Physiologie de l'entraînement > Bio-énergétique

Christophe FRANCK - 2016-03-10

Le secteur bio-énergétique englobe sur un plan chimique tout ce qui concerne l'apport, le transport et la transformation des besoins en énergie de fonctionnement ainsi que l'évacuation des déchets. Les fonctions contenues dans ce secteur sont les fonctions respiratoire, circulatoire, digestive et excrétrice.Les sources énergétiques de l'effort

Un effort se fait grâce à une mobilisation de forces existantes s'il y a production d'énergie. Celle-ci, chez l'être humain, est fournie par une molécule nommée ATP (Adénosine Triphosphate) présente dans la fibre musculaire et seule responsable de la contraction musculaire.
Cette molécule, en se dégradant va :

  • libérer de l'énergie ;
  • permettre la contraction des fibres musculaires ;
  • produire une force.

Seule l'ATP permet la contraction musculaire. Il faut donc renouveller cette molécule pour réaliser des effortsL'ATP, présente en très petite quantité dans l'organisme, peut assurer un effort violent d'environ deux secondes, soit l'équivalent d'un saut vertical unique; elle va devoir être renouvelée (resynthétisée) en permanence pour avoir une continuité du travail musculaire.
Suivant l'intensité et la durée de l'effort fourni, les sources d'énergie utilisées pour resynthétiser l'ATP sont différentes, et on se trouve alors dans une des filières anaérobie alactique, anaérobie lactique ou aérobie.

Production de l'ATP

Utilisation du stock initial d'ATP au tout début (et pendant 2 à 3 sec.) du travail musculaire. L'ATP en se dégradant (grâce à des enzymes* appelées ATPases) permet la production d'énergie mécanique (25%). Les résidus sont l'ADP (Adénosine Diphosphate) et de l'énergie calorique (75%).
* proteïnes accélérant la vitesse des réactions chimiques

Resynthèse de l'ATP

Par la voie ANAEROBIE (Les réactions n'exigent pas la présence d'oxygène)

  • La filière ANAEROBIE ALACTIQUE (pas ou peu d'acide lactique produit). Système ATP-PC : c'est le premier système permettant de renouveler l'ATP. L'ATP est majoritairement resynthétisée grâce à l'ADP (molécule issue de l'ATP après dégradation) associée à la Créatine - Phosphate (CP) présente dans les cellules musculaires. Cette réaction chimique est possible grâce aux enzymes (ici CPK créatine phosphokinase).
Cette source, utilisable à intensité maximale pendant 7 secondes maximum et ne produisant pas d'acide lactique, fournit de l'énergie de façon intense et concerne les fibres à contraction rapide.

  • La filière ANAEROBIE LACTIQUE (avec production d'acide lactique). Système glycolityque : une fois la source énergétique des phosphagènes épuisée, de nouveaux substrats sont nécessaires pour assurer rapidement une resynthétisation de l'ATP. Ce sont des formes dérivées du glucide : le glycogène (stocké dans le foie et les muscles) et le glucose (sanguin).
La production d'énergie se déroulant dans le sarcoplasme musculaire (grâce au système enzymatique) permet un effort intensif "violent" mais limité en durée (30 sec. à 1 ou 2 mn pour une intensité moindre) et concerne les fibres à contraction rapide. La dégradation du glucose produit de l'ATP et de l'acide pyruvique destiné au cycle de Krebs mais qui se tranforme en acide lactique en absence d'oxygène. L'acide lactique (lactates + ions+) accumulé dans les muscles et versé dans le sang altère le fonctionnement de la filière énergétique, empêche la contraction musculaire, et participe à l'apparition de la fatigue et de la douleur musculaire lorsque la quantité dépasse un certain seuil.

Par la voie AEROBIE (Les réactions exigent la présence d'oxygène)
  • Système oxydatif : l'apport d'oxygène dans les fibres musculaires (essentiellement fibres à contraction lente) va permettre un énorme rendement énergétique. Plus de 90% de l'ATP synthétisée au niveau des cellules musculaires est fournie par la filière aérobie. La transformation se produit dans les mitochondries, centrales énergétiques permettant de transformer l'ATP dans les cellules musculaires.
L'apport énergétique principal provient des nutriments apportés par l'alimentation. Il s'agit :
  • des glucides, indispensables et provenant des sucres ;
  • des lipides, provenant des graisses et utilisés pour les efforts modérés supérieurs à 45 mn et sollicitant plus de 2/3 de la masse musculaire globale ;
  • dans une moindre importance, des proteïnes sous la forme d'acides aminés provenant de la viande, poisson, oeuf, etc.
Les déchets résiduels de cette dégradation aérobie seront de l'eau (sueur) et du gaz carbonique (respiration).
Cette filière, par l'intermédiaire du cycle de Krebs, permet aussi d'oxyder l'acide pyruvique issu de la glycolyse pour produire de l'énergie. Elle rend possible la réutilisation des lactates pour resynthétiser du glycogène ou de l'ATP. Le lactate est aussi un substrat important de la contraction du myocarde à l'effort. A ce titre on peut considérer le lactate non pas comme un déchet, mais comme une source d'énergie chimique. Seuls les acides devront être tamponnés dans le sang et éliminés dans les urines. C'est lorsque l'acide lactique devient trop important à traiter et transporter qu'il freine l'effort.

