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Quelques Notions de Physiologie
Écrit par Romuald   
13-05-2006

Jusqu'ici nous avons surtout évoqué les aspects mécaniques de la machine à pédaler. Aujourd'hui, nous allons regarder de plus près comment fonctionne le "moteur".

S'agissant de véhicules mus par la force musculaire, ce dernier n'est autre que le corps humain.

LES DEPENSES ENERGETIQUES 

Les dépenses énergétiques quotidiennes d'un sujet comportent celles dues au métabolisme de base, auxquelles viennent s'ajouter la déperdition d'énergie liée au travail musculaire, la digestion et la thermorégulation (maintien de la température interne du corps à 37°C).

Les besoins énergétiques et nutritionnels varient en fonction du sexe, beaucoup en fonction de l'âge du sujet et des situations physiologiques et pathologiques particulières. Ainsi enfants et adolescents doivent assurer leur développement corporel, les femmes enceintes nourrir le fœtus, et après la naissance permettre le meilleur allaitement maternel.

Une autre substance, l'adrénaline, hormone de la peur et du stress, augmente le métabolisme de base. Nos émotions peuvent donc accroître notre dépense énergétique dans des proportions importantes (jusqu'à 50% !) et doubler notre consommation d'oxygène. Il est important d'en tenir compte cependant, puisqu'elles peuvent, par exemple, provoquer une hypoglycémie chez le sportif en proie au trac lors d'une compétition, alors que sa glycémie est habituellement bien équilibrée grâce à des apports alimentaires étudiés.


LE METABOLISME DE BASE

Le métabolisme de base est le besoin en calories nécessité par l'organisme pour assurer son fonctionnement pendant une journée de 24 heures. Il représente le niveau métabolique d'un individu au repos, à jeun depuis 14 à18 heures et s'exprime en Kj (kilojoule) par cm2 de surface corporelle et par heure (1 calorie = 4,18 joules).

Le métabolisme de base chez les mammifères est de l'ordre de 40 kcal/m2/h.

Il correspond aux dépenses énergétiques de fonctionnement, au repos, des différents systèmes, cardio-vasculaire, respiratoire, digestif et du maintien de l'activité cellulaire de tous les organes.

La valeur du métabolisme de base moyen peut être estimée chez l'adulte à environ 1700 kcal chez l'homme et à 1300 kcal chez la femme.

Le métabolisme de base de la femme apparaît de 5 à 10 % plus faible que celui de l'homme du fait de la plus grande importance en graisse de sa masse corporelle. Par unité de masse maigre, le métabolisme de base est identique.
 
 
LA THERMOREGULATION

Le maintien de la température corporelle induit des dépenses énergétiques variables selon les saisons mais faibles dans les conditions habituelles de vie en France. Les femmes présentent en général un tissu adipeux sous cutané plus épais que celui des hommes, ce qui leur assure, en théorie, une meilleure isolation thermique.

 
LA DIGESTION ET L'UTILISATION DES ALIMENTS

Lors de la digestion, deux types de dépenses énergétiques sont cumulées : le travail digestif lui-même et l'assimilation des nutriments.

La digestion, dont le but est de nous apporter de l'énergie (entre autres), a un coût énergétique variable en fonction de ce que nous mangeons, qualitativement (c'est ce que l'on appelle l'action dynamique spécifique des nutriments ou ADS) et quantitativement.

Ainsi, lorsque nous mangeons une ration riche en protéines, nous procédons à un gaspillage énergétique important. En effet, notre dépense énergétique s'accroît de 3% pour l'utilisation d'une ration glucidique, de 10% pour une ration lipidique et enfin de 30% pour une ration protéique !

