Pour comprendre comment peut se produire une activité physique, il est indispensable d’aborder la notion d’ENERGIE, car sans énergie, il n’y a pas de travail. L’étude de ces différents mécanismes est la BIOENERGETIQUE
Les nutriments (glucides, protides et lipides) ingérés par l’Homme et l’animal sont porteurs d’énergie. Leur utilisation va être à l’origine de l’ATP (adénosine triphosphate).
Cet ATP va permettre la production d’énergie mécanique (contraction musculaire, mouvement), d’énergie thermique (régulation de la température du corps), d’énergie à l’échelon moléculaire (déplacement des chromosomes lors de la mitose, transport de molécules), d’énergie électrique, mais également de chaleur (déperdition non énergétique).
Les cellules ne peuvent donc pas fonctionner sans ATP.
Quelles sont les principales sources d’ATP ?
- L’ATP (adénosine triphosphate) déjà contenu dans la cellule.
- La CP (créatine phosphate) en réserve dans la cellule.
- Les nutriments.
- L’ATP déjà contenu dans la cellule musculaire
L’ATP est la seule molécule connue dont l’énergie puisse être utilisée immédiatement lors de la contraction.
La dégradation de l’ATP avec production d’énergie correspond à une HYDROLYSE :
ATP + H2O à ADP + Pi + Energie
Où ADP correspond à l’Adénosine Di-Phosphate et Pi à l’ion phosphate et Energie à une quantité d’énergie qui permettra la contraction musculaire.
Problème : L’ATP musculaire n’existe qu’en petite quantité et la contraction musculaire produite ne peut donc pas durer plus de quelques secondes. Pour que l’exercice se poursuive, il est donc indispensable que cet ATP se resynthétise.
Comment ? En retrouvant une autre source d’énergie qui associée à l’ADP et au phosphate redonnera de l’ATP.
ADP + Pi + Energie à ATP
- La CP (Créatine phosphate)
Elle existe dans la cellule, et sa dégradation pourra fournir l’énergie nécessaire à la reconstruction d’ATP.
CP à C + Pi + Energie
Puis ADP + Pi + Energie à ATP à Contraction musculaire
Problème : Les quantités de CP sont limitées et cette source d’énergie dure de quelques secondes à 20 secondes.
Cette source d’énergie correspond au METABOLISME ANAEROBIE ALACTIQUE (ne nécessite pas ou peu de dioxygène et produit peu ou pas d’acide lactique).
- Les nutriments (glucides, lipides, protides)
Ils produisent eux aussi de l’énergie utilisable pour la reconstitution d’ATP.
A partir du glucose, c’est
Origine du glucose :
-le glucose circulant dans le sang,
-le glycogene : forme de réserve du glucose dans le muscle et le foie,
-le glucose reconstitué par la néo-glucogénèse c’est-à-dire la reconstitution du glucose à partir d’acides aminés, de lactate, de pyruvate et de glycérol.
Cette glycolyse correspond à l’oxydation du glucose en pyruvate.
Puis 2 voies possibles pour le pyruvate :
Sans Dioxygène
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Avec Dioxygène
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C’est le métabolisme ANAEROBIE LACTIQUE qui se produit dans le cytoplasme de la cellule et correspond à une fermentation.
Pour produire de l’énergie sans dioxygène, la cellule va transformer le pyruvate en lactate par oxydation du NADH + H+ en NAD+, ce qui produit une augmentation des ions H+ dans la cellule musculaire, d’où la sensation de fatigue.
Ces ions H+ vont modifier le pH de la cellule ce qui va perturber le fonctionnement des systèmes enzymatiques, donc une moins bonne performance de la cellule musculaire
La dégradation anaérobie du glucose produit peu d’ATP (2 molécules) car elle est incomplète (il reste beaucoup d’énergie dans les 2 molécules d’acide lactique)
Production d’énergie de courte durée (de 30 secondes à 1 ou 2 minutes).
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C’est le métabolisme AEROBIE qui se produit dans les mitochondries (organites intracellulaires) et correspond à une sorte de respiration cellulaire au niveau du cycle de Krebs.
Le pyruvate s’oxyde en perdant le groupe carboxyle sous forme de CO2 et l’unité à deux carbones restants (acetyl coenzyme A) rentre dans le cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs) puis phosphorylation oxydative.
