Lors d’un effort sportif, un grand nombre de mécanismes physiologiques interviennent pour assurer la performance. Nous ne verrons ici que les 3 principaux qui sont la production d’énergie pour la contraction musculaire, le métabolisme des glucides pour l’apport en glucose et la respiration pour l’apport en oxygène.
1) Phénomènes physiologiques liés à l'effort
1.1 La production d'énergie
La physiologie de l'effort
Les muscles ont besoin d'énergie pour pouvoir bouger, tout comme les cellules du cerveau qui en ont besoin pour communiquer avec le reste du corps.
Cette production d’énergie provient d’un organite que l’on appelle la mitochondrie, située dans le cytoplasme des cellules. Les mitochondries sont la centrale électrique des cellules, elles se servent de la nourriture pour fabriquer de l’énergie à partir de deux éléments essentiels : le glucose et l’oxygène.
L’énergie dont les muscles ont besoin pour se contracter, provient d’une succession de réactions chimiques qui se passent soit en aérobie, soit en anaérobie. On appelle métabolisme anaérobie, les opérations du métabolisme qui ne requièrent pas d’oxygène pour se produire et à l’inverse, on appelle métabolisme aérobie, les opérations qui requiert la présence d’oxygène.
En mode aérobie, les molécules de glucose issues de l’alimentation sont utilisées en association avec l’oxygène pour former l’adénosine triphosphate (ATP), qui est la molécule de base de l’énergie. Cet ATP est produit majoritairement dans la mitochondrie par le cycle de Krebs.
Le cycle de Krebs est une succession de réactions chimiques complexes qui permet d’obtenir 36 moles d’ATP pour chaque mole de glucose.
En mode anaérobie, le cycle de Krebs ne peut avoir lieu puisqu’il n’y a pas d’oxygène. Dans ce cas, seules 2 moles d’ATP seront produites par la glycolyse, qui est la dégradation du glucose en pyruvate.
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Le nombre de mitochondries dans une cellule dépend du taux d’activité de la cellule et de la quantité d’énergie nécessaire à son fonctionnement. Les exemples de cellules à haute énergie sont celles du muscle cardiaque ou du foie qui sont actives même lorsque nous dormons. Si nous entraînons nos muscles, ces cellules multiplient en réponse leur mitochondries.
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source: http://mariusgeanta.ro/fda-copilul-cu-3-parinti-si-fara-boli-genetice-mitocondriale/
puis traduit en français par sarah
Lors d’un effort intense, le muscle va utiliser la voie anaérobie pour démarrer, comme une réserve immédiate d’un effort violent. Elle permet d’atteindre une intensité maximum de l’effort. Son seul défaut est qu’elle produit un déchet gênant, l’acide lactique qui est responsable des courbatures. Très vite, le muscle va demander un apport en oxygène supplémentaire pour produire l’énergie nécessaire à l’effort sur la durée via le cycle de Krebs.
1.2 Métabolisme des glucides
Les glucides présents dans l’alimentation subissent une désintégration chimique au cours de la digestion. Ils sont ainsi transformés en sucres simples comme le glucose et peuvent passer la barrière digestive au niveau de l’intestin grêle.
Une fois dans le sang, le glucose est soit utilisé directement dans le corps par les muscles soit il est stocké dans l’organisme sous forme de glycogène au niveau du foie ou des muscles, ou sous forme de triglycérides.
Schématiquement, quand le niveau de glucose circulant dans le sang est élevé, l'insuline est libérée par le pancréas :
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pour faciliter l'entrée du glucose dans les cellules et donc son utilisation par les mitochondries.
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pour stimuler la synthèse de glycogène dans les cellules musculaires et surtout hépatiques.
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pour stimuler la synthèse de triglycérides dans les adipocytes à partir du glucose.
Lorsque le repas tarde à venir ou que l’effort se prolonge, le glycogène se transforme à nouveau en glucose sous l’action du glucagon produit par le pancréas, ou d’autres hormones comme le cortisol, l’hormone de croissance, ou encore l’adrénaline.