Pour un repas, cette dépense correspond à une élévation de 20 à 30% du métabolisme de base : elle commence dès le début du repas et se poursuit pendant 3 à 5 heures.

bon appétit
 


LE TRAVAIL MUSCULAIRE

Quelques exemples de dépenses énergétiques, en kcal / heure :
- travail moyen 150 à 300
- travail lourd 300 à 450
- travail intense 500 à 600

Quelques exemples de dépenses  sportives, en kcal / heure :
- cyclisme sur piste 220
- cyclisme sur route 400
- cyclisme sur route avec vent de face 600


APPORTS ENERGETIQUES MOYENS

Quelques ordres de grandeur des besoin en apports énergétiques, femme / homme, en kcal / jour

Activité réduite : 1800 / 2100
Activité habituelle : 2000 / 2700
Activité importante : 2200 / 3000
Activité très intense : / 3500

des glucides



LES SUBSTRATS ENERGETIQUES

Le muscle est constitué de nombreuses cellules longues qui, grâce à leur contenu, se raccourcissent sur l'ordre et sous la surveillance du système nerveux. Ces cellules contractiles des muscles ont besoin, pour remplir leur rôle, d'eau, de sels minéraux (sodium, potassium et calcium), de différents enzymes et d'énergie.

Cette énergie est fournie par l'adénosine triphosphate (ATP). Le muscle est une machine thermique qui transforme l'énergie chimique en énergie mécanique, compte tenu de l'inévitable dégradation de 80% de l'énergie sous forme de chaleur. La production d'énergie musculaire se classe en deux cycles principaux : ­

- sans utilisation d'oxygène : anaérobie

- avec utilisation d'oxygène : aérobie.

L'organisme trouve sa première source énergétique dans l'ATP présent dans le muscle qui lui donne deux à trois secondes d'énergie qui ne fait pas appel à l'oxygène (anaérobie) et ne laisse aucun déchet.

Elle possède le plus fort pouvoir explosif mais est éphémère. Du fait que l’ATP ne peut être fourni ni par voie sanguine ni par les tissus, il doit être continuellement re synthétisé dans la cellule.

L'organisme puise ensuite dans la créatine phosphate (CP) disponible dans les cellules musculaires pour obtenir une énergie durable jusqu'à approximativement la dixième ou quinzième seconde. La concentration de CP est environ de 3 à 5 fois celle de l’ATP.

Au-delà de ce délai, les réserves d'adénosine triphosphate sont complètement épuisées, la régénération ne se fait plus.

Pour que la contraction musculaire puisse continuer, il faut que d'autres molécules d'ATP soient fabriquées. C'est par la mise en jeu de ses réserves énergétiques glucidiques et lipidiques, et par la dégradation des aliments que l'organisme y parvient.

Les glucides, ou sucres lents, sont l'aliment de premier choix pour le muscle. Seul le cœur fait exception car il utilise aussi bien les sucres que les graisses. Les glucides sont tous transformés pendant la digestion en un corps simple : le glucose.

encore des glucides
 

Sa concentration dans le sang, appelée glycémie, est, à l'état normal et à jeun, stable aux alentours de 1 gramme par litre. S'il n'est pas utilisé par l'organisme, le glucose est d'abord stocké sous une forme rapidement mobilisable, le glycogène, dans les muscles et le foie, dont les capacités de stockage sont limitées.

Le glucose excédentaire est ensuite transformé en graisses et emmagasiné sous cette forme dans le tissu adipeux (ou graisseux) dont la capacité est, elle, infinie ou presque ! La grande réserve de glucides est donc représentée par les graisses.

Les hormones, spécialement l’insuline, jouent un rôle important dans la régulation des réserves hépatiques et musculaires de glycogène en contrôlant le niveau de sucre sanguin en circulation.

L'insuffisance de glycogène hépatique peut entraîner des signes d'hypoglycémie alors même que le stock de glycogène musculaire n'est pas épuisé (en général dans des exercices de longue durée d'intensité modérée).

En cas de besoin, le glycogène musculaire est d'abord utilisé puis le glucose sanguin et le glycogène hépatique. En dernier lieu les stocks de graisse sont mis à contribution. Le glucose ainsi libéré pénètre dans la cellule musculaire où sa destinée sera différente selon qu'il y a ou non de l'oxygène.

