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PHYSIOLOGIE DU SPORT 1. Sources énergétiques L'énergie nécessaire à une activité sportive est produite par trois sources distinctes. Deux sources sont anaérobies (elles n'utilisent pas d'oxygène) contrairement à la troisième qui est aérobie (c'est la plus importante). Chaque source est caractérisée par une capacité (quantité totale d'énergie potentielle) et une puissance (quantité d'énergie délivrable par unité de temps). Par comparaison avec un réservoir muni d'un robinet, la capacité correspond au volume du réservoir et la puissance au débit du robinet. Bien que fonctionnant en parallèle, ces sources possèdent des durées de fonctionnement spécifiques qui les prédisposent à trois types d'efforts différents.

1.1 Source anaérobie alactique (pour moins de 30 s d'effort) Cette source est principalement utilisée dans les sports "explosifs" (haltérophilie, sauts, lancers, 100 m course, 50 m nage). Sa capacité est de 23 à 36 kJ (*). Sa puissance maximale est de 4 à 12 kW (*), elle est disponible immédiatement et ne peut généralement être maintenue plus de 8 s. La durée de récupération après une sollicitation maximale est de 6 à 8 min.

1.2 Source anaérobie lactique (pour moins de 3 min d'effort) Cette source est principalement utilisée dans les sports "intermédiaires" (gymnastique, 200 à 1000 m course, 100 à 300 m nage). Sa capacité est de 95 à 120 kJ (*). Sa puissance maximale est de 3 à 8 kW (*), elle est disponible progressivement et ne peut généralement être maintenue plus de 1 min. La durée de récupération après une sollicitation maximale est de 1 à 2 h.

1.3 Source aérobie (pour plus de 3 min d'effort) Cette source est utilisée dans tous les sports de moyenne et longue durée. Sa capacité est quasiment illimitée. Sa puissance maximale est de 1 à 2 kW (*), elle est disponible très progressivement et ne peut généralement être maintenue plus de 7 min. La durée de récupération après une sollicitation maximale est de 24 à 48 h. C'est la source principale car elle permet de régénérer les précédentes. Il faut l'améliorer chez tous les individus (sportifs ou non). La capacité aérobie (quantité d'énergie totale susceptible d'être fournie par voie oxydative) n'étant pas mesurable, on analyse à sa place l'endurance qui est la décroissance de la puissance dans le temps. La puissance aérobie correspond à l'aptitude à consommer l'oxygène de l'air (transport et utilisation). Le transport d'oxygène dépend du nombre de globules rouges (hématocrites), et du débit cardiaque qui est égal au produit du volume d'éjection systolique par la fréquence cardiaque (VES*FC). L'utilisation d'oxygène dépend de l'efficacité oxydative des cellules (nombre et dimensions des mitochondries). L'endurance aérobie correspond à l'aptitude à consommer le plus longtemps possible de grandes quantités d'oxygène. Elle dépend de la densité capillaire dans la structure musculaire et des réserves glucidiques et hydriques. (*) La plus faible valeur est celle d'un adulte sédentaire, la plus forte celle d'un sportif de haut niveau. Copyright © 2000-2003 SporTech – Tous droits réservés

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1.4 Importance relative des sources énergétiques

N.B. Les trois sources ne sont pas indépendantes. Elles fonctionnent en parallèle, à des degrés divers, ce qui crée une illusion de fonctionnement en série. Pour chaque source, la surface comprise entre la courbe et l'axe du temps représente la capacité.

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2. Fonctionnement des métabolismes 2.1 Métabolisme anaérobie alactique Le processus biochimique de production d'énergie de la source anaérobie alactique consiste à dégrader les phosphagènes, ATP (Adénosine Tri Phosphate) et CP (Créatine Phosphate), en l'absence d'oxygène, dans le sarcoplasme cellulaire. L'ATP est la seule source d'énergie directement exploitable par les éléments contractiles du muscle. La CP est une source secondaire qui permet de régénérer rapidement de l'ATP. C'est l'épuisement des très faibles réserves de phosphagènes qui limite ce processus. Dans un effort extrême, seuls 50% d'ATP et 90% de CP sont utilisés. La régénération des phosphagènes est effectuée par l'apport d'oxygène aux mitochondries. La source aérobie joue donc un rôle important au travers du pouvoir oxydatif des cellules musculaires.