Il existe ainsi des mécanismes de régulation du taux de glucose sanguin, assurant l’homéostasie glucidique.
Si l'on veut avoir une bonne performance physique sur un temps assez long, il faut consommer (la veille) des aliments à index glycémique bas (féculents) pour augmenter nos réserves en glycogène. Au contraire au moment de l’effort musculaire, il vaut mieux consommer des aliments à index glycémique élevé (fruits secs, bananes).
La dégradation du glycogène du foie est directement liée à l’état de stress du sportif qui provoque une sécrétion de l’adrénaline. Cette adrénaline va conduire à une forte poussée de consommation dans les muscles (glycolyse) accompagnée elle-même d'un ordre donné au foie pour libérer du glycogène qui sera transformée en glucose dans le sang par une réaction chimique (glycogénolyse).
index glycémique : L'indice glycémique est un critère de classement des aliments contenant des glucides, basé sur leurs effets sur la glycémie (taux de glucose dans le sang) durant les deux heures suivant leur ingestion.
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Il faut toujours mélanger sucres rapides et sucres lents, car avaler uniquement des sucres rapides peut provoquer des hypoglycémies réactionnelles. C’est d’autant plus vrai après l’effort.
En cas d’effort en montagne, les acides gras sont largement préférés au glycogène lors des marches d’approche, mais au-dessus de 800 m seul le glycogène sera consommé.
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schéma glucose
voici un schéma synthèse du 1.1 et 1.2 :
1.3 La respiration
La respiration joue un rôle essentiel dans la physiologie de l’effort puisqu’elle permet d’apporter l’oxygène nécessaire au cycle de Krebs et d’évacuer le gaz carbonique produit par les cellules.
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Le système respiratoire est composé de la trachée, des bronches et bronchioles, ainsi que des alvéoles (environ 400 millions) regroupées en lobules et en lobes. C’est dans ces alvéoles que l’échange gazeux va se faire. En effet, la zone d’échange est constituée de la paroi de l’alvéole du coté aérien et de la paroi du capillaire du coté sanguin, c’est la paroi alvéolo-capillaire. Le débit de l’air circulant est réglé par les mouvements respiratoires et le débit sanguin par la pompe cardiaque.
L’efficacité de l’oxygénation du sang est due à la minceur des parois alvéolo-capillaires, à la grande richesse en capillaires sanguins et à la grande surface d’échange.
source: http://www.ac-grenoble.fr/disciplines/svt/file/ancien_site/log/5eme/52/MVHtmlExport/Activit__7___les__changes_au_niveau_des_alv_ol.htm
Le sang véhicule les gaz respiratoires en utilisant deux propriétés physico-chimiques : la dissolution des gaz dans le plasma en fonction de leur pression et la combinaison réversible des gaz avec l’hémoglobine des globules rouges du sang.
a) Dissolution des gaz dans le plasma
La dissolution d’un gaz dans un liquide, et donc sa concentration varie proportionnellement avec la pression partielle de ce gaz dans l’air au contact du liquide selon la loi de Henry : CO2= αPO2, où CO2 est la concentration en oxygène dans le sang et PO2, la pression partielle en oxygène dans l’alvéole. Le passage alvéolo-capillaire se fait surtout grâce à un gradient de pression d’oxygène entre l’air et le sang. En effet, la pression partielle en oxygène est de 100 mmHg dans l’alvéole et de 40 mmHg dans le sang veineux amené par l’artère pulmonaire. Ce gradient de pression favorise le passage de l’oxygène de l’air vers le plasma.
Dans la partie « caractéristiques de l’altitude », nous verrons comment cette pression partielle en oxygène est modifiée en altitude et ces conséquences sur la physiologie.
