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1

MŽtabolismes anaŽrobie et aŽrobie

L2 UE 41.A

Biologie de la performance

robin.candau@univ-montp1.fr

Plan gŽnŽral Plan GŽnŽral

¥Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

¥MŽthodes et techniques de mesure (2) ¥Facteurs limitants de la performance et mŽthodes de

dŽveloppement (3)

Bibliographie conseillŽe : 1.Lacour JR, Edition Masson, 1992. Biologie de lÕexercice musculaire, Chap. 2 Aspects

intŽgratifs du mŽtabolisme anaŽrobie.

2.Monod H. & Flandrois R., Edition Masson, 1997. Bases physiologiques des APS (4¡

Ždition)

3.Favier F, Candau R, La douleur Sport et vie 129 pp12.pdf (Exam) 4.Philippe A, Sanchez AMJ, Candau R Sport et vie 143 pp 20 StratŽgie dՎpargne.pdf

(Exam)

Introduction

Tout sŽdentaire actif (VÕO

2max

= 45 ml/min/kg), possŽdant aussi un cožt ŽnergŽtique moyen (0,20 ml/kg/m) est capable de courir pendant 7 min ˆ VO

2max

VMA = (VO

2max - VO

2repos

)/C = 40 / 0,20 = 200 m/min = 12km/h. Naturellement, il es capable de courir 2 fois plus vite lors dÕun sprint

Existence dÕun mŽtabolisme anaŽrobie

Profil explosif

¥Travail mŽcanique sprint :

W = Wcin + Wcm = 11,1 kJ ¥Puisssance mŽcanique : WÕ = W/t = 2,8 kW ¥Puissance mŽtabolique correspondant ˆ VO2max

PMA = VO2max/60*21,3*m/1000 = 1,8744 kW (VO2max= 60ml/min/kg) ¥ Puissance mŽcanique correspondant ˆ VO2max PMA mŽca = PMA*0,50 = 0,9372 kW %PMA mŽca = 2,78 / 0,9372 = 2,97

Profil explosif ou dÕendurance?

¥Profil = Vitesse de sprint / VMA

¥Profil = 47 / {(60-5)/0,20/1000*60)} = 47 / 16,5 = 2,8 0 5 10 15 20 25
30
35
40

0100000200000300000400000500000600000

t (s) v (km/h)

Vitesses maintenues lors des records du monde

45 s 7 min 1 h

la vitesse donc la puissance diminue beaucoup pour t<7 min Existence dÕune source dՎnergie limitŽe

Concept de capacitŽ anaŽrobie

2 ¥PrŽsence de lactate dans les muscles du gibier forcŽ (Dubois-Raymond, 1874) ¥Intoxication ˆ lÕiodo-acŽtate dÕun muscle anoxique

bloque la glycolyse mais contraction musculaire encore possible (Lunsgard, 1934) Existence dÕun mŽtabolisme anaŽrobie : PCr et Glycolyse

Vue intŽgrŽe du mŽtabolisme anaŽrobie et aŽrobie lÕutilisation de PCr la glycolyse anaŽrobie

Bigard, 2010

Ferraro et al., 2014

5 10 15 20 25
30
35
40

02468101214

ln Temps (s)

Vitesse (km/h)

¥Puissance : 0,2 ˆ 60s (dŽbit dՎnergie) ¥CapacitŽ anaŽrobie de 1 ˆ quelques minutes minutes (quantitŽ totale dՎnergie mobilisŽe)

¥Puissance anaŽrobie ¥CapacitŽ anaŽrobie ¥CapacitŽ anaŽrobie ¥VO

2max

¥VO

2max

¥Endurance

¥VO

2max

¥ultra-endurance

0 5 10 15 20 25
30
35
40

0100000200000300000400000500000600000

t (s) v (km/h)

Vitesses maintenues lors des records du monde

1 min 7 min 1 h

DŽfinitions

¥La puissance anaŽrobie reprŽsente le dŽbit maximal dՎnergie assurŽ par les seuls processus anaŽrobies (J/s).

