Mesure de la Consommation d'Oxygène PDF

La mesure de consommation d’oxygène Master Entraînement et Optimisation de la Performance Sportive Parcours Evaluation et Ingénierie de la Performance Sportive Damien Freyssenet Laboratoire Interuniversitaire de Biologie de la Motricité La consommation d’oxygène...

La mesure de consommation d’oxygène Master Entraînement et Optimisation de la Performance Sportive Parcours Evaluation et Ingénierie de la Performance Sportive Damien Freyssenet Laboratoire Interuniversitaire de Biologie de la Motricité La consommation d’oxygène v Expression Litres d’O2 consommés par minute (L.min-1) ml O2. min-1.kg-1 v VO2max ou consommation maximale d’oxygène Exercice incrémental (bicyclette, tapis roulant) Un test rectangulaire est un test d'effort durant lequel la puissance est augmentée d'une valeur fixe stabilisée. Puissance Vitesse Temps Evolution de VO2max au cours d’un exercice rectangulaire Demande en ATP Excès de consommation Déficit en O2 d’O2 post-exercice Un test triangulaire est un test d'effort durant lequel la puissance augmente par paliers d'une valeur fixe Puissance Vitesse Temps Evolution de VO2 au cours d’un exercice triangulaire (exercice incrémental) VO2, L.min-1 VO2max VO2 repos Puissance Vitesse PMA VMA Critères d’atteinte de VO2max Stabilisation de VO2 malgré l’augmentation de l’intensité de l’exercice Stabilisation de la FC malgré l’augmentation de l’intensité de l’exercice Ou FCmax (théorique) atteinte QR > 1.1 Epuisement (incapacité à poursuivre l’exercice malgré les encouragements) v Ordre de grandeur de VO2max Femme sédentaire: 40 ml O2. min-1.kg-1 Homme sédentaire: 45 ml O2. min-1.kg-1 Bjørn Dæhlie: > 90 ml O2. min-1.kg-1 Miguel Indurain: 88 ml O2. min-1.kg-1 Valeurs de VO2max en fonction de la discipline sportive Les variables à mesurer pour déterminer VO2 v FiO2 : fraction inspirée en O2, pourcentage d'oxygène présent dans l’air inspiré v FiCO2 : fraction inspirée en CO2, pourcentage de dioxyde de carbone présent dans l’air inspiré v FeO2 : fraction expirée en O2, pourcentage d'oxygène présent dans l’air expiré v FeCO2 : fraction expirée en CO2, pourcentage de dioxyde de carbone présent dans l’air expiré v Débit ventilatoire v Pression v Température Composition de l’air 78,08 % de diazote (N2) 20,95 % de dioxygène (O2) moins de 1 % d'autres gaz dont : 0,04% de dixoyde de carbone (CO2) argon: 0,93 % néon : 0,0018 % méthane: 0,000187 % krypton : 0,00012 % xénon :0,00009%, Comment calculer une consommation d’oxygène &'()*+ ,-./01.2é 4 &'()*+ ,- +51.2é ̇ $= "# 6+*10 i: inspiré !̇ #$ = !̇ &. )&#$ − !̇ +. )+#$ e: expiré FiO2 : fraction inspirée en O2, pourcentage d'oxygène présent dans l’air inspiré FeO2 : fraction expirée en O2, pourcentage d'oxygène présent dans l’air expiré : débit d’air inspiré : débit d’air expiré  Sachant que : !̇ #. &#'( = !̇ *. &*'( Soit: Soit: (1 − +&,- − +&.,- ) Il en résulte que: !̇ # = !̇ &. (1 − +#,- − +#.,- ) (1 − ,&#$ − ,&-#$ ) D’où: !̇ #$ = !̇ &.. ,/#$ − !̇ &. ,&#$ (1 − ,/#$ − ,/-#$ ) Et donc: ̇! #$ = !̇ & ((*+ ,-./+ ,-0./ ). 45#$ − 4&#$7 (*+ ,2. + ,20. ) / / True O2 True O2: % d’O2 consommé quelque soit le volume d’air expiré Comment calculer une production de dioxyde de carbone '()*+, -./ ,0123é 5 '()*+, -./ 267123é ̇ %= "#$ 8,+17 i: inspiré !̇ #$% = !̇ '. *'#$% − !̇ ,. *,#$% e: expiré En faisant l’approximation que FiCO2 est négligeable (FiCO2 < 0.05%) on a: !̇ #$% = !