1 Métabolismes anaérobie et aérobie L2 UE 41.A Biologie de la performance [email protected]http://www.sargeathletics.com/media/contentNew/ Plan général Plan Général • Processus métaboliques mis en jeu (1) • Méthodes et techniques de mesure (2) • Facteurs limitants de la performance et méthodes de développement (3) • Effet de l’entraînement (4) http://i.eurosport.com/2016/08/21/1916772-40331082-2560-1440.jpg 1. Lacour JR, Edition Masson, 1992. Biologie de l’exercice musculaire, Chap. 2 Aspects intégratifs du métabolisme anaérobie. 2. Monod H. & Flandrois R., Edition Masson, 1997. Bases physiologiques des APS (4° édition) 3. Favier F, Candau R, La douleur Sport et vie 129 pp12.pdf (Exam) 4. Candau R, La VO2 max pour les nuls Sport et vie 90 pp14.pdf (Exam) 5. Philippe A, Sanchez AMJ, Candau R Stratégie d’épargne Sport et vie 143 pp 20.pdf (Exam) 6. Sanchez AMJ, Borrani F, Candau R. Rendez vous sur le palier. Sport et vie 136 pp12 (Exam) Bibliographie conseillée Introduction Tout sédentaire actif (V’O 2max = 45 ml/min/kg), possédant aussi un coût énergétique moyen (0,20 ml/kg/m) est capable de courir pendant 7 min à VO 2max : VMA = (VO 2max - VO 2repos )/C = 40 / 0,20 = 200 m/min = 12km/h. il est capable de courir 2 fois plus vite lors d’un sprint Existence d’un métabolisme anaérobie Profil explosif ou d’endurance? • Profil = Vitesse de sprint / VMA • Profil = 47 / {(60-5)/0,20/1000*60)} = 47 / 16,5 = 2,8 VMA = (V’02max-V’O2repos)/ C/1000*60 Quel est mon profil? 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 t (s) v (km/h) Vitesses maintenues lors des records du monde 45 s 7 min 1 h les vitesses (et donc les puissances) diminuent énormément pour T<7 min Existence d’une source d’énergie limitée Concept de capacité anaérobie
28
Embed
Métabolismes anaérobie et aérobie Plan général Plan …robin.candau.free.fr/metabolismeL2017NB.pdf · du NADH et du FADH2, dont les électrons à haut potentiel alimentent la
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
1. Lacour JR, Edition Masson, 1992. Biologie de l’exercice musculaire, Chap. 2 Aspects intégratifs du métabolisme anaérobie.
2. Monod H. & Flandrois R., Edition Masson, 1997. Bases physiologiques des APS (4° édition)
3. Favier F, Candau R, La douleur Sport et vie 129 pp12.pdf (Exam) 4. Candau R, La VO2 max pour les nuls Sport et vie 90 pp14.pdf (Exam) 5. Philippe A, Sanchez AMJ, Candau R Stratégie d’épargne Sport et vie 143 pp
20.pdf (Exam) 6. Sanchez AMJ, Borrani F, Candau R. Rendez vous sur le palier. Sport et vie
136 pp12 (Exam)
Bibliographie conseillée
Introduction
Tout sédentaire actif (V’O2max = 45 ml/min/kg), possédant aussi un coût
énergétique moyen (0,20 ml/kg/m) est capable de courir pendant 7 min à
les vitesses (et donc les puissances) diminuent énormément pour T<7 min
Existence d’une source d’énergie limitée
Concept de capacité anaérobie
2
Premières évidences expérimentales
• Présence de lactate dans les muscles du gibier forcé
(Dubois-Raymond, 1874) • Intoxication à l’iodo-acétate d’un muscle anoxique
bloque la glycolyse mais contraction musculaire encore possible (Lunsgard, 1934)
Existence d’un métabolisme anaérobie : PCr et Glycolyse
Vue intégrée du métabolisme anaérobie et aérobie
l’utilisation de PCr
la glycolyse anaérobie
Bigard, 2010
(1)
(2a)
(2b)
(3)
(4)
Exo : Retrouver les voies métaboliques identifiées par les
anciens
Quiz
Quel est le (s) mécanisme(s) de fourniture d’énergie mis en œuvre dans le cas : 1. d’un saut vertical 2. d’un sprint sur 100 m 3. d’un 3000 m 4. d’un marathon
Ferraro et al., 2014
Cycle de Krebs
Devoir maison
Numérotez de 1 à 4 les différents processus de fourniture d’énergie comme dans la première représentation schématique
Cycle de Krebs
Participe au métabolisme des glucides, des lipides et des protéines Produit les accepteurs d’électrons NADH, FADH2, Q10H2 qui permettent la synthèse d’ATP dans la chaîne respiratoire http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/IMG/gif/Cycle_Krebs.gif
Découvert en 1937, prix Nobel en 1953
3
Chaîne respiratoire
Chaîne de transport d'électrons réalisant l'oxydation des NADH et Q10H2 produits par le cycle de Krebs et par la β-oxydation
3 pompes à protons qui créent une circulation des électrons le long de la chaîne respiratoire et génèrent un gradient de concentration de protons à travers la membrane qui aboutit à la synthèse d’ATP par le complexe 4 L’O2 en quantité limitée joue un rôle d’accepteur de proton
Principale voie métabolique de dégradation des molécules d'acides gras pour produire : 1. l'acétyl-CoA, dont le groupe acétyle est oxydé par
le cycle de Krebs 2. du NADH et du FADH2, dont les électrons à haut
potentiel alimentent la chaîne respiratoire.