La pression partielle en oxygène dans l’alvéole est différente de celle dans l’air ambiant, car le volume contenu dans l’alvéole n’est pas renouvelé entièrement à chaque cycle respiratoire. La composition du mélange gazeux est donc différente de l’air ambiant.
b) combinaison réversible des gaz avec l'hémoglobine
Dans le sang, l’oxygène est véhiculé sous forme dissoute (moins de 1%) mais surtout principalement associé à l’hémoglobine. Seul l’oxygène dissout est utilisable par les cellules des tissus. Il existe un équilibre entre la consommation cellulaire d’O2, la teneur du plasma en O2 dissout et la teneur en O2 fixé à l’hémoglobine. Ainsi lorsque la teneur en O2 dissout du plasma diminue en raison d’une consommation cellulaire, l’hémoglobine relargue de l’O2 dans le plasma, et par conséquent la teneur en O2 fixé à l’hémoglobine diminue.
On peut simplifier en disant que le transport en oxygène vers les cellules dépend de trois facteurs :
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Saturation artérielle de l’hémoglobine en oxygène qui dépend de la pression partielle en oxygène dans l’alvéole, et de l’état de fonctionnement de l’appareil respiratoire (paroi alvéolo-capillaire intacte, pas d’obstruction des voies aériennes, …)
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Débit cardiaque qui pourrait être déficient en cas d’hémorragie, de chute de pression artérielle, d’obstruction des vaisseaux, …
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Concentration en hémoglobine qui pourrait être diminuée en cas d’anémie, de malformations de l’hémoglobine,…
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Lorsque l’un de ces facteurs est déficient, les autres compensent pour assurer le transport en O2 vers les cellules. Par exemple, si la saturation partielle de l’hémoglobine en O2 diminue, ce qui est le cas lorsque l’homme consomme l’O2 dissout en faisant un effort physique, le débit cardiaque va augmenter (appelé tachychardie), et donc une respiration plus rapide (appelé hyperventilation).
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Autre exemple : en altitude, la pression partielle en O2 diminue, , et donc par la loi de Henry, la quantité d’oxygène dissout diminue, de même que la saturation artérielle de l’hémoglobine en O2.
Pour compenser, le rythme cardiaque va augmenter dans un premier temps, puis par la suite, il y aura une augmentation du nombre de globules rouges contenant l’hémoglobine permettant ainsi un retour à la normale du rythme cardiaque tout en assurant un apport en O2 identique aux cellules.
Plusieurs mesures de la fonction respiratoire peuvent être réalisées et comparées dans différentes situations.
Ainsi, on peut mesurer la consommation maximale d’oxygène (VO2 max : volume maximal d’oxygène qu’un individu peut consommer par unité de temps lors d’un exercice dynamique aérobie maximal, exprimée en litres d’oxygène par minute).
Ce test se réalise en laboratoire ou sur le terrain. Chez l'humain, le VO2max s'exprime habituellement en litres d'oxygène par minute (L/min). Afin de personnaliser la mesure et tenir compte des différentes constitutions (enfant ou adulte, petits ou grands gabarits...) la valeur observée est le plus souvent rapportée à l'unité de masse corporelle pour déterminer un VO2max dit « spécifique », qui s'exprimera alors en ml/min/kg.
Cette dernière valeur est un excellent indicateur de la performance potentielle du sujet dans les épreuves d'endurance, (sportives ou non) : plus elle est élevée, meilleure sera la performance éventuellement réalisée.
Mesure de la VO2max sur un dispositif moderne de la mesure des échanges gazeux durant un exercice incrémental sur tapis roulant.
Chez l'athlète de haut niveau, on peut observer des VO2max spécifiques atteignant jusqu’à 90 ml·min-1·kg-1 chez l'homme et 75 ml·min-1·kg-1 chez la femme d’après une étude de Saltrin et Astrand (1967).
Les sportifs présentant les VO2max les plus élevées sont les skieurs de fond, les coureurs de fond et les cyclistes sur route.
La VO2max diminue avec l’altitude (-1% tous les 100m). Ainsi à 4800 m, l’effort maximal que le corps peut fournir n’est plus que le 70% de ce qu’il est au niveau de la mer, à 6000 m il est de 40%. A l’Everest (8000 m) il est de 20 %.