¥La capacitŽ anaŽrobie reprŽsente une quantitŽ maximale

dՎnergie mobilisŽe (J) ˆ partir du mŽtabolisme anaŽrobie. Elle est pleinement mobilisŽe pour des exercices ˆ conduit jusquՈ lՎpuisement pour des durŽes comprises entre 1 et 7 minutes.

Plan

Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

3

Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

corrigŽe

Glycolyse MŽtabolisme aŽrobie

Puissance consommŽe

<1ÕÕ 6ÕÕ 3Õ 7Õ

MŽtabolisme

Puissance Pic Epuisement

ATP ~ instantanŽe <1s

Phospho crŽatine

<1s ~ 6s

Glycolyse

Quelques s ~ 1min

AŽrobie

~1-3min ~ illimitŽ

Bigard 2010

1.[ATP] suffisante pour exŽcuter 1 saut vertical

2.[PCr] R™le tampon sur le plan

ŽnergŽtique

¥[ATP] repos = 4,5 ˆ 5,5 mmol/kg de muscle frais

¥[ATP] nÕest pas augmentŽe par

lÕentra"nement ¥[ATP] ne descend pas en dessous de 50% de sa valeur de repos ˆ lՎpuisement. DŽplŽtion locale  rigor  crampes?

Hydrolyse de lÕATP : Aspects quantitatifs

Plan

Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

Rappel : Žtapes mŽcaniques et chimiques de lÕhydrolyse de lÕATP http://bio.winona.edu/berg 4

4 Etapes essentielles

Attachement

Production de force A faible charge DŽtachement Clivage de lÕATP

Kent university

2.7 m < 1 m

RŽgime de contraction

Vitesse max de raccourcissement Force max de raccourcissement Consommation dÕATP (mol/mol) Temps (s) Temps (s) relax

Concentrique ˆ vitesse max IsomŽtrie

Puissance chimique 3 x supŽrieure en concentrique par rapport ˆ lÕisomŽtrie : Manifestation de lÕeffet Fenn

Equilibre acide-base

2 ATP +2 H

2

0 "# 2 ADP + 2 Pi + 4 H

+ O 2 Contribue ˆ la chute du pH et ˆ la fatigue musculaire Plan

Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

PhosphocrŽatine

R™le tampon de la PCr (sur le plan ŽnergŽtique) http://www.uoregon.edu

Glycolyse MŽtabolisme aŽrobie

Effet dÕune prise de crŽatine

0 110 120 130 140 0 10 20 30 40 50 60 0 60 70 80 90 Cr.tot (mmol/kg) CrŽatine PlacŽbo Cr.libre (mmol/kg) PCr (mmol/kg)

Effet sur la perf chez les sujets sŽdentaires

5

PhosphocrŽatine

R™le tampon de la PCr (sur le plan ŽnergŽtique) http://www.uoregon.edu

Glycolyse MŽtabolisme aŽrobie

Whipp et al., (1999)

PCr et mŽtabolisme aŽrobie

[PCr] lÕimage en miroir de VÕO 2 lien existant entre respiration et PCr

Mitochondrie Myofilaments

T ADP ATP ADP ADP ADP ATP ATP ATP ATP PCr PCr PCr Cr Cr Cr

H + H + H +

CK mi Transfert dÕenergie ADP

Transfert dՎnergie du lieu de production vers son lieu dÕutilisation

Bigard 2010

NB. Hypoxie ++ et Intervalles +++

En pratique

1.Lien direct entre mŽtabolisme aŽrobie et phosphocrŽatine

2.lÕentra"nement en sprint permet Žgalement de

3.les fibres rapides sont aussi capables de

T ADP ATP ADP ADP ADP ATP ATP ATP ATP PCr PCr PCr Cr Cr Cr H + H + H + CK mi energie transfer ADP sports collectifs

PCr + ADP + H

 Cr + ATP

CrŽatine kinase

PCr : R™le tampon dans le maintien de lՎtat ŽnergŽtique de la cellule et de lՎquilibre acide-base

PhosphocrŽatine

2 ADP  ATP + AMP

Myokinase

Existence dÕune puissance anaŽrobie alactique? Hirvonen et al. (1987) Eur. J. Appl. Physiol. 56, 253-259.