En présence d'oxygène, le glucose est broyé dans le cycle de Krebs (Krebs est le savant qui a décrit tous ces mécanismes) qui en extrait l'hydrogène et surtout l'énergie qui lui est attachée.

Le cycle de Krebs produit, à partir d'une molécule de glucose, 30 liaisons riches en énergie qui vont donner 30 ATP. Les déchets de cette combustion seront de l'eau et du gaz carbonique. Une condition d'oxygénation suffisante se trouve réalisée lors des efforts d'endurance.

D'autre part le catabolisme du glycogène fournit des substrats indispensables à l'utilisation aérobie du glucose et des lipides. Le glycogène doit être épargné pour permettre un effort de longue durée, une intensité de départ trop importante dans un exercice, nuit donc à sa longévité.

L'entraînement permet d'améliorer le temps de sollicitation des lipides et leur part énergétique de l'effort. L'organisme apprend à économiser plus rapidement le précieux glycogène en transférant la demande énergétique vers les acides gras.

En l'absence d'oxygène, le broyage de la molécule de glucose ne passe plus par le cycle de Krebs. Le glucose est dégradé en acide lactique. Le rendement est faible (2 ATP pour une molécule de glucose), il y a surconsommation des matériaux disponibles, épuisement rapide des réserves et accumulation de déchets (l'acide lactique lui-même). Une condition d'oxygénation insuffisante se trouve réalisée lors des efforts de résistance.

C'est même là une des définitions de la résistance.

Si l'oxygénation redevient suffisante et si l'effort continue, l'acide lactique peut être utilisée dans le cycle de Krebs et y fournir de l'énergie. De même, à l'arrêt de l'effort, l'acide lactique participe à la reconstitution des réserves de glycogène hépatique.

Le glycogène musculaire compte pour 150 à 300 g, le glycogène hépatique pour 70 g et le glucose sanguin pour seulement 15 à 20 g. Comme chaque gramme de glycogène retient 17 kj d’énergie, (4 kcal), un individu moyen possède de 6 000 kj à 8000 kj (1400 à 1800 kcal, soit de 90 minutes à 3h d'effort au dessus de 75% de VO2 max, suivant l’entraînement ).

Les lipides ne sont pas les aliments préférés du muscle sauf pour le myocarde. Si l'oxygénation est bonne, les lipides permettent la formation de substances susceptibles de pénétrer dans la cellule musculaire pour y être broyées dans le cycle de Krebs. Une bonne oxygénation étant nécessaire, la participation énergétique des lipides sera d'autant plus importante que l'effort sera modéré, c'est-à-dire en endurance.

Au-delà de 2 à 3 heures elle peut aller jusqu'à 70%. De plus, les lipides sont énergétiques et structuraux. Par exemple, le cerveau est constitué en grande partie de lipides. Ils jouent un rôle capital de mise en réserve en étant largement inter convertibles avec les glucides. Ces réserves lipidiques du tissu adipeux sont immenses, il est inutile de les surcharger. Tout excès de lipides alimentaires ne fait qu'augmenter le poids du sujet et nuire à ses performances.

Les protides ne participent que très peu à la contraction musculaire. Elle semble plus importante au stade de récupération, intervenant notamment dans la reconstitution du stock de glycogène hépatique. Leur utilisation produit beaucoup de déchets. Leur rôle essentiel est structural, les muscles sont d'ailleurs l'exemple même de structures protidiques (la viande !).

L’EAU

Constituant essentiel de toutes les cellules (70% du poids du corps), l'eau est en même temps le véhicule privilégié pour transporter les aliments du monde extérieur vers leur lieu d'utilisation : les cellules. En sens inverse, elle véhicule les déchets des métabolismes vers les reins, les poumons et la peau. De même, elle transporte pour l'éliminer la chaleur excédentaire qui peut être considérée comme un déchet.

à boire ou je...

Pour que ces fonctions de nutrition et d'épuration puissent se faire correctement, il faut que l'eau ne manque pas à l'organisme. C'est dire la nécessité d'en compenser les pertes.