2) Caractéristiques des sportifs
2.1 Caractéristiques spécifiques aux sportifs
a) Physique
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La première différence physique est la taille :
Une fille pratiquant la gymnastique à haute intensité développe des retards de croissance si elle a commencé tôt comparé à une autre qui ne fait que du sport à l’école. Ce qui n’est pas le cas pour une adolescente qui fait de la natation ou qui pratique le basket. Elles vont avoir une taille supérieure à la normale.Plus la pratique sportive intensive est commencée tôt, plus il y aura des impacts sur le développement de son organisme.
En effet la croissance d’un gymnaste est retardée et c’est ce qui provoque la différence de taille entre les filles normales et les gymnastes de haut niveau suivant les études faites par l’institut de Nantes de médecine physique et réadaptation. (http://www.nantes-mpr.com/autres_rubriques/taille_gym.htm ). Il y a eu également une étude sur la croissance staturale des basketteurs lors de la journée de l’ACAPS de Marseille (http://dbvr.free.fr/fiches/08PS0001.html ) qui montre que la taille des basketteurs est en moyenne supérieure à la normale.
La seconde, le poids :
Poids corporel et composition corporelle (tissus musculaire et adipeux)
Une activité physique régulière, en association avec un régime alimentaire sain, joue un rôle important dans le contrôle du poids et la composition corporelle.
L'entraînement favorise l'augmentation de la masse maigre, avec comme effets au niveau musculaire, une amélioration de la puissance et de l'endurance. Le gain de force ne va pas nécessairement de pair avec une hypertrophie musculaire. L'entraînement favorise parallèlement la diminution de la masse grasse (pourcentage de graisse) Il est cependant difficile de faire la distinction entre l'effet de l'entraînement et les modifications, dans le même sens, qui se produisent au cours de la croissance normale. Une dépense physique régulière commencée dès l'enfance a certainement un rôle préventif ou correctif important lorsque l'alimentation n'est pas bien équilibrée, ce qui est de plus en plus fréquent.
Le contrôle et la limitation du poids corporel constituent des aspects importants du mode de vie, qui exerce une influence considérable sur différentes maladies chroniques de l'adulte.
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b) Physiologique
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La physiologie est l’étude du fonctionnement et des interactions des organismes vivants (organes, tissus, organites cellulaires) avec leur environnement.
La physiologie du sport étudie plus particulièrement l’adaptation du corps à l’exercice, les aspects de la nutrition du sportif ainsi que les fonctions motrices du corps humain dites de locomotion. L’étude des systèmes nerveux, circulatoires, cardio-vasculaires et respiratoires finit de compléter les éléments de la physiologie du sport.
L’étude de la physiologie sportive permet à l’entraîneur sportif d’élaborer des programmes de préparation physique professionnels adaptés au comportement physiologique du sportif. Pour l’aider dans ses tâches quotidiennes de préparation physique, des logiciels et applications apportent une base de connaissances exhaustive en matière de physiologie de l’exercice.
Exemple : les cyclistes, sont connus pour utiliser la physiologie sportive pour optimiser leurs entraînements et leurs performances.
Lorsqu’un individu pratique un sport, cela lui permet de connaître ses limites. Cela l’oblige donc à avoir une alimentation saine et lui permet d’acquérir de l’équilibre dans des situations prévisibles (gymnastique) ou non (jeux de ballons, sport de combat).
Le sport l'oblige aussi à construire une méthodologie de travail, réutilisable dans d’autre domaines. Cela facilite également l’évacuation de la tension nerveuse qu’il peut acquérir durant la journée (le stress par exemple).
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c) Psychologique
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Le sport à haut niveau aide au développement mental du sportif. En effet, la plupart des sportifs ont connus un grand succès grâce à leur force mentale.
Cette capacité intellectuelle dépend du sport exercé. Le sportif va ainsi développer des compétences qu’il pourra utiliser dans la vie courante ; comme atteindre des objectifs par des voies différentes et essentiellement par sa détermination exercée au fil de ses années de compétitions et d'entraînements.