2.2 Métabolisme anaérobie lactique Le processus biochimique de production d'énergie de la source anaérobie lactique consiste à dégrader les réserves de glycogène musculaire, en l'absence d'oxygène, dans le cytoplasme cellulaire (en dehors des mitochondries). Il produit de l'acide lactique sous forme d'ion H+ et de lactate. Ce n'est pas directement le lactate mais l'ion H+ qui est responsable de la perte d'efficacité des éléments contractiles du muscle. Ce processus n'arrive jamais à utiliser la totalité des réserves de glycogène, son fonctionnement est arrêté lorsque l'acidose devient trop élevée. Pour améliorer ce fonctionnement, il faut augmenter la capacité musculaire à supporter une forte acidose, et rendre plus efficace le recyclage du lactate. La source aérobie joue un rôle important dans ce processus car plus la puissance aérobie est élevée et plus le lactate croît lentement. Elle permet aussi le recyclage du lactate. Pour favoriser l'élimination du lactate après l'effort, il est préférable de poursuivre un effort modéré (récupération active) plutôt que d'arrêter totalement l'effort (récupération passive). Le temps de récupération est alors quatre fois moins important. Attention ! Le lactate n'est ni un poison, ni un déchet. C'est un produit intermédiaire, riche en énergie, utilisé par le coeur et les muscles peu sollicités (régénération d'ATP) et le foie (régénération de glycogène). La lactémie est la concentration du lactate dans le sang et non dans le muscle. Elle est souvent utilisée pour mesurer un effort, mais n'est qu'une représentation indirecte et très incomplète de l'acidose musculaire. Son utilisation est délicate car son maximum n'est obtenu que dans un délai variable après l'arrêt de l'effort (5 à 10 min). Elle n'a d'intérêt que pour suivre l'impact de l'entraînement d'un même sportif dans une même épreuve. Par ailleurs, la notion de "seuil anaérobie", définie dans les laboratoires par une lactémie de 4 mmol/l, n'a aucun sens biologique ou expérimental. Elle est souvent employée abusivement pour définir une hypothétique limite entre le métabolisme anaérobie et le métabolisme aérobie correspondant à l'acidose musculaire maximum.


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2.3 Métabolisme aérobie Le processus biochimique de production d'énergie de la source aérobie consiste à dégrader les glucides, lipides et secondairement protides, avec l'oxygène de l'air, à l'intérieur des mitochondries (cycle de Krebs). Il produit H2O et CO2 et constitue la respiration cellulaire. C'est l'épuisement des réserves glucidiques et hydriques ainsi que la régulation thermique qui limitent ce processus. Glucides Les glucides représentent 50 à 60% des besoins. Ils sont contenus dans les pâtes, le riz, le pain, les produits sucrés, etc. Les glucides sont transformés en glucose et en glycogène. Le glycogène est un polymère du glucose permettant le stockage dans les muscles et le foie, seul le glucose circule dans le sang (le glucose sanguin est très important pour le fonctionnement du cerveau). La réserve de glycogène est faible, elle peut varier de 400 g pour un sédentaire à 1.4 kg pour un sportif. Elle est la principale ressource des efforts aérobies intensifs. Lipides Les lipides représentent 25 à 30% des besoins. Ce sont les graisses d'origine végétale ou animale. Les lipides sont transformés en acides gras qui sont stockés dans les tissus adipeux. La réserve est importante et variable selon les individus, elle est de 10 à 12 kg en moyenne. Elle est surtout utilisée dans les efforts de longue durée (plus de 1 h). Même si le potentiel énergétique des lipides est supérieur à celui des glucides, le rendement énergétique est nettement inférieur car le processus de dégradation est plus lent et consomme plus d'oxygène. Protides Les protides représentent 12 à 17% des besoins. Ce sont les protéines d'origine végétale ou animale. Les protides sont transformés en acides aminés pour permettre le développement des cellules (croissance musculaire) et la production d'énergie (6 à 8%).


