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Sport et filières énergétiques

Sport et filières énergétiques

Comment notre organisme trouve-t-il de l'énergie pour contracter nos muscles et produire des mouvements ? Comment s'adapte-t-il selon le type d'effort et quelles sont ses limites ? Vous trouverez dans cet article toutes les bases physiologiques de la fourniture énergétique.


1. Les différents systèmes de fourniture d'énergie

Pour qu'un muscle puisse se contracter et créer le mouvement, l'organisme a besoin d'énergie. Celle-ci existe sous différentes sources, mais la seule que peut utiliser le muscle provient de molécules appelées
ATP. C'est la scission de ces molécules qui permet de libérer de l'énergie et de réaliser des mouvements. A chaque seconde d'exercice, ce sont plusieurs milliards de molécules d'ATP qui sont régénérées.

Le souci est que l'ATP n'est présent qu'en très faible quantité dans le muscle, et l'énergie libérée ne permet uniquement de réaliser des efforts inférieurs à 1 seconde. Pour effectuer des exercices de durée supérieure, il faut donc trouver des moyens pour resynthétiser l'ATP.

L'organisme dispose de 2 grands systèmes qui permettent d'extraire de l'énergie pour resynthétiser l'ATP:


1 système qui utilise la Créatine Phosphate

filière anaérobie alactique


La créatine phosphate (CP) est un composé énergétique présent dans les muscles. C'est la décomposition de la CP qui libère de l'énergie permettant la resynthèse de l'ATP. Cette filière n'a pas besoin d'oxygène pour fonctionner (anaérobie) et ne produit pas d'acide lactique (alactique). C'est donc la 1ere voie qui va fournir de l'énergie au début d'un exercice d'intensité élevée. Elle permet d'obtenir une grande quantité d'énergie dans un laps de temps très court, mais les réserves de CP sont faibles et sont rapidement épuisées en 7 à 15s d'effort intense. Elle va donc être utilisée à pleine puissance lors de sprint par exemple. Pour réaliser des efforts de durées plus importantes, c'est l'autre grand système qui va devoir prendre le relais.


1 système qui utilise les glucides et les lipides

filières anaérobie lactique et aérobie


Les glucides et les lipides sont des nutriments apportés par notre alimentation. Ce système comprend deux filières qui sont imbriquées l'une dans l'autre et qui fonctionnent en synergie :

- La 1ère partie du système est composée de réactions anaérobie (qui ne nécessitent pas d'oxygène) qui produisent de l'acide lactique :
filière anaérobie lactique

- La 2nde partie du système est composée de réactions aérobie (avec apport d'oxygène) qui ne produisent pas d'acide lactique :
filière aérobie

L'avantage de ce second système, c'est que les glucides et lipides peuvent être stockés en quantité importante dans l'organisme. C'est la dégradation de ces nutriments qui va permettre d'extraire de l'énergie, et c'est donc le système principal que l'on utilise dans la vie de tous les jours pour exécuter des actions. Les glucides sont dégradés dans les deux filières alors que les lipides ne peuvent être dégradé que dans la 2ème partie de ce système, c'est-à-dire par la filière aérobie.

Regardons plus en détail le fonctionnement de ce système.



2. Le système d'oxydation des nutriments

L'énergie qui va permettre de resynthétiser l'ATP est en fait contenu dans un seul atome, le plus simple de la table des éléments,
l'hydrogène (H+). Petit rappel qui ne va pas faire de mal, l'atome d'hydrogène est constitué d'un seul proton et d'un électron. Les réactions que l'organisme fait subir aux nutriments ont pour but d'extraire ce proton et son électron pour libérer de l'énergie.

Mais si l'hydrogène permet d'apporter de l'énergie, il est également responsable de l'acidité qui empêche le muscle de se contracter convenablement. Cette acidité est la caractéristique principale qui différencie les 2 filières :

-
La filière anaérobie lactique va extraire les atomes d'hydrogène en créant de l'acidité, donc cette filière ne pourra être dominante que pendant un court instant. Elle a l'avantage de pouvoir être mise en place rapidement car les réactions qui la composent sont rapides et n'ont pas besoin d'attendre la mise en place du système cardiovasculaire.