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d) Musculaire
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La pratique d’un sport améliore la capacité musculaire chez l’individu. Si elle est régulière, elle permet de lutter contre l’obésité.
Le sportif brûle des calories accumulées durant la journée ou la semaine. La perte de calories est caractéristique du type d’endurance que l’on pratique. Elle n'est pas la même si le corps brûle les graisses en aérobie ou anaérobie.
2.2 Les caractéristiques de l'endurance
Il existe 2 types d'endurance :
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a) Endurance fondamentale
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L’endurance fondamentale est l'endurance tout court, qui permet par exemple de maintenir un rythme de croisière lors d'un footing tranquille. C'est surtout l'allure des débutants, mais c'est aussi une allure de récupération pour les sportifs confirmés. Le travail musculaire se fait principalement en aérobie, à environ 70-75 % de la Puissance Maximale Aérobie (puissance de l'exercice à VO2 max).
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b) Endurance active
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L'endurance active est un seuil au-dessus. Elle est en général maintenue quelques minutes mais peut être prolongée par l'entraînement et correspond à environ 80-85 % de la Puissance Maximale Aérobie.
Il existe ensuite différents types d’endurance suivant les caractéristiques du sport :
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Sports cycliques de longue durée (marathon, courses de fond, marche, ski nordique, cyclisme sur route... L'endurance dépend, quasi essentiellement, du potentiel aérobie.
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Sports cycliques de moyenne durée (aviron, canoë-kayak, patinage de vitesse, poursuite sur piste en cyclisme, 1500 à 5000 m en athlétisme, 200 à 1500 m en natation, etc.). L'endurance dépend du potentiel aérobie avec une forte participation des processus anaérobies lactiques.
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Sports de courte et de très courte durée (100, 200, 400 m en athlétisme, 50, 100 m en natation, 500, 1000 m en patinage de vitesse, sprint et kilomètre " arrêté " en cyclisme ...). L'endurance est essentiellement liée au potentiel anaérobie alactique et à la puissance anaérobie lactique.
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Sports acycliques de type explosif (sauts, lancers, haltérophilie ... ). La force et la force explosive étant les facteurs déterminants, l'endurance se manifestera par le maintien, voire l'augmentation, du plus haut niveau de " force spécifique " au cours du déroulement des différentes phases de la compétition.
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Sports d'adresse et de précision (tir ... ). L'endurance se manifeste sur le plan psychologique par la stabilité du contrôle émotionnel de la concentration et du stress imposé par la pratique elle-même.
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Sports artistiques (plongeon, gymnastique, patinage artistique, natation synchronisée). L'endurance se caractérise par un haut degré de stabilité des enchaînements techniques et des programmes d'exercices, pendant toute la durée de la compétition et particulièrement quand la fatigue physique et mentale s'installe.
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Sports à développements complexes (sports collectifs, sports individuels d'opposition : lutte, judo, escrime, tennis, boxe, golf, sports combinés : pentathlon moderne, pentathlon, décathlon.). L'endurance se manifeste sous toutes les formes précédentes et se caractérise par les capacités de l'athlète ou de l'équipe à réaliser un nombre optimum d'actions techniques de haute qualité et à exécuter des actions supplémentaires en fonction du déroulement de la compétition et du rapport de force en présence.
Schéma synthèse production d'énergie
Schéma mitochondrie humaine
Graphique représentant les types d'effort en fonction du temps et du système utilisé pour la production d'énergie
Schéma représentant la fonction de l'insuline sur le glucose
Graphique représentant la consommation des substrats énergétiques en fonction de l'altitude
Schéma synthèse production d'énergie dans les cellules du corps humain
Schéma d'une alvéole pulmonaire
Schéma simplifié du passage d'O2 entre une alvéole et une cellule
Schéma explicatif de la loi de Henry
source : google image
Schéma du métabolisme du glucose
Transport O2 = Saturation artérielle de Hb en O2 X débit cardiaque X concentration en Hb
