Bioénergétique et exercices musculaires (suite)

Physiologie GB PCEM2
Cours du 28/09 et 01/10 Thibault M.- Aulnay B.
Bioénergétique et exercices musculaires (suite)
1. Bioénergétique
1.1 Composition générale de l'organisme
a. L'eau
b. Matières organiques et minérales
1.2 Composition corporelle
a. Méthodes de détermination de la composition corporelle
b. Variations de la composition corporelle
c. Contrôle du poids
1.3 Détermination de la dépense énergétique
a. Méthodes de mesures de la dépense énergérique
b. La dépense énergétique de base
–Métabolisme de base
–La dépense énergétique de repos (DER)
–La dépense énergétique réglable
c. Les facteurs de variations de la dépense énergétique
–Thermorégulation
–Apport alimentaire
–Uncoupling protein et EPOC
–Exercice physique
2. Bioénergétique musculaire
2.1 ATP et exercice
2.2 Les différentes sources d'énergie du muscle
2.3 Les différents types de fibres musculaires
3. Dépense énergétique et aptitude physique
4. Adaptation cardio-respiratoire à l'exercice
1.3 Détermination de la dépense énergétique
b. La dépense énergétique de base
- Métabolisme de base
Il apprécie le minimum des besoins vitaux d'un organisme.La dépense énergétique varie (elle peut
augmenter et diminuer)par rapport à la valeur de référence (100 %). La « dépense énergétique de
base » est inférieure à la DER
Le métabolisme de base varie au cours de la journée. Il varie selon des rythmes circadiens, avec un
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minimum entre 3h et 5h du matin. C'est la valeur en-dessous de laquelle il ne faut pas descendre
pour ce qui est des apports alimentaires. C'est très important dans le cas où on diminue les apports
(régimes hypocaloriques): si les apports sont inférieures aux dépenses dues au métabolisme de base,
il y a danger, d'où la nécessité d'en encadrement très rigoureux pour ce type de régimes.
- La dépense énergétique de repos
C'est la valeur de référence, mesurée sur 24h. Elle est constante pour un individu donné, car prend
en compte les variations circadiennes du métabolisme de base. Elle permet donc de comparer les
individus.
Contraintes: - elle doit être mesurée en neutralité thermique (25°C pour un individu au repos)
- Le sujet doit être allongé sur le dos (décubitus dorsal), non stressé, à jeun depuis plus de 12h (avec
une alimentation la plus légère possible la veille au soir), et ne doit pas se lever avant la mesure.
Résultats:
–La DER est proportionnelle au poids à la puissance ¾
–Elle peut être rapportée à la surface cutanée (environ 40kcal/m2/h chez l'homme). On peut
l'apprécier en valeur absolue ou en pourcentage par rapport à une norme (à âge et sexe donnés)
–Le mieux est de la rapporter à la masse maigre (la valeur de référence, minimum vital, est fixée
à 30 +/- 3,5 kcal/kg de masse maigre)
–On peut l'exprimer en consommation d'o2, soit environ 150 à 300 mL d'O2 par minutes pour un
individu au repos
–On peut enfin la rapproter à 24h : avec des valeurs d'environ 1400 kcal (5500 kJ) chez la femme
de 40 ans, 65kg, 1m60 contre 1800 kcal (7500kJ) chez l'homme de 40 ans, 80kg,1m75
La dépense énergétique de repos (DER) varie avec l'âge et le sexe : elle diminue avec l'âge, dans les
mêmes proportions chez l'homme et chez la femme. Pour ce qui est du sexe, les différences sont
liées aux proportions de masse maigre : si l'on rapporte la DER à la masse maigre, on obtient les
mêmes courbes. Ces variations sont à prendre en compte en cas de régime alimentaires, et devraient
l'être lors de la consammation quotidienne (généralement inchangée au cours du vieillissement, ce
qui explique la prise de poids!)
Cette dépense énergétique minimum peut varier.
- La dépense énergétique réglable
Selon les conditions, internes ou externes à l'organisme (ex: stress, croissance, grossesse, froid,
digestion...), la dépense énergétique de repos (DER) va augmenter. L'augmentation est de 10 à 20%
selon les vacteurs.