-
La filière aérobie va avoir les moyens, grâce à l'utilisation d'oxygène, d'extraire les atomes d'hydrogène et de récupérer leur énergie sans entraîner l'acidité de la cellule musculaire. Elle peut donc fournir de l'énergie pendant de très longues périodes, mais sa mise en place est plus longue et les réactions chimiques qui lui sont associées sont plus lentes, donc elle ne sera prédominante que si l'effort est peu intense.

Nous allons commencer par décrire la dégradation des glucides, qui est le nutriment préférentiel d'un exercice physique, car il peut être utilisé par les 2 filières, et qui nous permettra de comprendre la synergie entre ces 2 filières. Puis nous nous intéresserons dans un second temps aux lipides, qui peuvent être brûlés uniquement dans la filière aérobie, après avoir subi quelques transformations.


2.1 L'oxydation des glucides

Après digestion, les glucides sont transformés en glucose. Celui-ci est stocké sous forme de glycogène dans les muscles et le foie.

Pour être utilisé, le glucose est obligé de subir en 1er lieu les réactions de la filière anaérobie lactique :
c'est la glycolyse anaérobie, qui consiste en une série de réactions d'oxydation et de dégradation du glucose. L'ensemble de ces réactions, qui rappelons le ne nécessite pas d'oxygène, aboutit à la libération d'un atome d'hydrogène et à la formation d'un composé appelé pyruvate.

Pour ne pas provoquer d'acidité dans le muscle, l'atome d'hydrogène va se lier à des transporteurs nommés NAD (NAD + H --> NADH), qui vont l'emmener dans un lieu appelé chaîne respiratoire, situé dans un organite spécialisé du muscle, la mitochondrie. Nous le verrons plus loin, c'est dans cette chaîne respiratoire que l'énergie contenue dans l'hydrogène va pouvoir être extraite. La présence de NAD est donc capitale pour que la glycolyse anaérobie puisse se produire et fournir de l'énergie.

Le pyruvate produit, quant à lui, ne va pas entrer dans la mitochondrie. Arrivé à ce stade, il y a 2 possibilités :

  • Si la demande énergétique n'est pas très élevée (effort d'intensité moyenne)


Le pyruvate se transforme en acétylCoA et pénètre dans la mitochondrie. L'acétylCoA va subir une série de réactions appelés " cycle de Krebs " qui va libérer du CO2 et des atomes d'hydrogène. Les atomes d'hydrogène vont se liés aux transporteurs NAD, qui vont les emmener, comme lors des réactions de la glycolyse anaérobie, dans la chaîne respiratoire. C'est ici que l'électron va être séparé de son proton et va être vidé de son énergie pour permettre de reformer l'ATP.

A la fin de la chaîne respiratoire, l'électron retrouve son proton et va se lier à l'oxygène pour former de l'eau (H2O). L'oxygène permet donc de ne pas entraîner l'acidité du muscle. Le NAD est régénéré par la mitochondrie, c'est à dire qu'il est libéré de son d'atome d'hydrogène : il va donc pouvoir retourner chercher d'autres atomes d'hydrogène.

=> La vitesse de dégradation des substrats dans le cycle de Krebs est lente, donc tous les H+ libérés peuvent se lier au NAD et aller dans la chaîne respiratoire. Il n'y a donc pas d'acidité produite.


  • Si la demande énergétique est très élevée (effort intense)


Les réactions de la glycolyse anaérobie vont tourner à plein régime, beaucoup plus vite que celles se déroulant dans le cycle de Krebs. Les transporteurs NAD ne sont donc pas régénérés assez rapidement par la mitochondrie, et ne peuvent pas prendre en charge tous les atomes d'hydrogène extraits de la glycolyse anaérobie. Les H+ s'accumulent.