Cycle de KREBS (également appelé cycle de l'acide citrique) : ce cycle complexe, grâce à une série de réactions biochimiques, constitue la voie principale d'obtention de l'énergie. Ces réactions, effectuées en présence d'oxygène et à l’aide d’enzymes spécifiques, transforment les substances résiduelles issues de la dégradation partielle des glucides et des lipides pour resynthétiser l'ATP.

Evidemment il serait faux de croire que les processus s'enchaînent successivement : ils démarrent tous immédiatement, mais ont des délais d'intervention différents et des possibilités de rendement étalé dans le temps. Il y a donc un chevauchement des processus suivant leur rapidité de disponibilité, l'intensité de l'exercice, l'apport suffisant d'oxygène, etc.
Pour résumer, la nature d'un effort va conditionner les processus mis en oeuvre pour produire l'énergie permettant d'assurer celui-ci. En fonction de sa durée et de son intensité, il y aura prédominance d'une filière mais les autres ne seront pas à l'arrêt.
Par exemple, lors d'un sprint de 10sec, tous les processus métaboliques interviennent : 4% pour l'ATP, 31% pour la phospocréatine, 51% pour la glycolyse et 14% pour le processus aérobie. (Bogdanis et al.; Acta physiol Scand, 1998).

Enchaînement des processus énergétiques

Les processus métaboliques démarrent tous en même temps - Source sportech.online.fr














Pourcentages de contribution des processus métaboliques dans la production d'ATP - D ’après Newsholme et coll. (1992)

Notez la différence pour le 100m qui correspond à un sprint d'environ 10sec avec les résultats de l'étude donnés ci-dessus. Pour Bogdanis et al., il y a une plus grande participation du processus métabolique aérobie et une moindre pour le processus ATP-PCr.

CoursesPhosphocréatine (PCr) (%)Glycogène anaérobie (%)Glycogène aérobie (%)Glucose sanguin (glycogène hépathique) (%)Triglycérides (acides gras) (%)
100m48484--
200m256510--
400m12.562,525--
800m65044--
1 500m(*)2575--
5 000m(*)12,587,5--
10 000m(*)397--
42 195m(*)174520
80 000m(*)-35560
(*) : dans ces épreuves la phosphocréatine est utilisée dans les premières secondes et, si elle est resynthétisée pendant la course, elle servira aussi pour l ’accélération finale.

Les filières énergétiques

Voies/filièresANAEROBIE ALACTIQUEANAEROBIE LACTIQUEAEROBIE
SourcesATP - CPGlycogène - GlucoseGlucides - Lipides
Délais d'interventionNulDe 7sec à 20sec3mn (plein régime)
OxygèneNonPeuOui
Facteurs limitantsEpuisement des stocks d'ATP et CP
Système enzymatique
Taux d' acide lactique versé dans le sang (baisse du pH cellulaire)
Système enzymatique
Vo2 Max
Stock de glycogène
Baisse des substrats
Chaleur
Durée de reconstitutionATP - CP
Entre 2 et 5mn
Elimination du lactate en 1h
Stock de glycogène en 48h
Stock de glycogène en 24 à 36h
Produit du processusADPAcide lactique (lactates)Eau (sueur) + CO2
EnergieIntensité très élevée mais faible quantitéIntensité très importante et en quantité moyenneIntensité liée au VO2 MAX. et en grande quantité
AspectPuissanceCapacitéPuissanceCapacitéPuissanceCapacité
Durée max. du mécanisme=> 7sec=> 15sec=> 45sec=> 2mn=> 6 à 10mn> 10mn
QualitésVitesse d'exécutionEndurance de vitesseRésistance intensitéRésistance intensitéRésistance volumeEndurance

La capacité et la puissance

Chacune des trois voies énergétiques est caractérisée par une capacité représentant une quantité d'énergie, et une puissance représentant une intensité d'énergie délivrée.
Plus un exercice sera réalisé avec puissance, moins sa durée (sa capacité à maintenir un niveau d'effort) sera longue. Ceci va nous permettre de déterminer les voies énergétiques en fonction des qualités (vitesse, résistance, endurance) à développer.

L'effort : une alternance de charges et décharges

Le couple effort - récupération

Si la notion d'effort vient tout de suite à l'esprit dans l'entraînement sportif, l'autre élément du couple est parfois négligé. Pourtant le développement de chaque filière est dépendant des paramètres durée et intensité, tant pour l'effort que pour la récupération.