PhosphocrŽatine et vitesse de sprint

6

6 seconds

ATP PCr Glycolyse O

2

ATP used, mmol.kg

-1 (dry).s -1

0 5 10 15 1,2 7,4 6,6 7,5% 5,5% 46,0% 41,0% 0,9

Gaitanos et coll, J Appl Physiol, 1993; 75: 712-9

DurŽe de rŽcupŽration (min)

8

Concentration Musculaire (%)

100 80 60 40 20 0

Muscle pH

7,1 7,0 6,9 6,8 67 6,6 0 2 4 6

Rest

Muscle [La]

Muscle [PCr] Bogdanis et al. J Physiol 1995; 482: 467-80

1.Pour un saut (0.2 s), [ATP] suffisante

s dÕun sprint la glycolyse assure 50% de la puissance totale

3.Pas de corrŽlation entre [PCr] et perf (de 0,2 ˆ 8s) 4.CorrŽlation [lactate] et perf du 100 au 400m

PCr = puissance anaŽrobie alactique

Plan

Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

Glycolyse et mŽtabolisme aŽrobie

Glucose

Pyruvate Mitochondries Lactate ATP ATP ¥50% du glucose sanguin est utilisŽ par le cerveau

¥ Les hypoglycŽmies sont dangereuses Les cellules cancŽreuses sont essentiellement glycolytiques (pourquoi?)

Implications pratiques

7

Glycolyse

10 Žtapes contr™lŽes chacune par une enzyme diffŽrente

¥Etape 3, PFK, enzyme

limitante contr™lŽe par F1-6-bisphosphate, [ATP], [ADP],

¥LՎtape 4 permet de scinder

le sucre ˆ 6 carbones en 2 x 3 carbones

¥Etape 6 # NAD joue son

r™le de transporteur dՎnergie

Activation Clivage

Bilan ŽnergŽtique

¥ 2 ATP

¥ 2 Lactate ¥ 2 H

2

0 ¥ 2 NADH

H AltŽration de lՎquilibre acide-base Pour une mole du glucose :

GlycogŽnolyse et glycolyse

+ vue intŽgrŽe de lՎnergŽtique

NAD"# NADH, plusieurs ŽlŽments importants

1.R™le de coenzyme (nŽcessaire ˆ la glycolyse) dÕoxydo-rŽduction (nŽcessaire au mŽtabolisme aŽrobie)

2.Transporteur dՎnergie sous forme dՎlectron en acceptant

3.NADH est un composŽ ˆ haute Žnergie et NAD est un

composŽ ˆ faible Žnergie, comme pour la paire ATP/ADP

4.Une cellule peut rapidement transformer tout son NAD en

NADH car NAD est en faible quantitŽ (limitŽe) # pbm (Nicotinamide AdŽnine DinuclŽotide) Žlectrons et son proton au pyruvate et redevient NAD

7.NAD est synthŽtisŽ ˆ partir de

la vitamine B Glycolyse

LDH : enzyme clef

¥LDH de type muscle en faveur de la formation de lactate

¥LDH de type coeur en

faveur du pyruvate Lactate dŽshydrogŽnase 8

Glycolyse et performance

1.CorrŽlation entre [lactate] et performance dans le sprint

2.CorrŽlation entre gain de performance et activitŽ de la

PFK et de la LDH deux enzymes clefs de la glycolyse s dÕun sprint la glycolyse assure 50% de la puissance totale

25 20 90 100

Performance sur 400 m (% meilleure perf) LactatŽmie (mM)

R™le majeur dans le sprint

Rappel : rendement musculaire anaŽrobie

" musculaire 1,5%

E Glucose 2867 kJ

E ATP

2 x 48 kJ

Chaleur

E mŽcanique 48 kJ

Chaleur

" thermodynamique 50%

Plan gŽnŽral Plan GŽnŽral

¥Processus mŽtaboliques mis en jeu (1)

¥MŽthodes et techniques de mesure (2) ¥Facteurs limitants de la performance et mŽthodes de

dŽveloppement (3)

Bibliographie conseillŽe : 1.Lacour JR, Edition Masson, 1992. Biologie de lÕexercice musculaire, Chap. 2 Aspects

intŽgratifs du mŽtabolisme anaŽrobie.