̇ '. *'#$% v Valve Voie inspiro- expiratoire Voie Voie expiratoire inspiratoire v Masque v Embout de bouche Les systèmes de mesure en laboratoire: la méthode des sacs de Douglass v Prélèvement des gaz expirés Inspiration Expiration Gaz expirés prélevés pendant Sac de Douglass un temps t Sujet Les systèmes de mesure en laboratoire: la méthode des sacs de Douglass v Mesure des fractions des gaz inspirés et expirés FeO2 Analyseur O2 FiO2 Sac de Douglass FeCO2 Analyseur CO2 FiCO2 v Mesure du volume des gaz expirés Spiromètre Sac de Douglass Mesure du volume expiré par la méthode des sacs de Douglass v Calcul du volume des gaz expirés par minute VE (L.min-1) = [v (L) x 60]/ t (sec) v Le volume des gaz expirés dans une condition donnée dépend de: la température la pression barométrique la pression de vapeur d’eau Condition ATPS (Atmospheric Temperature, Pression Saturated): conditions de mesure v Nécessité de définir des conditions standardisés afin de pouvoir comparer le volume des gaz expirés d’une condition expérimentale à une autre Condition STPD (Standard Temperature, Standard Pressure Desaturated): conditions standard de température et de pression (P =101,3 kPa, 273°K, PH20 = 0 kPa) Conversion ATPS en STPD PB = Pression barométrique ambiante (mm Hg) PH2O = Pression saturée de vapeur d'eau (mm Hg) TA = Température ambiante (°C) Les systèmes de mesure en laboratoire: la méthode cycle à cycle avec chaine automatisée Analyse cycle à cycle inspiro-expiratoire du débit ven?latoire et des frac?ons inspirées et expirées Analyseur O2 Analyseur CO2 FeO2 FiCO2 FiO2 FeCO2 Débit ventilatoire Inspiration Expiration Sujet Les systèmes portables de mesure des échanges gazeux  Contribution respective des métabolismes énergétiques à l’exercice Contribution respective des métabolismes anaérobie et aérobie Contribution relative des métabolismes anaérobie et aérobie lors d’un exercice unique intense conduit jusqu’à épuisement Vitesse de production d’ATP à partir des métabolismes anaérobie et aérobie à l’exercice supramaximal Bout 1 Bout 3 Parolin et al., Am J Physiol, 1999  Contribution respective des métabolismes énergétiques à l’exercice Contribution respective des métabolismes anaérobie et aérobie Contribution respective des métabolismes des glucides et des lipides Régulation du quotient respiratoire et de l ’ oxydation des glucides et des lipides lors d’un exercice de 240 min à 60 % de VO2max 0.81 0.82 0.89 0.88 0.83 0.86 0.83 0.85 Contribution énergétique du glycogène et des triglycérides musculaires, des acides gras libres et du glucose sanguin au cours d’exercices d’intensité croissantes Romijn et al. 1993 Contribution énergétique du glycogène et des triglycérides musculaires, des acides gras libres et du glucose sanguin au cours du temps à 2 intensités relatives d’exercise. 25 % VO2max 65 % VO2max Romijn et al. 1993 Contribution énergétique du glycogène et des triglycérides musculaires, des acides gras libres et du glucose sanguin au cours d’un exercice à 57% de VO2max. Watt et al. 2002  Contribution respective des métabolismes énergétiques à l’exercice Contribution respective des métabolismes anaérobie et aérobie Contribution respective des métabolismes des glucides et des lipides Le cross-over concept Le crossover concept ou point de croisement des substrats Intensité relative d’exercice pour laquelle la part de l’énergie produite à partir des glucides devient prépondérante sur l’énergie produite à partir des lipides 60% 100% Lipides 50% 90% Glucides % 40% 80% Lipides % 30% 70% 20% 60% 10% 50% Glucides 0% 40%  Contribution respective des métabolismes énergétiques à l’exercice Contribution respective des métabolismes anaérobie et aérobie Contribution respective des métabolismes des glucides et des lipides Le cross-over concept Le cycle de Randle L’augmentation de la concentration en acides gras libres diminue l’utilisation des glucides (cycle de Randle) Acides gras libres Glucose HK Fructose-1,6- Fructose-6- Glucose-6- Glucose bisphosphate phosphate phosphate PFK1 GP Acyl-CoA Glycogène Pyruvate Acyl-CoA Pyruvate PDH Citrate Acétyl-CoA Oxaloacétate Muscle (au repos, exercise prolongé) La navette de l ’ acide citrique permet la sortie hors de la mitochondrie de l’acétyl-CoA produit à partir du pyruvate