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Sport & Performance http://sportech.online.fr/ Composition de quelques aliments (%) Aliments Arachides Bananes Beurre Camembert Carottes Chocolat Gruyère Huile Lait entier Légumes secs Légumes verts Miel Noix Oeufs Oranges Pain Poissons gras (saumon...) Poissons maigres (cabillaud...) Pommes Pommes de terre Riz, Pâtes Sucre (saccharose) Soda, Limonade, Coca Tomates Viandes grasses (boeuf...) Viandes maigres (poulet...)

Glucides 26 20 0 4 6 58 5 0 5 60 10 75 15 1 10 55 1 0 15 18 78 100 12 4 1 1


Lipides 40 1 84 24 1 35 30 100 4 2 1 0 60 12 0 1 15 2 0 0 1 0 0 0 25 10

Protides 23 2 1 20 1 4 28 0 4 25 3 1 15 14 1 10 20 18 1 2 9 0 0 1 17 20

Eau... 11 77 15 52 92 3 37 0 87 13 86 24 10 73 89 34 64 80 84 80 12 0 88 95 57 69

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Sport & Performance http://sportech.online.fr/ Consommation et régénération du glycogène musculaire (effort intense et prolongé)

N.B. L'angle en fin de courbe représente la surcompensation (phénomène par lequel un organisme fortement sollicité tend à reconstituer ses réserves en dépassant le niveau initial).


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2.4 Comparaison des métabolismes L'importance relative des métabolismes peut être représentée par la décroissance de la vitesse des records du monde en course et en natation:

Ces courbes sont analogues aux représentations de la capacité énergétique totale d'un sportif imaginaire qui détiendrait tous les records. En réalité, comme il n'est possible de développer un métabolisme qu'au détriment d'un autre (cf. structure musculaire), il existe trois principaux types de sportifs (trouvez votre profil!):


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3. Structure musculaire Selon le besoin de vitesse, d'endurance ou de force, l'adaptation à l'effort développe les fibres musculaires en quantité et en qualité (la qualité est généralement plus importante que la quantité). On distingue deux principaux types de fibres:

3.1 Fibres à contraction rapide Ces fibres sont de forte puissance mais de faible endurance. Elles ont un grand diamètre de section et une faible densité capillaire (couleur blanche ou rose) car elles sont adaptées aux efforts anaérobies.

3.2 Fibres à contraction lente Ces fibres sont de faible puissance mais de forte endurance. Elles ont un petit diamètre de section et une forte densité capillaire (couleur rouge) car elles sont adaptées aux efforts aérobies et sollicitent le système cardio-vasculaire.

3.3 Répartition des fibres Les fibres "lentes" sont toujours sollicitées les premières. Les fibres "rapides" sont uniquement sollicitées dans les efforts importants, pour des durées courtes. Plus généralement, la vitesse sollicite les fibres "rapides", l'endurance sollicite les fibres "lentes" et la force sollicite l'ensemble des fibres. Pour chaque muscle, il existe des proportions différentes des deux types de fibres. L'entraînement consiste essentiellement à développer les fibres dans les justes proportions. Par exemple, pour certains muscles de la jambe, la répartition est de 80% de fibres "rapides" pour 20% de fibres "lentes" chez un coureur de 100 m alors qu'à l'inverse, elle est de 20% de fibres "rapides" pour 80% de fibres "lentes" chez un coureur de marathon. Chez un adulte sédentaire, la répartition est en moyenne de 48% de fibres "rapides" pour 52% de fibres "lentes".


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3.4 Mouvement La structure musculaire est responsable du mouvement et permet d'obtenir par contraction, à un instant donné, une force F et une vitesse V. Comme la puissance P est le produit de ces deux éléments P=F*V, la puissance maximum est obtenue pour une force et une vitesse particulière. Relation entre force et vitesse:

Attention ! Il ne faut pas confondre puissance et énergie. Par exemple, soulever plus rapidement des charges moins lourdes (haltérophilie, etc.), représente évidemment une énergie inférieure mais peut représenter une puissance supérieure.


