Physiologie de l'Exercice PDF

Physiologie de l’Exercice Florian Chouchou ​ aître de Conférences M Laboratoire IRISSE (EA4075) - Département STAPS Université de La Réunion [email protected]  Organisation...

Physiologie de l’Exercice Florian Chouchou ​ aître de Conférences M Laboratoire IRISSE (EA4075) - Département STAPS Université de La Réunion [email protected]  Organisation du cours ▪ 4 x 2h - CMs ▪ 3 x 2 h - TPs ▪ Evaluation : Question cours/TP  Ouvrages de référence W. Larry Kenney Jack Wilmore David L. Costill 2015 Vassilis Klissouras 2017  Introduction La marche et la course : Ischio-jambier Droit fémoral ▪ Etudier depuis longtemps Vaste latéral o Chronophotographie ~ 1870-1890 o Etienne Jules Marey (1830 – 1894) Grand glutéal XX ▪ Contrôle moteur : Gastrocnémien o automatique et cyclique - générateurs Soléaire centraux de rythme Etienne Jules Marey, chronophotographie, 1883 o Différents muscles s’activent dans un ordre Tibial antérieur spécifique o Retour sensoriel nécessaire à la marche? ▪ Métabolismes musculaires o En fonction de différentes allures Contact initial Fin contact Fin contact o Mise en jeu des systèmes cardiopulmonaires Freinage Propulsion Récupération Pré-activation ▪ Adaptations o Métabolique Contact Vol o Neuromusculaire o Cardiovasculaire et pulmonaire Howard al. Med Sci Sport Biomechanisms (201)  Objectifs du cours Chapitre 1 : Le muscle Chapitre 2 : Les systèmes cardiovasculaire et respiratoire Chapitre 3 : Adaptations cardiorespiratoires à l’exercice Chapitre 4 : Adaptations à l’entrainement  Travaux Pratiques TP 1 : Evaluations des aptitudes aérobies et de l’endurance TP 2 : Evaluations et mesures de terrain TP 3 : Evaluations et mesures de terrain Chapitre 1 : Le muscle Structure et fonctionnement musculaire  Structure et fonctionnement musculaire Les muscles : ▪ Propriétés : o convertissent une énergie chimique en énergie mécanique (et thermique!) o Contrôle neuromusculaire o Métabolisme : besoin d’énergie chimique (ATP) ▪ Différents types de muscles : o Lisses : ▪ sans strie ▪ contraction involontaire et lente ▪ Ex. muscle intestin, vaisseaux sanguins o Striés : ▪ avec strie ▪ cardiaque ou squelettique ▪ squelettique contraction volontaire & involontaire  Structure et fonctionnement musculaire Les muscles striés squelettiques : Coupe transversale d’un muscle ▪ Différents faisceaux : o Muscle : ▪ vaisseaux sanguins ▪ cellules nerveuses ▪ cellules musculaires ou myocytes ▪ tissu conjonctif (épimysium) o Faisceau de cellules musculaires : ▪ plusieurs cellules musculaires ▪ Tissus conjonctif (périmysium) o Cellule musculaire : ▪ Multinucléée : plusieurs noyaux ▪ Sarcomère : complexe d’actine et myosine ▪ Jusqu’à 12 cm (500 000 sarcomères), ⌀ : 10 à 80 µm.  Structure et fonctionnement musculaire La cellule musculaire : Coupe transversale d’une cellule musculaire ▪ Différents structures : o Sarcolemme : Membrane plasmique Fusionne avec le tendon (tissu conjonctif fixé à l’os) o Cellules satellites : Indifférenciées Impliquées dans le développement du muscle Régénération du muscle o Sarcoplasme – un cytoplasme spécialisé : Partie fluide de la cellule Contient des protéines, minéraux, glycogène, graisse, organite, myoglobine Organite : mitochondrie, lysosome, réticulum sarcoplasmique Myoglobine : proche de l’hémoglobine – transport O2  Structure et fonctionnement musculaire La cellule musculaire : Coupe transversale d’une cellule musculaire ▪ Différents structures : o Tubules transverses : ▪ Extension sarcolemme ▪ Pénètrent la cellule mus. transversalement ▪ Contact au RS o Réticulum sarcoplasmique : ▪ Tubules longitudinaux ▪ Stockage Ca++ ▪ Impliquées dans la