Le rôle des reins

Le sang charrie certains matériaux usés (urée, acides...) qui, n'étant pas volatiles, ne peuvent s'éliminer qu'avec un support liquide. Cette élimination se fait par les reins qui filtrent les déchets et les expulsent avec l'urine.

Il y a donc perte d'eau et de sels minéraux, dont la destinée est liée à l'eau, qu'il faut compenser en quantité appropriée.

Lors de l'effort, le débit sanguin rénal diminue, le débit urinaire également. Cette diminution est encore plus importante quand l'hydratation de l'organisme est insuffisante. Dans ces conditions, les reins s'efforçant d'économiser l'eau, ne peuvent plus jouer correctement leur rôle d'épuration et le taux d’urée s'élève.

Le meilleur reflet d'une bonne hydratation au cours d'un effort de longue durée est la persistance d'un débit urinaire correct. En d'autres termes, tant que l'on continue à uriner trois ou quatre fois dans la journée, on est assez hydraté.

Le rôle des poumons

Le gaz carbonique (CO2), déchet de la combustion du glucose dans les cellules, est dissous dans le sang et combiné à diverses substances dont l'hémoglobine du globule rouge. Arrivé dans les poumons, il se volatilise et est éliminé par les voies respiratoires.

L'oxygène prend sa place dans le globule rouge. En même temps qu'il y a élimination du gaz carbonique, l'eau contenue sous forme de vapeur dans l'air expiré est elle aussi rejetée.

Cette eau va entraîner avec elle une petite quantité de chaleur et contribuer modestement à limiter l'élévation de température du corps pendant l'effort. La perte d'eau par les poumons n'est pas négligeable au repos. Elle peut s'accroître considérablement au fur et à mesure qu'augmente le débit respiratoire passant par exemple de 0,4 litre par 24 heures au repos à 4,8 litres par 24 heures à l'effort.Là encore, il convient de compenser les pertes.

La sueur

Le rendement de la contraction musculaire est faible. Seulement 20% de l'énergie fournie par les ATP est transformé en énergie mécanique, les 80% restants sont transformés en chaleur qui est absorbée et évacuée par l'eau. Si aucune régulation ne se faisait, l'augmentation de la température du corps deviendrait vite incompatible avec la vie.

Divers mécanismes permettent d'éliminer la chaleur excédentaire. Le plus efficace est celui de la sudation. La transpiration est une cause importante de perte d'eau et aussi de sels minéraux (la sueur est salée). La fuite peut atteindre 10 litres par 24 heures.

Rendement et hydratation

Le danger encouru pendant l'exercice intense est celui résultant de la perte d'eau non compensée. Si 500 à 700 ml de sueur sont excrétés quotidiennement de manière normale, cette quantité ne correspond absolument pas à la capacité de sudation lors d’un exercice prolongé par temps chaud (1 à 3 l / h).

En une à deux heures d'exercice intense, l'organisme peut perdre jusqu'à 7 litres d'eau (7 kg). L’ objectif du réapprovisionnement en eau est de maintenir le volume plasmatique à son niveau, afin d’assurer le meilleur fonctionnement de la circulation et de la sudation.

hydratation

Pendant l’exercice, il faut ingérer par ¼ h un maximum de 250 ml d'eau ou d’une boisson spécifique (légèrement glucosée admis). L'organisme met en effet 15 minutes à assimiler 250 ml d'eau. Au delà cette eau reste dans l'estomac et gêne le sportif pendant son exercice.

Pour une déshydratation de 4% du poids corporel (2,5 à 3 litres) le rendement de l'organisme est réduit de 40% si la température extérieure est de 10°C. Cette réduction atteint 60% dans un environnement à 40°C.

La perte d'eau dépend de la température et de l'humidité ambiante. Plus l'atmosphère est humide, moins la sueur peut s'évaporer. Une humidité relative de 95% est dangereuse, car il devient très difficile d'éliminer la chaleur par évaporation.


 
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