Le schéma de l'effort

Durée de l'effortBrève / Courte / Longue
Intensité de l'effortMaximale / Forte / Modérée
Durée de la récupérationComplète / Incomplète
Forme de la récupérationActive / Passive

La gestion de l'effort

Le but de la gestion de l'effort est d'amener les qualités athlétiques d'un sportif à un niveau optimal, en fonction d'un objectif visé, dans le temps et dans sa spécificité.
Suivant les durées et intensités choisies pour les temps de travail et de récupération, on vise une filière pour créer un phénomène de surcompensation des ressources énergétiques et permettre au sportif de progresser.
Par exemple, un sportif courant le semi-marathon est appelé à travailler essentiellement dans la filière aérobie. S'il est évident que sa capacité aérobie nécessaire à tenir entre 1h et 1h30 d'effort doit être développée, il faudra aussi augmenter le seuil anaérobie pour courir le plus vite possible en retardant l'effet anaérobie lactique.
Cette alternance est valable à l'intérieur d'une séance, mais aussi durant tout les cycles de l'entrainement (macro, méso et microcycles).

Le principe de surcompensation

La base de l'entraînement physique repose sur le principe de cumul de stimulations dans le temps : c'est le processus de surcompensation.
La surcompensation est due à la tendance de l'organisme à maintenir constants ses paramètres biologiques face aux modifications du milieu extérieur. On appelle cela l'homéostasie.
Suivant ce procédé, lorsqu' une charge d'entraînement est appliquée à l'organisme, celui-ci va mettre en oeuvre des processus de restauration pour retrouver l'état initial du potentiel énergétique.
Si la charge est proche des capacités maximales d'une qualité physique, l'état après restauration sera supérieur à l'état initial. Si une nouvelle charge est appliquée à ce moment là, le phénomène se renouvellera et le potentiel augmentera.
En revanche si les charges appliquées ne sont plus suffisantes ou trop éloignées, les réserves retrouveront leur état de départ. D'où selon Matveiev « Seuls les exercices sollicitant fortement les réserves énergétiques et entraînant une fatigue aigue initiale, permettent une amélioration du potentiel suivant un phénomème de surcompensation. »

Schéma de la surcompensation

Principe d'élévation du niveau de performance de l'athlète par sollicitions successives










Principe d'élévation du niveau de performance de l'athlète par sollicitions successives

Une succession d'efforts et de récupérations bien dosés permet une augmentation des capacités







Pendant l'effort, l'organisme puise dans ses réserves et le système de restauration se met en fonctionnement. La fatigue est un signal d'évaluation de l'équilibre « processus de dégradation - processus de resynthèse ».

  • Si l'effort est faible, il y a un équilibre entre les deux processus.
  • Si l'intensité est grande, le processus de dégradation prédomine et l'effort aura une durée limitée.
  • Si l'effort est très intense, le processus de resynthèse est submergé et l'effort rapidement arrêté.

Les réserves se reconstitueront pendant le repos, moment indispensable de la régénération.
Pour progresser il va falloir créer un état de déséquilibre. C'est donc le moment choisi pour appliquer une nouvelle stimulation qui détermine le type d'entraînement. La charge peut être appliquée lorsque la surcompensation se fait, ou avant que les réserves ne soient totalement restaurées (supercompensation). Dans ce cas une période de régénération plus importante sera nécessaire.
Tout l'art et la difficulté de la planification réside dans la gestion de ces paramètres : qualité physique visée, volume, intensité et fréquence d'effort, durée et nature de récupération. Si la gestion est mal faite, c'est la fatigue chronique voire le surentraînement qui s'installeront, où, finalement cas "le moins pire", aucune adaptation et donc progression n'auront lieu.

Les effets immédiats et retardés de l'effort

L'entraînement ayant comme objectif l'adaptation de l'organisme face aux efforts auxquels il est soumis, on peut considérer que ces adaptations ponctuelles ou cumulatives vont engendrer des effets immédiats et des effets retardés sur les paramètres physiologiques.
Les effets immédiats correspondent à une adaptation ponctuelle à une charge d'entraînement : activation des composants du système d'adaptation, recherche d'équilibre et stade de dégradation, en modifiant par exemple la fréquence cardiaque, la ventilation, la consomation d'oxygène, etc.
Les effets retardés correspondent à une adaptation cumulative et relativement stable de l'organisme aux sollicitations, par le biais de répétitions d'exercices, de séances, de travail à une certaine intensité, etc. destinés à apporter une progression des qualités de l'athlète.

Les délais de surcompensation

Efforts réalisés dans la filière :

  • Aérobie : 24 à 48h
  • Anaérobie lactique : 48 à 72h
  • Anaérobie alactique : 12 à 24h

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