contraction musculaire o Myofilament : ▪ Chaîne linéaire composée de cylindres parallèles allongés dans le sens de la cellule ▪ Filament d’actine (3000) / Myosine (1500)  Structure et fonctionnement musculaire La cellule musculaire : Coupe transversale d’une cellule musculaire ▪ Sarcomères : o Stries musculaires o Zone sombre : bande A / Zone claire : bande I o Dans les zones sombres : zone plus claire bande H o Dans les zones claires : zone plus foncée bande Z ▪ Agencements de plusieurs protéines composés de 2 systèmes différents de filaments : o filament épais, formé de protéines de myosine. o filament fin, fait d'actine (de tropomyosine, et de troponine), inséré sur la ligne Z ▪ Unité contractile de base des muscles striés o Mouvement : c’est la fixation entre actine et myosine & le basculement des têtes de myosine o Nécessite ATP (métabolisme) et Ca++ (contrôle nerveux)  Structure et fonctionnement musculaire La contraction musculaire : ▪ Théorie du filament glissant : o Il sous-tend la contraction du muscle o Dépend de l’impulsion nerveuse (et Ca++) ▪ Interaction actine-myosine : o Au repos la tropomyosine recouvre le site actif de l’actine o Le Ca++ se lie à la troponine, déplaçant la tropomyosine, et découvre le site actif de l’actine o Les ponts transverses entre actine et myosine sont possible. o Nécessite l’hydrolyse de l’ATP (ATPase, tête myosine) o La contraction se termine lorsque la concentration de Ca++ diminue, libérant la tropomyosine  Structure et fonctionnement musculaire Les différentes contractions musculaires : ▪ Isométrique : Le muscle exerce une force mais ne se raccourcit pas ▪ Concentrique : Le muscle exerce une force et se raccourcit ▪ Excentrique : Le muscle exerce une force et s’allonge ▪ La force développée : o Davantage de ponts transverses (actine myosine) en excentrique o Composantes élastique en série (aponévrose) o Davantage de force est développée lors du cycle excentrique concentrique (comme la marche/course).  Structure et fonctionnement musculaire Les différentes cellules musculaires : ▪ Lentes vs rapides : o Deux grands types de cellules musculaires Coupe transversale d’un muscle o Classées par leur vitesse de contraction ❖ Lentes : dites type I (slow-twitch) ❖ Rapides : dites type II (fast-twitch) ▪ Différences mécaniques : o Lentes/rapides : 110 ms vs 50 ms o Libération énergie plus rapide (ATP, ATPase) o Rapides : RS plus développé o Lentes : endurantes o Coloration chimique ATPase (Type I, Type IIa, IIb) ▪ Différentes rapides - Proportions (moyenne) : Type IIb o 50 % - Type I o 25 % - type IIa Type I Type IIa o ~22% - type IIb o 1-3 % type IIc  Métabolisme et bioénergétique musculaire Les différentes cellules musculaires chez les sportifs : ▪ Invariants : o proportion grande de fibres I chez l’athlète d’endurance, o proportion grande de fibres de type II chez l’athlète explosif o Critères de performances mais pas seulement ▪ Grande variabilité : o Variabilité d’un muscle à l’autre : athlète d’endurance : 80% Ia dans le vaste interne, 50% dans le deltoide ▪ Génétique : o Grande part de la génétique o Modification modeste et progressive avec la pratique Métabolisme et bioénergétique musculaire  Métabolisme et bioénergétique musculaire Production d’ATP (adénosine triphosphate): ATP Base azotée ▪ Permet le transfère d’énergie des nutriments aux Phosphate muscles ▪ La formation d’ATP (phosphorylation) & son hydrolyse ont lieu dans la cellule musculaire ▪ Rupture entre les phosphates et le restant de la molécule libère de l'énergie, destinée au travail Ribose cellulaire. Hydrolyse de l’ATP ▪ Enzyme : ATPase ATP + H20 ▪ Trois systèmes de production très différents