2.Monod H. & Flandrois R., Edition Masson, 1997. Bases physiologiques des APS (4¡

Ždition)

3.Favier F, Candau R, La douleur Sport et vie 129 pp12.pdf (Exam) 4.Philippe A, Sanchez AMJ, Candau R Sport et vie 143 pp 20 StratŽgie dՎpargne.pdf

(Exam)

MŽthodes et techniques de mesures (2)

¥Puissance anaŽrobie

¥CapacitŽ anaŽrobie

Mesures directes ou indirectes ?

Mesure DIRECTE possible en thŽorie

¥Biopsie MŽthode directe

labiles

LimitŽe ˆ la pŽriphŽrie du muscle

RŽsonance MagnŽtique NuclŽaire (RMN) : Une solution ? - Cependant technique limitŽe ˆ lՎtude de petits groupes musculaires.

Recours ˆ des techniques indirectes

+ CinŽtique des concentration intramusculaires en nuclŽotides, pH et PCr 9

Mesure de l Վnergie mŽcanique

E chimique substrats

E mŽcanique

Chaleur

E ATP

Chaleur

Mesure directe

Mesure indirecte Juste une petite fraction de la puissance consommŽe est apprŽciŽe WÕpot = m g #h /t

Facteurs de variation de la puissance mŽcanique

1.DurŽe de l Õexercice

Records du monde

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 8000 10000 T (s) Puissance mŽtabolique (W/kg)

ComplexitŽ de la coordination ¥DifficultŽ de la t‰che motrice

¥Coordination agonistes et antagonistes ¥Recrutement dÕun maximum dÕunitŽ motrice sur

un cours laps de temps

ComplexitŽ de la coordination

P mŽcanique utile

Chaleur

P musculaire Souvent oubliŽe

1.Orientation des forces

2.Coordination Agonistes-

antagoniste Seule une partie de la puissance musculaire est vraiment utile

Tests de dŽtente verticale

1.Hauteur atteinte (facteur coordination important)

Principe de la mesure

(WWW.kistler.com) m mgF av =vH FvW= mesurŽeforceF..=

Force Vitesse Hauteur Puissance

Grande prŽcision car simple intŽgration des signaux :

Žquations de la dynamique utilisŽes

10 #H

Test de Margaria

Wpot = m g #h WÕpot = Wpot / t

+ simple et amusant coordination - relation force-vitesse non- dŽterminŽe Ex : Ppot = 100 x 10 x 0.3 / 0.3 = 100 x 10 = 1000 W

Fin ici

Jauge de contrainte # F

friction

Capteur de vitesse # accŽlŽration

Ergocycle de sprint

m WÕ = (F friction + F intertie ) v = (F friction + m a) v

1.0 0.5 1.0 0.5 V pŽdalage (V/V0) F (F/F0) P mŽcanique (FV) 1.0 Vopt 0.5

Relation force-vitesse

1.F0 = Force max isomŽtrique

2.V0 = vitesse max

de raccourcissement

3.Vopt = Vitesse

optimale pour laquelle la puissance est max

4.Pmax = Puissance

max Pmax 1.0 0.5 1.0 0.5 V pŽdalage (V/V0) F (F/F0) P mŽcanique (FV) 1.0 Vopt 0.5

Applications

1.Principe de spŽcificitŽ

2.DŽveloppement

de la puissance ˆ  de la force max

3.Combinaison exo

de force et vitesse (Bulgare)

4.Orientation des

gain de force dans lÕactivitŽ Pmax

Sports de Force Sports de Vitesse

Force-vitesse sur le muscle isolŽ

Relation Force-Vitesse :