A partir d’une molécule de glucose la mitochondrie permet la production de 36 à 38 molécules d’ATP, mais également production de déchets et CO2 mais aussi formation d’H2O permettant de lutter contre l
acidification et enfin déperdition de chaleur.
Production d’énergie de longue durée.
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A partir des autres nutriments
L’apport des glucides est le plus important mais n’est pas le seul, il y a aussi les lipides et les protides.
Ils ont un rôle non-négligeable dans la production d’énergie musculaire à partir de la voie aérobie, donc UNIQUEMENT EN PRESENCE DE DIOXYGENE.
Les protéines ont un rôle énergétique très modeste mais ont une fonction mécanique importante.
Ces trois voies ne se succèdent pas mais débutent toutes dès le départ avec un chevauchement progressif et ont un délai d’intervention progressif.
Prouvant que la voie anaérobie alactique est principalement utilisée lors de sprints courts, lancers, sauts, 50 et 100 mètres nage.
La voie anaérobie lactique (glycolyse ou glycogénolyse) fournit l’énergie par des exercices brefs et intenses dont la durée n’excède pas 2 minutes (200m, 400m course, 200 m nage libre).
La voie aérobie est principalement utilisée lors des exercices aérobies (plus de deux minutes).
à La libération de l’énergie chimique se fait de manière relativement lente, mais régulière, c’est un réservoir quasi inépuisable.
Les apports énergétiques :
- Les aliments sont constitués de nutriments utilisables par l’organisme
· Glucides : 55%
· Lipides : 30%
· Protides : 15%
- L’énergie apportée par un aliment est calculée par la formule
Masse protides x 4 + Masse lipides x 9 + Masse glucides x 4 + Masse éthanol x 7
- Les apports énergétiques conseillés (selon l’OMS) :
Hommes
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Femmes
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Activité habituelle
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2700 kcal/j
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2000 kcal/j
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Activité faible
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2100 kcal/j
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1800 kcal/j
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Activité forte
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3000 kcal/j
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2200 kcal/j
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Activité très forte
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3500 kcal/j
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2200 kcal/j
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Les apports varient donc avec le niveau d’activité.
Les dépenses énergétiques :
Le moyen habituellement utilisé pour les mesurer est la calorimètrie indirecte respiratoire : cette technique est basée sur le fait que toute l’énergie des nutriments est libérée par leur oxydation (avec consommation de dioxygène VO2 en L/min).
Les réserves énergétiques :
- En lipides : elles sont situées dans le tissu adipeux sous forme de triglycérides ; soit environ 60 000 kcal pour un individu moyen/ Ces réserves peuvent permettre jusqu’à 40 jours de jeune. Le tissu adipeux est surtout situé sous la peau, jouant un rôle d’isolant thermique.
- En glucides, sous forme de glycogène soit 75g dans le foie soit 300 kcal et 150 kcal dans les muscles, soit 600 kcal, soit au total 900 kcal (faible par rapport aux 60 000 kcal de triglycérides). Par contre, son avantage est d’être très rapidement disponible, et d’avoir un meilleur rendement.
Remarque : les lipides, très énergétiques sont plus faciles à stocker que le glycogène, qui nécessite d’être très hydraté (1 à 2g d’eau/g de glycogène) ce qui représenterait une masse de glycogène énorme à stocker par rapport à un même équivalent de réserve lipidique.
- En protides : correspondant à 20% du poids des muscles, soit
Adaptation des dépenses/Apports :
On définit l’homéostasie énergétique, c’est-à-dire qu’il doit y avoir un équilibre entre les apports énergétiques (et donc la production d’ATP) et les dépenses énergétiques (la consommation d’ATP).
L’organisme doit donc s’adapter aux conditions changeantes pour maintenir l’homéostasie énergétique.
L’exercice physique correspond à une situation de stress pour l’organisme et dont une perturbation de cette homéostasie. Il y a donc une augmentation brutale de la demande en énergie au niveau des cellules musculaires.
Donc pour compenser, il y a nécessité d’augmenter la production d’énergie et donc d’augmenter la consommation de dioxygène. Et pour cela, il y a la nécessité d’adapter le système cardiovasculaire et respiratoire.