pour la Phosphorylation Hydrolyse production d’ATP ADP + AMP + H + o Voie aérobie – système oxydatif o Voie anaérobie lactique – système glycolytique o Voie anaérobie alactique – système phosphagène  Métabolisme et bioénergétique musculaire 3 systèmes de productions d’ATP : ▪ Système phosphagène - voie anaérobie alactique : o Fournit de l’énergie rapidement mais capacité faible o Dégrade la phosphocréatine (réservoir énergique de la voie) en créatine à partir d’une enzyme la créatine kinase (libération Pi) o Sans O2 et pas de production de lactate ▪ Système glycolytique - voie anaérobie lactique : o Glucose dégradé en pyruvate o Restriction en O2 (ex. haute intensité), pyruvate transformé en lactate o Fournit de l’énergie rapidement mais capacité faible ▪ Système oxydatif – voie aérobie : o En présence d’O2, le pyruvate transformé en Acéthylcoenzyme A (ou AA ou AG) o Cycle de Krebs et Phosphorylation oxydative produisant de l’ATP o Dans la mitochondrie o Produit beaucoup d’ATP Métabolisme et bioénergétique musculaire Système phosphagène 1 PCr = 1 ATP Métabolisme et bioénergétique musculaire Glycolyse Système oxydatif Glycogène 33 ATP  Métabolisme et bioénergétique musculaire Cycle de Krebs (cycle de l’acide citrique ou acide tricarboxylique) ▪ Oxydation complète Acétylcoenzyme A ▪ Nécessite : o Acétylcoenzyme A o NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide - coenzyme) o FAD+ (flavine adénine dinucléotide - coenzyme) o H20 ▪ Produit o 2 ATP o 3 NADH o 1 FADH2 o 1 CO2 o 1 H+  Métabolisme et bioénergétique musculaire Béta-Oxydation ▪ Triglycéride Trois acide gras + glycérol Ex. acide palmitique  Métabolisme et bioénergétique musculaire Chaîne de transport des électrons ▪ Ions H+ Milieu acide? ▪ Nécessite : o NAD+ o FAD+ o H+ ▪ Produit o 2,5 ATP (NADH) o 1,5 ATP (FADH2) o H2O o FAD o NADH  Métabolisme et bioénergétique musculaire Effort et systèmes de productions d’ATP : ▪ Les trois systèmes énergétiques contribuent à l’effort : Selon l’intensité, la durée et le décours de l’activité ▪ Effort maximal : o Les systèmes anaérobies dominent la 1ère min o Puis les besoins s’équilibrent entre anaérobique et aérobique (1 - 2 min équilibre, épreuve de 800 m) ▪ Effort supra-maximal : o Les systèmes anaérobies dominent o Sprint (100 m 200 m) : 50% voie lactique, 30 – 40 % alactique 10-20 % aérobique ▪ Effort sous-maximal : o Le système aérobie domine  Métabolisme et bioénergétique musculaire Effort et systèmes de productions d’ATP : ▪ Les pratiques sportives sont définies par les systèmes énergétiques impliqués ▪ Complémentarités de systèmes de production d’ATP ▪ Zone A Anaérobie alactique ▪ Zone B Anaérobie alactique-lactique ▪ Zone C Anaérobie lactique-aérobie ▪ Zone D Le système aérobie domine  Métabolisme et bioénergétique musculaire Source d’énergie – formation de l’ATP (phosphorylation): ▪ Oxygène ▪ Glucides & acides gras : o Absorption par le système gastro-intestinal o Transport par le sang o Ajout aux réserves du muscle ▪ Système aérobie : o Glycolyse (glucose/glycogène) o Bêta-oxydation (acides gras) ▪ Glucides : o Glucose/glycogène o Stock de 500-600 g (450-500 g glycogène musculaire, 50-110 g hépatique, 15 g sanguin) o Equivalent énergétique, 1 g 4 kcal ~ 2000 kcal o Dépend du régime glucidique  Métabolisme et bioénergétique musculaire Source d’énergie – formation du l’ATP (phosphorylation): ▪ Lipides : o Réserves triglycérides : 500 g muscle, 14000 g adipocytes, 0,4 g sang o Equivalent énergétique : pour 1 g 9 kcal (beaucoup d’atome H) ▪ Protides : o Pas la forme préférentiel o Effort long 5-10% énergie nécessaire o AA en glucose (foie, voie gluconéogenèse) o 1 g 4 kcal ▪ En