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4. Système cardio-vasculaire Le système cardio-vasculaire est responsable de la distribution de tous les éléments biochimiques nécessaires au fonctionnement des différents métabolismes. Comme pour les muscles squelettiques, l'adaptation à l'effort modifie les caractéristiques du système. Le débit cardiaque est le principal élément amélioré. Les efforts intensifs et continus sur de longues périodes (sports d'endurance), développent fortement le système cardio-vasculaire. Comme une fréquence cardiaque élevée est maintenue continuellement, le coeur devient très puissant. En conséquence, la fréquence de repos est abaissée (40 à 50 pls/min). Néanmoins, il faut développer en harmonie le système cardio-vasculaire et la structure musculaire, et adapter l'ensemble à la performance recherchée. Sans cela, les muscles "attendent" le coeur ou inversement le coeur "attend" les muscles! Par exemple, un coureur de 10000 m qui court un 2000 m, a un coeur qui bat très en dessous de la fréquence cardiaque maximum. Sur cette distance, le coeur est trop puissant par rapport aux jambes. Dans ce cas, les jambes n'ont pas assez de fibres "rapides" et trop de fibres "lentes". A l'inverse, un coureur de 2000 m qui court un 10000 m, a un coeur qui bat très près de la fréquence cardiaque maximum. Sur cette distance, le coeur n'est pas assez puissant par rapport aux jambes. Dans ce cas, les jambes n'ont pas assez de fibres "lentes" et trop de fibres "rapides". Attention ! La fréquence cardiaque n'est pas exactement représentative de l'effort car ce n'est qu'un élément du métabolisme. D'autres paramètres importants (concentration de globules rouges, volume d'éjection systolique, vasodilatation, etc.) influencent la fréquence et sont capables de fluctuer dans le temps (jour après jour). Ainsi, les pourcentages entre fréquence cardiaque minimum et maximum ne sont proportionnels à l'effort qu'en dessous de 80%.


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4.1 Evolution de la fréquence cardiaque maximum en fonction de l'age

N.B. Ces courbes proviennent d'une analyse statistique sur 2000 personnes mais un sportif de bon niveau peut très bien être en dessous ou en dessus selon sa morphologie cardiaque. La formule souvent employée "220 - age" n'est qu'une approximation linéaire grossière qui n'a pas de sens au dessus de 35 ans.


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5. Système respiratoire Constitué de la trachée, des bronches et des poumons, le système respiratoire a pour rôle d'échanger essentiellement l'oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2) entre l'air et le sang. La mécanique ventilatoire est une succession de phases inspiratoires et expiratoires d'environ 12 cycles/min au repos pouvant s'élever jusqu'à 25 cycles/min au cours d'un exercice intense. L'inspiration est produite par le diaphragme et de certains muscles intercostaux. L'expiration est produite au repos par l'élasticité des poumons et lorsqu'elle est forcée par les muscles de la paroi abdominale. Les volumes pulmonaires sont définis par 4 volumes principaux: - Le volume courant VT est le volume qui entre et sort des poumons au repos (environ 0.5 L). - Le volume de réserve d'inspiration VRI est le plus grand volume d'air qu'on peut inspirer après une inspiration normale de repos (environ 2.5 L). - Le volume de réserve d'expiration VRE est le plus grand volume d'air qu'on peut expirer après une expiration normale de repos (environ 1.5 L). - Le volume résiduel VR est le volume qui reste dans les poumons après expiration totale (environ 1.5 L). La capacité vitale est la somme des trois premiers volumes VT+VRI+VRE (environ 4.5 L). La capacité totale est la somme de tous les volumes VT+VRI+VRE+VR (environ 6 L). Il faut noter que l'échange de gaz s'effectue uniquement dans les alvéoles. L'espace des voies aériennes conductrices est appelé espace mort anatomique (environ 0.15 L). La ventilation augmente toujours brutalement en début d'exercice (accrochage ventilatoire), et baisse brutalement en fin d'exercice (décrochage ventilatoire). Le débit ventilatoire est égal au volume courant multiplié par la fréquence D=VT*F. Pour une personne non entraînée, le système respiratoire peut fournir plus d'oxygène que le système cardio-vasculaire peut transporter ou que la structure musculaire peut consommer. Il n'est pas dans ce cas une limitation de la performance. A l'inverse, pour une personne entraînée, le système respiratoire ne peut pas fournir assez d'oxygène. Il est dans ce cas une limitation de la performance.