2000 1500 1000 500 Force (N) Vitesse (cm/s) 20 40 120 100 80 60

Pmax V

0 (P+a)(V+b)=a(V 0 +b)=b(P 0 +a) P 0

Puissance Equation de Hill :

Pour le muscle isolŽ et pour les mouvements mono-articulaires, la force optimale intervient ˆ 1/3 de V0 Force Vitesse

Tapis de sprint

+ relation force-vitesse peut tre caractŽrisŽe - dispositif cožteux - course un peu ŽloignŽe de la course rŽelle

WÕcin = F v

WÕpot = (m g #H)/t = m g (sin$ l)/t

l l #H $ (sin$ l) = #H 11

13m/s =47km/h

Quelle est la puissance dŽveloppŽe pour accŽlŽrer le centre de masse pendant la phase dÕaccŽlŽration ? m= 88 kg WÕcin =  m (vmax" -Vmin")/t =  . 88 (13" - 0") /4 =1859 W WÕstabilisŽe = Cm m V = 2 .88 . 7 = 1232 W WÕmŽca = 3091 W pendant 4s 

Radar

Evolution de la vitesse en sprint

Speed (m/s)

0 2 4 6 8 10 12 14

01234567891011

Time (s)

laser+vidŽo model

Male World Champion (MWC)

Puissance nŽcessairement consommŽe (WÕ aŽrodynamique + WÕ cinŽtique + WÕ VstabilisŽe) Puissance des mŽtabolismes anaŽrobie et aŽrobie

Puissance maximale anaŽrobie

RŽsistance (#2) CapacitŽ anaŽrobie

A partir dÕune simple analyse vidŽo il est possible de quantifier les aptitudes fondamentales au sprint

Puissance dans le sprint (Arsac et Locatelli, 2002) Simulation : Importance des diffŽrentes aptitudes sur 100 m

Puissance anaŽrobie, Pmax,> technique de course ,c, > rendement du stockage restitution dՎnergie Žlastique, " , > rŽsistance, % 2 , > qualitŽs aŽrodynamiques, k

GriffŽ rebond

Vitesse de montŽe en force

¥Vitesse de largage du Ca

2+ ¥Vitesse de bascule des ttes de myosine

Vitesse de montŽe en force (s

-1

Vitesse de relaxation (s

-1

DonnŽes quantitatives

Puissance mŽcanique explosive

¥En haltŽrophilie sprint, 40 ˆ 70 W/kg pour la puissance mŽcanique dŽveloppŽe ¥Saut vertical sans charge, la puissance atteinte par les individus jeunes et actifs est en moyenne de 20-30 W/kg.

¥Sprint sur tapis > 20 W/kg. ¥Muscle des ailes des oiseaux : > 200 W/kg (lÕhomme arrive ˆ voler

avec 300W pour 10 kg de muscles actifs soit 30 W/kg de muscle actifs).

CapacitŽ anaŽrobie

Quantification indirecte :

1.DŽficit maximal en O

2

2.MŽthode de Margaria (1971) avec variation de

lactatŽmie 12

DŽficit maximal cumulŽ en O

2

140% Puissance (%PMA) Demande en O

2 (mlO 2 /min/kg) 100% 60 100 5 Temps (min) 2 100

E aŽrobie

Demande en O

2 (mlO 2 /min/kg)

Demande en O

2 (mlO 2 /min/kg)

PrŽdiction de la demande en O

2 des exercices supra-max? ¥ QualitŽ de lÕestimation par extrapolation linŽaire avec rendement constant ?

¥ relation demande en O

2 indŽpendante du temps ? Oui pour des exercices de 8-10 min entre 70 et 90% de PMA

¥Erreur test-retest &4%

Puissance (%PMA) Demande en O

2 (mlO 2 /min/kg) 100% 60 100 5

Òall out exercisesÓ

¥>1 min excellent pour dŽficit maximal cumulŽ la puissance et de la capacitŽ anaŽrobiequotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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