Wikipédia
Étape préalable difficile d’entrée
dans la mitochondrie
-
5
10
15
20
25
30
35
40
0 2 4 6 8 10 12 14
ln Temps (s)
Vite
sse
(km
/h)
• Puissance : 0,2 à 60s (débit d’énergie)
• Capacité anaérobie de 1 à quelques minutes minutes (quantité totale d’énergie mobilisée)
• Puissance anaérobie • Capacité anaérobie
• Capacité anaérobie • VO2max
• VO2max • Endurance
• VO2max • ultra-endurance
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
t (s)
v (k
m/h
)
Vitesses maintenues lors des records du monde
1 min 7 min 1 h
Article
et log
iciel
à télé
charg
er
pour
QCM (VO2m
ax)
Définitions
• La puissance anaérobie représente le débit maximal d’énergie assuré par les seuls processus anaérobies (J/s).
• La capacité anaérobie représente une quantité maximale d’énergie mobilisée (J) à partir du métabolisme anaérobie. Elle est pleinement mobilisée pour des exercices à conduit jusqu’à l’épuisement pour des durées comprises entre 1 et 7 minutes.
Plan
Processus métaboliques mis en jeu (1)
• Dynamique des systèmes de re-synthèse de l’ATP • Hydrolyse de l’ATP • Métabolisme de la phospho-créatine • Glycolyse • Métabolisme aérobie
3 processus de régénération de l’ATP se chevauchent
et se succèdent
corrigée
Glycolyse Métabolisme aérobie
Puissance consommée
<1’’ 6’’ 3’ 7’
Métabolisme Puissance max Epuisement
ATP ~ instantanée <1s Phospho créatine <1s ~ 6s Glycolyse Quelques s ~ 1min Aérobie ~1-3min ~ illimité
Utilisation des substrats dépend : - de la disponibilité en substrats - du débit métabolique (dépendant de la cinétique enzymatique) notion de puissance métabolique.
- temps maximal de sollicitation d’une filière métabolique notion d’endurance métabolique.
Bigard 2010
1. [ATP] suffisante pour exécuter 1 saut vertical
2. [PCr] Rôle tampon sur le plan énergétique
3. Glycolyse mise en route dès le début de l’exercice ; assure l’essentiel de la synthèse dans le sprint
Méthodes et techniques de mesures (2) • Puissance anaérobie • Capacité anaérobie
Mesures directes ou indirectes ?
Mesure DIRECTE possible en théorie
• Biopsie Méthode directe Désavantage : Méthode invasive, Nombre limité d’échantillons Délais avant congélation et nucléotides très
labiles Limitée à la périphérie du muscle
Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) : Une solution ?
- Cependant technique limitée à l’étude de petits groupes musculaires.
Recours à des techniques indirectes
+ Cinétique des concentration intramusculaires en nucléotides, pH et PCr
Propriété de certains noyaux atomiques possédant un spin
11
Mesure de l ’énergie mécanique E chimique
substrats
E mécanique
Chaleur
E ATP
Chaleur
Mesure directe
Mesure indirecte
Juste une petite fraction de la puissance consommée est appréciée!