La proportion de la dépensé énergétique globale est variable selon les organes:
–foie: 27% (presque 1/3 de la DER
–cerveau: 20%
–muscle au repos: 18% (mais les muscles peuvent détourner jusqu'à 80% en cas d'exercice)
–reins:10%
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–coeur: 7%
–reste des viscères: 19%
Rq: Rapportées à la taille des organes, ces porportions sont en fait à peu près identiques.
c. Facteurs de variations de la dépense énergétique
- Thermorégulation
La dépense énergétique augmente principalement lors de la lutte contre le froid. Dans ces
conditions, le métabolisme peut être accéléré par l'augmentation de la sécrétion de certaines
hormones : catécholamines et hormones thyroïdiennes qui vont stimuler le métabolisme. Si le froid
est intense, vont s'ajouter les frissons thermiques: contractions musculaires qui ne produient ni
mouvement ni force, mais chaleur. Il faut également noter le rôle isolant du tissu adipeux
- Apport alimentaire
Il entraine une augmentation de 10 à 15% de la DER dans les 3 à 6h suivant un repas. Cette
augmentation dépend de la quantité mais aussi de la qualité des aliments, quantifiée par l'ADS
(Activité dynamique spécifique) des aliments, qui représente le coût énergétique de stockage. Par
exemple, à calories égales, le fait de prendre un repas riche en protéines augmente beaucoup plus la
DER qu'un repas riche en glucides.
- Uncoupling protein et EPOC (Exces post oxygen consommation)
Il existe une part facultative de la dépense énergétique post-prandiale. Certaines personnes vont
dépenser plus d'énergie en post prandial que d'autres (part faculative de la DE plus faible que
d'autres personnes).
Cela vient de ce qui se passe dans la période de récupération d'un exercice, appelée l'EPOC
(consommation d'oxygène dans la période post exercice : normalement, elle augmente pendant
l'exercice, puis met un certain temps à revenir à la valeur de repos. Cette diminution se fait en 2
temps : une première pente due à la reconstitution du stock d'énergie et une deuxième très variable
selon les individus. Cette variabilité serait due aux protéines de découplage de l'énergie, protéines
qui vont faire s'emballer le métabolisme cellulaire. Il peut y avoir des cycles futiles (cycles
métaboliques qui produiront rien d'autre que de l'énergie, énergie qui se verra sur l'augmenttation de
la consommation d'O2, nécessaire au fonctionnement de ces cycles futiles). On considère qu'il
existe de grandes variations individuelles dans cette sensibilité de la part facultative de la dépense
énergétique post-prandiale. Ce serait une des causes de la génèse de l'obésité chez certains sujets
par rapport à d'autres.
Il existe un autre élément de variation : le degré d'entraînement. Plus on est entrainé, plus on
sollicite ces cycles futiles (le métabo énergétique tournant plus): on stimule ces protéines de
découplage, ce qui aide le sportif à maintenir son poids stable malgré des apports caloriques
importants. Mais si on arrête de s'entrainer, ça s'arrête: il grossit: il a l'habitude de manger beaucoup
et brûler beaucoup par l'exercice et par ce phénomène. Si il baisse seulement les calories liées à la
dépense lors de l'exercice, il restera ces 5 à 10% liés à ce phénomène. Il faut donc baisser plus
l'apport alimentaire que de ce qui était utilisé par l'exercice.
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- L'exercice physique
Chez un sédentaire (vie normale, pas d'activité physique régulière), le facteur d'augmentation de la
dépense énergétique lors de l'exercice est de 10 à 12 fois la DE de repos. Ca peut monter à plus de
20 fois la DE de repos chez un sportif.
L'exercice musculaire est le facteur le plus important qui va faire varier la dépense énergétique
2. Bioénergétique musculaire
Le muscle strié squelettique est l'effecteur de l'exercice. Les fibres musculaires sont
généralement représentées en coupe transversale. Elles sont très longues(toute la longueur du
muscle). Toutes les cellules sont entourées de capillaires qui rapportent l'02 nécessaire. Au sein de
la fibre musculaire, on a 2 protéines contractiles: la myosine qui est un filament: les molécules de
myosine vont se polymériser pour former un filament épaix, et l'actine,protéine globulaire qui vont
se polymériser pour faire un filament plus fin d'actine. Cet arrangement sous forme de filaments
imbriqués les un des autres est responsable de l'aspect strié de la fibre.
Entre ces 2 protéines contractiles, lors de la contraction par l'irruption d'ion CA 2+ au sein de la
fibre musculaire, le Ca va se fixer au niveau du site ATPase, un pont va être réalié entre la tête
d'une molécule de myosine et un élément globulaire du filament d'actine (ces 2 éléments sont
détachés au repos). L'énergie nécessaire à cette fixation actine-myosine est apportée par l'ATP,
seule source d'énergie du muscle.
2.1 ATP et exercices
L'ATP, c'est de l'adénine-ribose (adénosine) et 3 phosphates inorganiques qui ont entre chacun une
liaison riche en énergie, dont la lyse va apporter l'énergie nécessaire à la contraction.
L'ATP, en présence d'enzymes de l'ATPase va donner de l'ATP plus un phosphate inorganique, et
surtout de l'énergie, qui va être utilisée par le muscle pour se contracter.