Pour les mêmes raisons, tout le pyruvate produit ne peut pas se transformer en acétylCoA et passer dans la mitochondrie donc il s'accumule.

Pour aller plus vite et répondre à la demande, le NADH (transporteur NAD auquel est attaché un atome d'hydrogène) ne va alors pas passer dans la mitochondrie et va donner directement son atome d'hydrogène au pyruvate. Ainsi le NAD est régénéré plus rapidement et il peut retourner chercher d'autres H+ : la glycolyse anaérobie peut donc continuer.

Cependant,
l'hydrogène en se liant au pyruvate va former de l'acide lactique, qui va se dissocier en ions lactates et H+, ce qui va entraîner l'acidité du muscle.

=> Pour que la glycolyse anaérobie puisse continuer, il faut impérativement du NAD pour emmener les atomes d'hydrogène dans la chaîne respiratoire. Lors d'un effort intense, quand le NAD n'est pas régénéré assez rapidement par la mitochondrie, on crée du lactate pour régénérer le NAD. Mais on crée aussi de l'acidité qui va bloquer la contraction musculaire en limitant le système enzymatique. Le sportif va donc devoir diminuer son effort. Il est important de noter que ce n'est donc pas directement l'acide lactique qui limite l'effort, mais bien l'accumulation d'atomes d'hydrogène.

=> La filière anaérobie lactique et la filière aérobie sont donc liées car si la glycolyse permet d'extraire des H+ en anaérobie, ces derniers ne pourront fournir de l'énergie que dans la chaîne respiratoire, c'est-à-dire dans l'espace aérobie. Le substrat qui fait le lien entre les deux filières est l'acide lactique. Il est formé pour palier à la différence de vitesse qui existe entre les deux filières.

Cet acide lactique n'est pas forcément un déchet, car sa formule chimique est similaire à celle des sucres. Une fois produit, il peut donc être réutilisé par l'organisme pour fournir de l'énergie. Il peut :

- rejoindre la circulation sanguine, et être consommé soit par le cœur qui est le 1er consommateur de lactate de l'organisme ; soit par le foie et être transformé en glycogène, soit par les muscles non sollicités par l'exercice.

- ne pas rejoindre la circulation sanguine et rester dans le muscle : il peut se retransformer en pyruvate, ou bien être consommé par certaines fibres musculaires (fibres oxydatives) situées dans le même muscle que les fibres productrices de lactate.


2.2 L'oxydation des lipides

Les lipides sont stockés sous forme de triglycérides dans les cellules graisseuses appelées adipocytes. Pour les utiliser, il faut d'abord les transformer en acide gras par une série de réactions : c'est la lipolyse.
Les acides gras peuvent ensuite circuler dans l'organisme et rejoindre les fibres musculaires. Ils vont alors être oxydés pour former de l'acétylCoA, puis vont pourvoir subir par la suite les mêmes réactions que les glucides dans le cycle de Krebs.

L'énergie extraite à partir des lipides se fait uniquement grâce la filière aérobie, et leur utilisation ne produit donc jamais d'acidité. Mais nous l'avons vu, cette filière aérobie tourne lentement et ne peut pas fournir d'énergie rapidement. De plus, la dégradation des lipides pour former de l'acétylCoA est très longue. Ces deux caractéristiques font que les lipides ne pourront jamais fournir d'énergie pour des efforts intenses.


Conclusion sur les filières énergétiques

=> Selon le type d'effort, c'est l'une ou l'autre des filières qui va être dominante pour extraire l'énergie nécessaire à la resynthèse de l'ATP. D'une manière générale, plus l'effort est long et plus l'intensité est faible, donc plus la proportion d'énergie fournie par voie aérobie est prédominante. Ci-dessous un tableau des proportions moyennes de participation des deux filières selon le type d'effort en course à pied.

 

800m

1500m

3000m

5000m

10km

21.1km

42.2km

aérobie

50%

60%

85%

90%

95%

97%

99%

anaérobie

50%

40%

15%

10%

5%

3%

1%


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