W’pot = m g Δh /t
Facteurs de variation de la puissance mécanique
1. Durée de l ’exercice
Records du monde
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 2000 4000 6000 8000 10000 T (s)
Puis
sanc
e m
étab
oliq
ue
(W/k
g)
Complexité de la coordination
• Difficulté de la tâche motrice • Coordination agonistes et antagonistes • Recrutement d’un maximum d’unité motrice et de pont
actine-myosine sur un cours laps de temps
Complexité de la coordination
P mécanique utile
Chaleur
P musculaire 1. Orientation des forces
2. Coordination Agonistes-antagoniste
Seule une partie de la puissance musculaire est vraiment utile
1. Hauteur atteinte (facteur coordination important) 2. Temps de vol (hypothèse quant à la trajectoire du
centre de masse) 3. Forces de réactions au sol (outil de référence)
Tests de détente verticale Principe de la mesure
(WWW.kistler.com)
∫ ∫−
==mmgFav
∫= vH
FvW =
mesuréeforceF ..=Force
Vitesse
Hauteur
Puissance
Grande précision car simple intégration des signaux :
Equations de la dynamique
12
My jump
Balsalobre-Fernández et al., 2015
h = hauteur du saut, hP0 = hauteur initiale, g granvité, tF = temps de vol, F = force, P = Puissance
ΔH
Test de Margaria
Wpot = m g Δh
W’pot = Wpot / t
+ simple et amusant
- Ppot très dépendant de la coordination
- relation force-vitesse non-déterminée
Ex : Ppot = 100 x 10 x 0.3 / 0.3 = 100 x 10 = 1000 W
Fin ici
Jauge de contrainte à Ffriction
Capteur de vitesse à accélération
Ergocycle de sprint
m
W’ = (Ffriction + Fintertie) v
= (Ffriction + m a) v
1.0
0.5
1.0 0.5 V pédalage (V/V0)
F (F/F0) P mécanique (FV)
1.0
Vopt
0.5
Relation force-vitesse 1. F0 = Force max
isométrique
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 pédalage (V/V0)
F (F/F0) P mécanique (FV)
1.0
Vopt
0.5
Applications
1. Principe de spécificité
2. Développement de la puissance à ½ de la force max
3. Combinaison exo de force et vitesse (Bulgare)
4. Orientation des gain de force dans l’activité
Pmax
Sports de Force Sports de Vitesse
Force-vitesse sur le muscle isolé
Relation Force-Vitesse :
2000
1500
1000
500
Forc
e (N
)
Vitesse (cm/s) 20 40 120 100 80 60
Pmax
V0
(P+a)(V+b)=a(V0+b)=b(P0+a)
P0
Puissance
Equation de Hill :
Pour le muscle isolé et pour les mouvements mono-articulaires, la force optimale intervient à 1/3 de V0
13
Force
Vitesse
Tapis de sprint
+ relation force-vitesse peut être caractérisée
- dispositif coûteux
- course un peu éloignée de la course réelle
α
W’cin = F v
W’pot = (m g ΔH)/t = m g (sinα l)/t
l l ΔH
α (sinα l) = ΔH
Force –vitesse : analyse d’image
Samozino et al., 2015
Simple method to compute sprint mechanics :
13m/s =47km/h!
Quelle est la puissance développée pour accélérer le centre de masse pendant la phase d’accélération ? m= 88 kg W’cin = ½ m (vmax² -Vmin²)/t = ½ . 88 (13² - 0²) /4 =1859 W W’stabilisée = Cm m V = 2 .88 . 7 = 1232 W W’méca = 3091 W pendant 4s !!
A partir d’une simple analyse de données vidéo, radar ou smartphone il est possible de quantifier les aptitudes fondamentales au sprint
Puissance dans le sprint
Arsac et Locatelli, 2002
Simulation : Importance des différentes aptitudes sur 100 m
Puissance anaérobie, Pmax,> technique de course ,c, > rendement du stockage restitution d’énergie élastique, η , > résistance, τ2 , > qualités aérodynamiques, k
Griffé
rebond
14
Vitesse de montée en force
• Vitesse de largage du Ca2+
• Vitesse de bascule des têtes de myosine
Vitesse de montée en force (s-1)
Vite
sse
de re
laxa
tion
(s-1
)
Phase lente de relaxation
(vitesse de repompage du
calcium, vitesse de détachement des
têtes-
Données quantitatives
Puissance mécanique explosive • En haltérophilie sprint, 40 à 70 W/kg pour la puissance mécanique développée
• 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 (l’homme arrive à voler avec 300W pour 10 kg de muscles actifs soit 30 W/kg de muscle actifs).
Capacité anaérobie
Quantification indirecte : 1. Déficit maximal en O2
2. Méthode de Margaria (1971) avec variation de lactatémie
3. Modèle d’Arsac et celui de Péronnet et Thibault
Déficit maximal cumulé en O2
140%
Puissance (%PMA)
Demande en O2 (mlO2/min/kg)
100%
60
100
5
Temps (min)
2
100
E aérobie
Demande en O2 (mlO2/min/kg)
Demande en O2 (mlO2/min/kg)
Prédiction de la demande en O2 des exercices supra-max?
