(PMA) et de la consommation d`oxygène maximale (VO2max) – test

Physiologie des Grandes
Fonctions
[email protected]
INSERM, U1039
1
Consommation d’O2 et dépense
énergétique chez l’homme Adaptations respiratoires et circulatoires
à l’exercice
2
Objectifs
1. Etudier les adaptations respiratoires (VO2) et circulatoires (FC)
de l’organisme à l’activité physique,
2. Comparer les caractéristiques des filières énergétiques
mobilisées pour l’accomplissement de deux exercices
physiques différents.
3
Physiologie humaine
~1014 cells (~10 – 100 µm) in the human body [and 1015 bacteria (1-10 µm)]
Identical genotype – varying phenotypes
4
Metabolism
Set of chemical reactions that happen in
the cells of living organisms to sustain life.
Roles:
growth
and
reproduction,
preservation of structures, and response
to changes.
Catabolism breaks down organic matter.
Anabolism uses energy to construct
components.
5
Cellular source of energy
Adenosine triphosphate - ATP
6
7
8
Macroscopic & cellular respiration
9
Basal Metabolism
Basal Metabolism: 24 hr- energy need of a resting organism (kjoules or kcal)
Black et al.
1996
• BM in kCal
• P in kilograms
• T in meters
• A in years
Women
Men
• Heart
• Brain
• Respiration
• Digestion
• Preservation of constant body temperature
• ATP  ADP : -30.5 kJ/mol = -7,3 kCal/mol
• si MB = 1500 kCal/jour : ~200 moles d’ATP
• ATP : 507,2 g/mol
• MB  104 kg ATP / jour !!!
10
Evolution of basal metabolism over childhood
11
Muscle – Fibre - Filament
12
Muscular contraction
13
Molecular muscular contraction
14
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de
Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation
d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
15
Exercice 1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la
consommation d’oxygène de repos
Fréquence cardiaque de repos : on prend la précaution de maintenir au moins quelques
minutes de relaxation et de détente pour retrouver une fréquence cardiaque de repos.
Consommation d’oxygène de repos : le sujet est assis confortablement, jambes non
croisées, et respire par l’intermédiaire du tuyau relié au système de mesure.
L’expérience dure 5 minutes.
Valeurs déterminées ou estimées :
Fréquence cardiaque de repos en BPM
Consommation d’oxygène de repos en mL/min/kg
Dépense énergétique de repos en KCal/jour (1 kCal = 4.18 kJ)
Black et al.
1996
Women
Men
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• BM in kCal
• P in kilograms
• T in meters
• A in years
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de
Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation
d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique
(PMAA) – test de Sargent
Le test de Sargent permet de déterminer la puissance anaérobie alactique d'après le score du
saut vertical et le poids du sujet. L’exercice est répété 5 fois en prenant quelques dizaines de
secondes de récupération entre chaque saut.
La puissance anaérobie alactique s’obtient à partir de la formule :
PMAA = 2.2*poids (kg)* (D(cm))
(1 cheval-vapeur = 736 watts)
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Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de
Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation
d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de
la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
Le sujet règlera la hauteur de selle pour obtenir un confort de pédalage correct même en
fin d’épreuve. Le recueil de la fréquence cardiaque est réalisé à l’aide d’un
cardiofréquencemètre. L’épreuve est réalisée avec une incrémentation constante de 20
watts et pour une fréquence de pédalage fixe de 60 RPM. La durée de chaque palier est
de 2 à 3 minutes pour obtenir une fréquence cardiaque stable pour une durée d’épreuve
ne dépassant pas 15 minutes.
Le graphique représentant la puissance développée en fonction de la fréquence cardiaque
permettra de déterminer la PMA en utilisant l’estimation de la FC maximale du sujet selon
la formule de Tanaka H. et al. (J Am Coll Cardiol. 2001 ;37:153-56).
FCmax = 208-0.7*âge
La VO2max sera estimée considérant que :
1 Watt = 1 J.sec-1
1 litre O2 = 21 kJ
Rendement brut = 18.6%
Valeurs déterminées ou estimées:
Fréquence cardiaque maximale en BPM
PMA en Watts
20
Consommation d’oxygène max (VO2max) en mL/min/kg
FC (min-1)
180 W
FC4?