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6. Système hormonal Les phénomènes hormonaux jouent un rôle très important dans l'activité cellulaire. Malheureusement, ces phénomènes sont particulièrement complexes, aussi nous ne présentons ici que les principales fonctions du système hormonal. Le système endocrinien a pour rôle de produire les substances chimiques qui régulent l'activité cellulaire. Ces substances sont transportées par le sang (et la lymphe). A tout moment, une quarantaine d'hormones différentes sont présentes dans le sang. Le système nerveux central, par l'intermédiaire de l'hypothalamus, contrôle la sécrétion hormonale qui agit en retour sur la fonction nerveuse (feedback). L'hypophyse, située sous l'hypothalamus, secrète les hormones fondamentales: GH (hormone de croissance), ACTH, TSH, etc., qui agissent sur les glandes endocrines périphériques. Les principales hormones "périphériques" sont groupées de la manière suivante: Les catécholamines (adrénaline, noradrénaline) sont produites par les médullosurrénales. Elles agissent sur le rythme cardiaque et la dilatation/contraction des vaisseaux. Les corticostéroïdes (aldostérone, cortisol) sont produites par les corticosurrénales. Elles agissent sur la gestion des réserves énergétiques. Les hormones thyroïdiennes (thyroxine, triiodothyroxine, calcitonine) agissent sur la croissance et le développement normal des cellules. Les hormones pancréatiques (insuline, glucagon) régulent la concentration de glucose dans le sang (glycémie). Les hormones sexuelles (testostérone, progestérone) sont produites par les testicules et les ovaires. Elles agissent sur les spécificités sexuelles.


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6.1 Production hormonale (effort intense et prolongé)


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7. Dopage Le dopage désigne les processus (généralement chimiques) qui permettent d'améliorer artificiellement les performances. Avec l'évolution des connaissances scientifiques, les limites du dopage sont devenues difficiles à cerner. Le dopage s'est beaucoup développé ces dernières années à cause de la médiatisation du sport. Le "sport spectacle" s'éloigne ainsi de plus en plus du "sport santé" pratiqué par la grande majorité des sportifs. Parmi les processus capables d'améliorer artificiellement les performances, on distingue deux catégories qui correspondent aux fonctionnements (avec ou sans oxygène) des métabolismes.

7.1 Dopage des métabolismes anaérobies Le but est d'augmenter artificiellement la masse musculaire (sports de vitesse ou de force). L'augmentation de la quantité de fibres "rapides" est fondamentale pour les besoins de vitesse ou de force. Elle peut être effectuée chimiquement à l'aide d'anabolisants (nandrolone, testostérone, etc.) ou physiquement (electro-stimulation, etc.).

7.2 Dopage du métabolisme aérobie Le but est d'augmenter artificiellement l'aptitude à consommer l'oxygène (sports d'endurance). L'augmentation du taux de globules rouges permet de favoriser le transport d'oxygène vers les muscles. Elle peut être effectuée chimiquement (érythropoïétine, darbepoïétine, etc.) ou physiquement (transfusion de sang, séjour en caisson sous-oxygéné, etc.).

7.3 Autres formes de dopage Les stimulants (éphédrine, amphétamines, cocaïne, caféine, etc.) agissent sur le comportement (augmentation de l'attention, réduction de la fatigue, etc.). Les narcotiques (héroïne, méthadone, morphine, etc.) agissent sur la douleur.

Jean LELIEVRE 23 juillet 2003


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