• Qualité de l’estimation par extrapolation linéaire avec rendement constant ? • relation demande en O2 indépendante du temps ? Oui pour des exercices de 8-10 min entre 70 et 90% de PMA • Erreur test-retest ∼4%
Puissance (%PMA)
Demande en O2 (mlO2/min/kg)
100%
60
100
5
?
Article Palier à télécharger àQCM
“all out exercises”
• >1 min excellent pour déficit maximal cumulé
• ≅ 30 s tel que le Wingate test : piètre estimation de la puissance et de la capacité anaérobie
15
Déficit en O2 pour un exercice “all out”
Demande en O2 (ml.min-1.kg-1)
Temps (s)
Demande totale (estimée grâce à la W’méca/η)
Déficit en O2
VO2
Données quantitatives
Capacité anaérobie • Déficit cumulé en O2: 50-90 mlO2/kg soit 1,1-1,9 kJ/kg • Sur les athlètes détenteurs d’un record du monde (Modèle de
Péronnet et Thibault, 1989) : 1,7 kJ/kg
Synthèse
• Pas de méthode précise pour quantifier la capacité anaérobie, bien qu’aptitude fondamentale
• la méthode du déficit cumulé en oxygène demeure la référence Une évolution de la méthode a été proposée pour les exercices de type « all-out »
• Méthode de terrain : Le modèle d’Arsac nécessite uniquement une analyse vidéo directement dans le sprint long. Alternative, la méthode de Margaria (1971) basée sur la variation de lactatémie.
Plan général Plan Général
• Processus métaboliques mis en jeu (1) • Méthodes et techniques de mesure (2) • Facteurs limitants de la performance et méthodes de
la production de ROS ainsi que les dommages oxydatifs fourniraient une explication pour les abandons dans l'épreuve du Tor des géants par rapport aux athlètes qui arrivent à finir?
Gr des non finisseurs
Hyponatrémie sévères et oedèmes, membres inf, pulmonaire et cérébral
21
Production d’espèce oxygénées réactives
(ROS)
Finkel et al, 2005
Plan général Plan Général
• Processus métaboliques mis en jeu (1) • Méthodes et techniques de mesure (2) • Facteurs limitants de la performance et méthodes de
• L'activité de la pompe => [K+] est élevée dans le cytoplasme. Les seuls canaux qui soient ouverts à l’état basal sont les canaux potassiums
• Tandis que [Na+] est élevée à l'extérieur de la cellule.
La séparation de charge résultante crée la différence de potentiel électrique
26
Effet du pH Fibre musculaire pelée à 10°C activée maximalement par le
Ca2+
Cooke et al, 1998
[PI]=3mM
[PI]=20mM
• Plus l’équilibre acide-base est perturbé avec la fatigue, plus la force de contraction diminue
• Le phénomène est exacerbé par l’accumulation de Pi
… mais attention aux extrapolations hâtives
• Études sur le muscle entier ð acidose ne contribue pas : • au déclin de force • au déclin de vitesse
• A 30°C, les effets de l'acidose (pH 6,2) sont atténués : • seulement 20% de chute de Fmax (contre 50% à 10°C)
• pas de chute de Vmax (contre 30% à 10°C) Pate et al. (1995) J. Physiol. 486, 689-694.
• A 30°C, les effets du Pi (25 mM) sont atténués : • seulement 20% de chute de Fmax (contre 65% à 5°C) Coupland et al. (2001) J. Physiol. 536, 879-891.
• Fmax et Vmax ne sont pas réellement physiologiques (cf. S. Perrey) • quels sont les effets sur la relation force-vitesse ?
Exemple de calcul de l’IE de Dupont (bleu) et Durant (vert) à partir de performances réalisées en course à pied. Durant a une capacité d’endurance plus élevée (IE : 169-89=80) que Dupont (158-101=57). Exemple d’après les mêmes données que dans la figure 11 (Péronnet et Thibault, 1984).
Allen et Coggan, 2010
Relation Puissance / temps en fonction du niveau
PMA
Endurance
Puissance explosive
Puissance mécanique SRM chez 9 pro et 8 cyclistes élites
Pinot J. et Grappe, 2011
Mesure de la puissance
Capteurs de puissance embarqués
Système SRM avec le pédalier (contenant les jauges de contraintes) et le compteur (Powercontrol) récepteur et afficheur des données