150 W
120 W
FC3?
90 W
FC2?
FC1?
60 W
0
~4 – 5 min
21
Temps (min)
FC (min-1)
FCmax
FC4
FC3
FC2
1 Watt = 1 J.sec-1
1 litre O2 = 21 kJ
FC1
Rendement brut = 18.6%
60
90
120
22
150
180
PMA? VO2 max?
P (W)
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de
Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation
d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test
de Ruffier-Dickson
Après être resté allongé environ 5 minutes au calme:
•
Prendre son pouls (P1)
• Réaliser 30 flexions complètes sur les jambes, bras tendus et pieds bien à plat sur
le sol, en 45 secondes et à allure régulière. Il est à noter que une fréquence de
montées et descentes trop rapides ou trop lentes modifierait la valeur finale du
test. Prendre son pouls juste après (P2)
• Se rallonger et reprendre son pouls 1 minute après la fin de l'exercice (P3)
Indice Dickson = ((P2-70) + 2(P3-P1))/10
24
Exercise intensity as a function of time
3 components
3 metabolic pathways
25
Three metabolic pathways
Non lactic, anaerobic
Lactic, anaerobic
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Aerobic
The non lactic, anaerobic pathway
• No oxygen – no waste
• ATP : 5 mmol/kg muscle - 2 to 3 sec – 85 g total
• CP : 15 mmol/kg muscle – ~10 sec
•Phosphagens re-synthesis : 70% / 30 sec, 100% / 3 to 5min
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The lactic, anaerobic pathway
28
Balance : 2 (glucose) or3 (glycogène) ATP molecule / glucose molécule
The lactic, anaerobic pathway
children vs. adults
29
Relative contributions of metabolic pathways to
energy production over the time course of exercise
30
The aerobic pathway
Contraction musculaire
31
Reminder
32
Exercise physiology
VO2 repos
VO2 max
FC repos
FC « max »
PM anaérobie
PM aérobie
Contraction musculaire
33
Contraction musculaire
Pulmonary oxygen exchange
34
Cellular energy production
Fatty acids
glucose
O2
acyl-CoA
glucose
Respiratory chain
acyl-CoA
glycogen
acetyl-CoA
pyruvate
3-4 ATP *
CO2
lactate
2 ATP *
ATP / P-Cr
intracellular pool
ADP
P-cr
myofibril contr action
* /glucose molecule
35
KREBS
AMP
Creatine
O2
NADH
FADH2
~30 ATP *
36
Energy storage: carbohydrates (sugars)
• 375 à 475 g of carbohydrate in the human organism.
• Muscular glycogen: 325 g (~ 15g/kg muscle)
• Liver glycogen: 90 -110 g
• Blood glucose: 15 -20 g.
• 4 Kcal /g of glycogen, i.e. ~ 1600 Kcal / individual (marathon:
700 Kcal/h)
37
Energy storage: lipids (fat)
Localization : adipose tissue
Amount : ~10 kg for a 70 kg male, i.e.
~90 000 kCal (= limitless)
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Energy expenditure
Course à pied
Energy potential of food
components
Kcal/h
Vitesse
500
Demi-fond
930
Fond
750
Marathon
700
Substances
Cyclisme
Sur piste
220
Derrière
entraîneur
330
Sur route
360
Sur route
vent debout
avec
600
39
Densité d’énergie
kJ/g
kcal/g
Lipides
37
8,9
Ethanol
(alcool)
29
6,9
Protéines
17,5
4,2
Glucides
16,5
4,0
Acides gras
13
3,1
Polyols
10
2.4
Fibres
8
1,9
Children vs. adults
Summary
• Capacité sudatoire enfant (thermorégulation) < adulte
• Mobilisation + rapide de la filière aérobie chez l’enfant
• Capacités anaérobie alactique et aérobie chez l’enfant similaires
à l’adulte
• Capacité anaérobie lactique enfant < adulte (LDH)
• Métabolisme basal enfant > adulte (x 2,5 relativement au poids)
• Fréquence cardiaque basale et max enfant > adulte
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