somme : o Lipide : 4/5 des stocks d’énergie o Protide : 1/5 des stocks d’énergie o Glucide : < 1% mais prioritaire Métabolisme et bioénergétique musculaire  Métabolisme et bioénergétique musculaire Comment sont utilisées ces sources d’énergie? ▪ Au repos : o 60% provient des lipides, 35% des glucides, 5 % des protides ▪ Intensité d’exercice : o Plus l’effort est intense, plus la consommation de glucide est grande o Plus l’effort est faible, plus la consommation de lipide est grande o Croisement 35% VO2max (intensité modérée) o A intensité max, que glucose sang et glycogène musculaire ▪ Durée d’exercice : o Diminution des réserves glycogènes o La part des lipides augmentent avec la durée o Le glucose sanguin (glycogénolyse (glycogène) et gluconéogenèse hépatique  Métabolisme et bioénergétique musculaire Quelles fibres musculaires pour quelles substrats? ▪ Fibres lentes / oxydatives / type I : o Dominance du système énergétique aérobique o Résistante à la fatigue & endurante o Grand nombre de mitochondrie & d’enzymes oxydatives o Concentration élevé de myoglobine et en triglycéride o Très capillarisés o Force et vitesse développées limitées o Activité d’endurance ▪ Fibres rapides / de type II : o 2 sous types IIa et IIb o Dominance des systèmes énergétiques anaérobiques o Force et vitesse développées importantes o Peu de résistante à la fatigue o Produisent vite du lactate o RS développé : libération de Ca++ rapide o IIx glycolitique (donc + rapide et forte) o IIa : oxydatives glycolytiques (fibres intermédiaires) o Activité intense explosive  Métabolisme et bioénergétique musculaire Recrutements des Unités Motrices : ▪ Principe de recrutement par taille (loi de Henneman 1957) : o lorsque la force augmente, les UM plus petites sont d’abord recrutés o puis les plus grandes UM o inversement lorsque la force décroit o Les UM I ont des motoneurones plus petits… ▪ Sollicitations : o Augmentation de la force d’abord avec le recrutement des Ia puis IIa, IIx ▪ Fatigue : o Dégradation progressive et sensation de fatigue lors d’effort long : les IIa sont sollicitées lorsque les I subissent la déplétion du glycogène Régulation hormonale & nerveuse de l’exercice  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice Système nerveux autonome : ▪ Régulation homéostasie : maintien des constantes du milieu intérieur – Claude Bernard ▪ Rétrocontrôle négatif Parasympathique / Sympathique o Ex : la pression artérielle ▪ Hormones et contrôle nerveux ▪ Système parasympathique : o Favorise la digestion o Acétylcholine o Cardio-décélérateur ▪ Système sympathique : o Noradrénaline/adrénaline o Glandes surrénaliennes o Cardio-accélérateur o Mobilise les réserves lipidiques (lipolyse : réserve lipidique - AG) o Favorise l’activité mitochondriale (métabolisme aérobie)  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice Système endocrinien : ▪ Régulation homéostasie : maintien des constantes du milieu intérieur – Claude Bernard ▪ Rétrocontrôle négatif o Ex : glycémie ▪ Hormones : contrôle l’activité de cellules cibles ▪ Hormones stéroïdiennes o Proche du cholestérol (lipide) o Liposoluble o Diffusion transmembranaire facile o Ex : cortisol ▪ Hormones non stéroïdiennes o Non liposoluble o Diffusion transmembranaire impossible o Hormone peptidique ou acides aminés  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice A l’exercice : ▪ La libération d’hormone dépend de l’intensité et de la durée d’exercice ▪ Les catécholamines augmentent à l’exercice : o Augmentation contractilité cardiaque o Augmentation métabolisme o Augmentation glycogénolyse (glycogène en glucose) o Augmentation libération glucose et AGL o