Glycolyse Pyruvate déshydrogénase Malonyl-CoA Acétyl-CoA Pyruvate Pyruvate ACC Citrate lyase ADP + Pi ATP Oxaloacétate Citrate Citrate Acétyl-CoA Citrate synthase CoASH Oxaloacétate Matrice mitochondriale Muscle Cytosol (à l’exercice)  Dépense énergétique Rendement Coût énergétique Master Entraînement et Optimisation de la Performance Sportive Parcours Evaluation et Ingénierie de la Performance Sportive Damien Freyssenet Laboratoire Interuniversitaire de Biologie de la Motricité La dépense énergétique La dépense énergétique est la quantité d'énergie dépensée par une personne. Cette énergie est utilisée pour faire permettre à l'organisme de fonctionner correctement et d'assurer toutes ses fonctions de base. 3 postes de dépense énergétique v Métabolisme de base v Effet thermogénique des aliments v Activité physique Métabolisme de base: dépense énergétique dont l’organisme a besoin pour assurer ses fonctions vitales Tissu Adipeux Tractus 3% Digestif Cerveau 10% 17% Autres Cœur 16% 8% Reins Foie 7% 19% Muscle 20% Les postes de la dépense énergétique v Dépense énergétique associée à l’effet thermique des aliments Dépense énergétique associée à la conversion de l’énergie chimique des aliments (digestion + stockage) v Dépense énergétique associée à l’activité physique Toute dépense d’énergie supplémentaire au métabolisme de base due à l’activité physique. DEtotale = DEMB + DEAP + DEETA DEAP =Detotale – DEMB – DEETA Les postes de la dépense énergétique v Dépense énergétique associée au métabolisme de base. v Estimation du métabolisme de base a: âge en année Homme : E = 66,5 + (13,8 x m) + (5 x h) - (6,8 x a) h:m:taille en cm masse en kg Femme : E = 655,1 + (9,6 x m) + (1,9 x h) - (4,7 x a) E: energie en kcal/j Homme : 2 000 - 2 500 kcal/j Souris: 3.6 kcal/j Éléphant: 49 000 kcal/j Estimation de la dépense énergétique liée à des activités physiques Activité Physique Energie consommée (kJ) 100 m 150 400 m 380 10 000 3400 Marathon 12 500 Marche 4 km.h-1 4 kcal.min-1 Bicyclette (15 km.h-1) 7 kcal.min-1 La dépense énergétique sur 24 heures ETA 5-10% AP MB 20-30% 60-70% La part variable due à l’activité physique peut moduler la dépense énergétique quotidienne Energie de combustion et énergie physiologique des aliments v Énergie de combustion des aliments: énergie libérée par la combustion des aliments v Énergie physiologique des aliments: quantité d’énergie utilisable par l’organisme à partir des aliments. Energie de combustion et énergie physiologique des aliments Aliments Energie de Coefficient de Energie combustion, kcal.g-1 digestibilité, % physiologique, kcal.g-1 Glucides 4,062 97 4,03 Lipides 9,40 95 8,93 Protéines 5,65 92 4,05 v Les facteurs généraux d’Atwater (énergie physiologique) Glucide: 4 kcal.g-1 17 kJ (16,853 kJ.g-1) Lipide: 9 kcal.g-1 37 kJ (37,345 kJ.g-1) Protéine: 4 kcal.g-1 17 kJ (16,937 kJ.g-1) 1 cal = 4,182 J La balance énergétique Métabolisme Aliment énergétique Glu MB Lip ETA Prot AP La production d’ATP provient de l’oxydation des nutriments Aliment + O2 Energie + CO2 v La transformation de l’énergie chimique contenue dans les macronutriments en ATP met en jeu des réactions biochimiques qui vont, in fine, toutes aboutir à une consommation d’oxygène et une production de gaz carbonique. v Site de consommation d’O2 Chaîne respiratoire mitochondriale v Site de production de CO2 Pyruvate déshydrogénase (mitochondrie) Isocitrate déshydrogénase (cycle de Krebs, mitochondrie) α-cétoglutarate déshydrogénase (cycle de Krebs, mitochondrie) v En raison de la composition chimique différentes des glucides, lipides et protéines, l’oxydation complète de ces molécules en CO2 et H2O nécessite des consommations d’O2 différentes. v Glucide !"#$%&' + 6 *+ → 6 -*+ + 6.+ * + /0'123' v Acide gras (lipides) 45"63757' + 23 *+ → 16 -*+ + 16.+ * + /0'123' v Acide aminé (protéines) ;$3