition favorise la transformation des lactates en pyruvate et donc la « détoxification du muscle » (le décrassage). L’entraînement aura pour fonction d’amener le sportif à tolérer un niveau de plus en plus élevé d’acide lactique + augmenter ses réserves de glycogène 2 choses à retenir: Il y a production de lactates dés le début de l’effort Il y a un seuil (« lactate turnpoint » environ 4mmol/l) à partir duquel il y a une évolution exponentielle (correspondance avec le seuil d’inadaptation ventilatoire)  Ou filière OXYDATIVE Aérobie = présence d’O2 Ce système, le moins rapide, est aussi appelé système oxydatif. Théoriquement, ce système n’a aucune limite de temps. - Le premier substrat dégradé est le glucose par glycolyse (ou le glycogène par glycogénolyse). - Le deuxième substrat dégradé sont les lipides par lipolyse. - Le troisième substrat dégradé sont les protéines par protéolyse. La voie oxydative (aérobie) 1ère étape a lieu dans le cytoplasme de la cellule Glycogène G.6.P 2 Acides pyruviques O2 3 ATP En présence d’O2, le pyruvate va être métabolisé donnant de l’eau, du CO2 de l’ATP et de la chaleur. 27  Après complète dégradation, le glycogène se transformera en ATP + CO2 et H2O (cf diapo 33) Utilisé pour les efforts longs et d’intensité modérée Le glycogène ou sucre complexe provient de l’alimentation Sucres lents Sucres rapides Confiseries, soda, barres Riz basmati, pâtes fermes chocolatées…  ETAPE 2 de la filière oxydative : En présence d’O2 les molécules de pyruvate vont se transformer en Acétyl Co-enzyme A, C’est l’une des seule molécule à pouvoir rentrer dans un cycle nommé cycle de KREBS (du nom de scientifique l’ayant mis en évidence) ou cycle de l’acide citrique. Ce cycle se déroule dans le cytoplasme des mitochondries (centrales énergétiques de notre organisme).  ETAPE 2 (détails) de la filière oxydative : Le cycle de Krebs comporte 10 étapes réalisées à 2 reprises dans le cytoplasme de la mitochondrie. Le bilan énergétique de la dégradation de 2 molécules d’acétyl CoA est de: 2 ATP Noyau cellulaire (contient les gènes) Cytoplasme cellulaire Cycle de Krebs dans cytoplasme des mitochondries Métabolisme Oxydatif Caractéristiques Substrats utilisés Lipides et glucides + AA Délai d’intervention 2’ à 4’ Puissance ou débit max Dépend de VO2max Durée de maintien de 3’ à 15’ Puissance Capacité totale Très élevée, dépend du % disponible de VO2 max utilisé Durée de maintien de la Théoriquement illimitée capacité Produit final Eau + CO2 Facteurs limitants VO2max et du glycogène Durée de récup 24 heures (selon le type d’effort)  33ème et dernière étape de la filière oxydative permettant de créer 34 ATP. Cette étape a lieu dans la membrane interne de la mitochondrie Vidéo 3ème étape de la filière oxydative - les atomes d’hydrogène issus du cycle de Krebs sont cédés à des atomes d’oxygène en provenance des poumons pour former de l’H2O. La série de réactions qui mène à la synthèse d’H2O est la chaine de transport des électrons ou chaine respiratoire. - Dans cette chaîne, les ions H+ et électrons sont transportés vers l’O2 par les transporteurs (navette NAD) au cours d’une série de réactions enzymatiques. - Au cours du transport: NRJ libérée : création d’ATP. Bilan : 34 molécules ATP  Bilan pour 1 molécule de glucose: 2 + 2 + 34= 38 ATP  La voie oxydative (aérobie) : L’organisme utilise le sucre mais également les « graisses » pour fabriquer de l’ATP Les réserves de graisse Rendement intéressant, sont presque inépuisables mais grande inertie  Stockage des lipides dans les tissus adipeux = lipogenèse Dégradation des lipides = lipolyse Seuls les triglycérides sont oxydés. lipase Triglycérides  Glycérol + Acide Gras  OBJECTIF : synthétiser l’ATP à partir du glycérol Lipides AEROBIE Triglycérides ½ Glucose Glycérol 1 Pyruvate Acides Gras O2 1 Acétyl CoA KREBS Chaine de transport = 18 ATP des e-  OBJECTIF : synthétiser l’ATP à partir d’un acide gras Lipides AEROBIE Triglycérides Glycérol Production très lente Acides Gras n carbone Beta oxydation Acétyl CoA KREBS Chaine de transport = 130 ATP des e-  OBJECTIF : synthétiser l’ATP 3 Filières phosphagènes Glycolyse lactique AEROBIE Glucose PCR  CR +PI Glucose Où ? Dans cytoplasme de la cellule ATP  ADP Pyruvate Pyruvate O2 = 2 ATP O2 Acétyl CoA Lactate Dans la mitochondrie Où ? KREBS = 2 ATP Où ? Dans le sarcomère Dans cytoplasme de la cellule = 1 ATP = 2 ATP Chaîne de = 34 ATP + 2 + 2 transport des électrons Membrane interne de la mitochondrie OBJECTIF : synthétiser l’ATP 3 Filières 41  En résumé En début d’exercice les 3 voies se mettent en route pour fournir de l’ATP. La voie aérobie présente une inertie avant d’être pleinement efficace (30’). Cette période est appelée « dette d’O2 ». Ensuite la ventilation atteint un niveau d’équilibre, on parlera de « 2nd souffle ». Ainsi l’échauffement est déterminant. Au-delà de préparer les muscles, il permet d’atteindre cet état d’équilibre plus tôt Pour faciliter la perte de graisses (pendant l’effort), privilégiez des efforts continus, non intenses, mais longs (30’ à 1h30’)  Quelques concepts (de plus en plus contesté) Seuil aérobie Seuil anaérobie  Seuil aérobie Ce seuil correspond au point où le lactate sanguin dépasse la valeur de 2mmoles/litre de sang. Ce seuil correspond à une FC comprise entre 70 et 80% (80% = bon niveau) de la FC max Courir au seuil aérobie correspond à une allure d’échauffement, de récupération voir de course de longue durée (‘’je peux parler sans difficulté’’) La filière énergétique utilisée est essentiellement Aérobie, jusqu’à la vitesse sollicitant le seuil anaérobie.  Seuil aérobie (suite) C’est lorsque l’on court à une vitesse proche de ce seuil que les graisses sont utilisées dans des proportions plus grandes « lipoxmax » = 50%glucides / 50% lipides… quelques grammes perdues par sortie longue = modeste  Seuil anaérobie Ce seuil correspond au point où le lactate sanguin dépasse la valeur de 4mmoles/litre de sang. La dégradation du glucose provoque la production de beaucoup d’acide lactique (surtout H+) non éliminable en totalité (ou immédiatement) = système NAD dépassé/saturé  Seuil anaérobie (suite) Le système énergétique anaérobie devient prépondérant au-delà d'une certaine vitesse de course (et/ou durée) correspondant au seuil anaérobie. Celui-ci s'évalue entre 85 et 90, voir 93% de la fréquence cardiaque maximale, selon le niveau de l'athlète. Si elle correspond à une FC d’environ 90% à 93% de FC max cela donne (pour un jeune de 20ans) 180 à 185 de FC de course. tableau de synthèse