Augmentation pression artérielle et respiration o Vasodilatation & vasoconstriction  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice A l’exercice : ▪ La libération d’hormone dépend de l’intensité et de la durée d’exercice ▪ Les glucocorticoïdes (cortisol) augmentent à l’exercice : o Stimule la gluconéogénèse (formation glucose à partir composés non-glucidiques) o Augmentation de la disponibilité des AGL o Libération AA o Effet anti-inflammatoire o Diminution réaction immunitaire o Stimule la vasodilatation  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice A l’exercice : ▪ La libération d’hormone dépend de l’intensité et de la durée d’exercice ▪ Le glucagon (pancréas, augmente le glucose circulant) augmente à l’exercice : o Stimule la glycogénolyse (prod. Glucose à partir glycogène) ▪ La diminution de l’insuline à l’exercice (pancréas, diminue le glucose circulant) : o Augmente la perméabilité au glucose o Augmente la disponibilité des AGL o Diminue la glycogénogénèse (stockage de glucose en glycogène) o Inhibe la glycogénolyse (glycogène -> glucose)  Régulation hormonale & nerveux de l’exercice A l’exercice : ▪ La libération d’hormone dépend de l’intensité et de la durée d’exercice ▪ L’hormone de croissance augmente à l’exercice (hypophyse) : o Active le métabolisme des lipides (lipolyse) o Augmentation linéaire avec l’exercice ▪ La thyroxine (Thyroïde) : o Favorise l’entrée du glucose dans le muscle o Favorise la glycolyse et la néoglucogenèse o Favorise le métabolise des lipides  Conclusion La production de force : ▪ Correspond à un travail musculaire pliométrique (excentrique puis concentrique) ▪ Dépend du sarcomère (liaison actine myosine) du muscle strié squelettique ▪ Nécessite de l’ATP et du Ca++ ▪ Le flux Ca++ dépend du contrôle moteur alors que l’ATP fournit l’énergie nécessaire au travail musculaire ▪ Plusieurs voies métaboliques permettent la formation d’ATP dans la cellule musculaire ▪ Elles ont des contributions qui dépend de l’exercice auquel le muscle est soumis ▪ Elles sont régulées par les systèmes nerveux et hormonal Effet Testing  QCM Quelle(s) affirmation(s) est(sont) correcte(s) : 1 Les lipides ont peu d’intérêt au métabolisme du sportif 2 La proportion des lipides consommés diminue avec la durée de l’exercice 3 Les acides aminés peuvent être un substrat du cycle de Krebs 4 Le pyruvate ne peut pas être un substrat du cycle de Krebs Quelle(s) affirmation(s) est(sont) correcte(s) : 1 Le recrutement des UM se fait des UM lentes aux UM rapides 2 La gluconéogenèse transforme les acides aminés en glucide 3 La réponse motrice et le potentiel d’action ont la même latence 4 L’oxygène ne joue aucun rôle uniquement dans le système anaérobie alactique L’ATP : 1 Dispose de 2 groupements phosphate 2 Est hydrolysé pour libérer de l’énergie 3 Est composé d’un sucre 4 Est phosphorisé pour libérer de l’énergie  QCM Quelle(s) affirmation(s) est(sont) correcte(s) : 1 Les lipides ont peu d’intérêt au métabolisme du sportif 2 La proportion des lipides consommés diminue avec la durée de l’exercice 3 Les acides aminés peuvent être un substrat du cycle de Krebs 4 Le pyruvate ne peut pas être un substrat du cycle de Krebs Quelle(s) affirmation(s) est(sont) correcte(s) : 1 Le recrutement des UM se fait des UM lentes aux UM rapides 2 La gluconéogenèse transforme les acides aminés en glucide 3 La réponse motrice et le potentiel d’action ont la même latence 4 L’oxygène ne joue aucun rôle uniquement dans le système anaérobie alactique L’ATP : 1 Dispose de 2 groupements phosphate 2 Est hydrolysé pour libérer de l’énergie 3 Est composé d’un sucre 4 Est phosphorisé pour libérer de l’énergie