2 types de réactions sont possibles par le muscle: - Une contraction avec déplacement (mouvement):
la contraction isotonique: la tension reste constante mais la longueur varie.
- Une contraction avec développement d'une force : la contraction isométrique : la tension va
augmenter et produire la force du muscle, alors que la longueur reste constante.
Quelle que soit la contraction, le rendement musculaire est très faible (entre 22 et 23%).
Les caractéristiques de l'ATP: - Source exclusive d'énergie pour le muscle
–Rendement faible (énergie libérée sous forme de chaleur à un peu moins de 80%)
–Paradoxalement, bien que source exclusive d'énergie du muscle, les réserves sont très faibles ( 5
mmol/kg de muscle, ce qui représente l'ATP nécessaire à un exercice de 2 à 4 secondes
–Le muscle l'utilise peu: la déplétion maximum (au maximum, ce que le muscle va perdre) est de
40% au repos
=> Il y a donc en permanence resynthèse d'ATP au cours d'un exercice.
Fin au 28.09 (Le WEI c'est trop cool, l'alcool c'est trop bon, les routes de montagne en marche
arrière c'est dément, les santards sont des conna*** (je déconne, j'adore l'oignon et la sardine).
Vive les perches, Vive les oeufs, la bièrobeurre, la verveine..Snif c'est déjà fini.
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2.2 Les différentes sources d'énergie du muscle
2 voies métaboliques vont tout au long de l'exercice produire de l'énergie:
–le métabolisme anaérobie
- alactique (produit pas d'acide lactique)
- lactique:la glycolyse anaérobie
–le métabolisme aérobie
Le métabolisme anaérobie alactique dépend d'une molécule riche en énergie: la
phosphocréatine PC. Il va y avoir transfert d'énergie: l'ADP va prendre à la PC son groupement
phosphate riche en énergie : ADP+PC --> C+ATP . La phosphocréatine est ainsi une source
d'énergie immédiatement disponible comme ATP (une PC fournit un ATP). Les réserves en PC sont
faibles (seulement 3 à 5 fois supérieures à celles de l'ATP). On a déplétion totale des réserves lors
d'un exercice supra-maximal.
Le métabolisme anaérobie lactique (glycolyse anaérobie lactique) part du glycogène
musculaire, dégradé en l'absence d'O2 en acide lactique (acide pyruvique réduit en lactate par la
lactate deshydrogénase). 3 ATP sont synthétisés lors de ces réactions. L'accumulation d'acide
lactique (H+) va cependant si elle a lieu entraîner une acidose musculaire pouvant entraîner un arrêt
de la contraction musculaire (qui survient si pH intra-musculaire < 6,4 ). Après l'effort, l'acide
lactique produit lors de l'exercice est oxydé (et ainsi détruit). Cette dégradation est plus rapide si un
exercice de faible intensité (35-65%) est réalisé pendant la récupération. Le métabolisme est en
effet stimulé et la dégradation plus rapide. Cette dégradation peut être améliorée en fournissant de
l'02 (nécessaire à l'oxydation).
Le métabolisme aérobie nécessite de l'oxygène, en présence duquel les substrats
énergétiques sont oxydés dans le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire (dans la mitochondrie).
–L'oxydation des hydrates de carbone (à partir du glycogène) fournit 39 ATP (en vrai c'est 38
car la glycolyse fournit que 2 ATP ). Les stocks de glycogène (600 à 800g) peuvent fournir
1200 à 2000 kcal (10000kJ) correspondant à un exercice d'environ 20mn.
–L'oxydation des graisses fournit en moyenne 140 ATP. Les stocks de graisse (environ 7000g)
peuvent fournir entre 70000 et 75000 kcal (350000 kJ) soit 70h d'exercice ininterrompu.
Cependant, l'oxydation des graisses nécessite plus d'O2 (Quotient Respiratoire QR=0,7 inférieur
au QR des glucides:1)et le rendement est donc moindre. On a donc ici une source d'énergie
inépuisable, mais dont la qualité énergétique est moindre.
–10% de l'énergie va pouvoir être prélevée dans les stocks protéiques, entraînant une production
d'azote et l'élimination d'urée. La source protéique n'est utilisée que dans les exercices de longue
durée.
Métabolisme anaérobie Métabolisme aérobie
Energie immédiatement disponible Source d'énergie quasi inépuisable
Rendement faible (1à3 ATP fournis) mais pas de
déperdition d'énergie
Rendement très élevé (39 à 140 ATP)
Efforts de courtes durées (environ 30s, 30s-3mn
pour la glycolyse)
Métab. Privilégié de l'exercice de longue durée
Rq: lors d'un exercice épuisant de 2mn, les 2 métabolismes sont autant sollicités.
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