Physiologie de l’Exercice (les Bases)
Dernière mise à jour : 2 mai 2021
Cet article permettra d’acquérir les bases pour mieux comprendre ce sujet si complexe qu’est le Corps humain.
L’Énergie :
L’ATP est la centrale d’énergie (molécule) permettant de fournir de l’énergie électrique/chimique/thermique/mécanique aux cellules. L’ATP (aussi nommé Adénosine Tri Phosphate) est composée de 3 phosphates qui lorsqu’ils se brisent libèrent de l’énergie qui peut être utilisée.
Les cellules musculaires (composant le tissu musculaire) contiennent des filaments protéiques d’actine et de myosine qui glissent les uns sur les autres, produisant une contraction qui modifie à la fois la longueur et la forme de la cellule.
Toutes les cellules musculaires produisent de l’ATP, ces molécules énergétiques sont utilisées pour le mouvement des têtes de myosine. L’activité musculaire consomme la majeure partie de l’énergie (sans oublier que le cerveau compte lui pour 1/3). Elle est principalement responsable du maintien et de l’évolution de la posture, de la locomotion, ainsi que du mouvement des organes internes, tels que la contraction du cœur et la circulation des aliments dans le système digestif.
Les muscles peuvent stocker de l’énergie pour une utilisation rapide sous la forme de phosphocréatine (qui est générée à partir d’ATP et qui peut régénérer cette ATP si nécessaire grâce à la créatine kinase). Les muscles peuvent aussi stocker du glucose sous forme de glycogène (comme le foie). Ce glycogène peut être rapidement converti en glucose pour poursuivre les contractions musculaires. Chez les sportifs de haut niveau, les cellules musculaires contiennent également des globules de graisse à proximité, utilisés pendant l’exercice aérobique. La production d’énergie dans des conditions aérobie prend plus de temps et nécessite beaucoup d’étapes biochimiques, mais en contrepartie produit beaucoup plus d’ATP que la glycolyse anaérobie.
Le muscle cardiaque peut facilement utiliser l’un des trois macronutriments (protéine, glucose et lipide) en aérobie rapidement et avec un rendement d’ATP maximal. Le cœur, le foie et les globules rouges peuvent réutiliser les lactates (produit par les muscles squelettiques pendant l’exercice physique intense) dans leur propre métabolisme.
Une belle molécule d'ATP.
Les Fillières Énergétiques :
L’ATP est présente dans l’organisme en petite quantité et devra donc être resynthétisée pour que la contraction musculaire se poursuive, car le système est très puissant, mais très court. Les réserves d’ATP permettent de réaliser un effort intense pendant 2 à 4 secondes. La récupération permet de régénérer la moitié de l’ATP en 1-3 minute et complètement en 15 minutes.
L’ATP est présente dans l’organisme en petite quantité et devra donc être resynthétisée pour que la contraction musculaire se poursuive.
Si l’effort musculaire continue, il faut que l’organisme puisse fournir immédiatement de l’ATP, à partir d’autres sources d’énergie. La créatine phosphate, qui se dégrade facilement en ATP, est une molécule présente dans le muscle, qui constitue une autre réserve. Mais ce deuxième réservoir s’épuise vite également. C’est ce qu’on appelle la filière Anaérobie Alactique.
Si l’effort se prolonge, le muscle accède rapidement à une source d’énergie plus durable constituée par le glycogène. Ce dernier est la forme sous laquelle est stocké le glucose à l’intérieur de l’organisme. Le glycogène se dégrade et forme une nouvelle source de carburant, et donc de l’énergie pour le muscle. La théorie veut que la dégradation du glycogène produise des composés appelés lactates qui empêcheraient cette filière de s’exprimer sur la longue durée (ca rest à prouver). C’est ce qu’on appelle la filière Anaérobie lactique.
Pour que l’effort soit maintenu au-delà de ce stade, il y aura alors une chute de Puissance. La respiration cellulaire (le processus qui utilise de l’oxygène) lors des contractions lentes ou au repos, utilise l’énergie fournie par la dégradation des acides gras pour l’approvisionnement en ATP. C’est un processus complexe appelé Cycle de Krebs et qui se déroule dans la filière Aérobie.
Petit résumé des filières énergétiques :
Anaérobie Alactique (AA) : 0-15 seconde d’efforts type Sprints ou Haltérophilie.
Anaérobie Lactique (AL) : 15-180 secondes d’efforts types Hypertrophie, Round de Boxe.
Aérobie (AER) : Plus 180 secondes d’efforts types Course à Pied ou Vélo.
Les 3 filières énergétiques sur la courbe d'Howard.
La capacité et la puissance :
Chacune des trois voies énergétiques (AA, AL et AER) est caractérisée par une Capacité représentant une quantité d’énergie, et une Puissance représentant une intensité d’énergie délivrée.
En gros, la Capacité c’est la taille de votre bouteille d’énergie (la quantité) et la Puissance c’est la taille du Goulot (la vitesse d’écoulement).
Anaérobie Alactique (AA) : Très grosse Puissance, mais très faible Capacité. Un sprinter aura une très grande vitesse, mais pas longtemps. Usain Bolt (recordman du 100 m avec une vitesse de 44,72 km/h) à la Capacité de maintenir un niveau de Puissance très élevé pendant plus longtemps que ses concurrents ce qui fait qu’il ne ralentit pas (ou peu) lors de sa course.
Anaérobie lactique (AL) : moyenne Capacité, moyenne expression de Puissance.
Aérobie (AER) : Très grosse Capacité, faible expression de Puissance. Un Marathonien ne courra pas à une vitesse aussi haute qu'un sprinter mais pourra tenir le rythme plus longtemps. Eliud Kipchoge (meilleur marathonien au monde) à une forte Puissance aérobie (21 km/h de vitesse moyenne sur un marathon) ce qui fait qu’il peut rester dans la filière aérobie à une vitesse élevée.
Plus un exercice sera réalisé avec puissance, plus sa durée (sa capacité à maintenir un niveau d’effort) sera difficile à maintenir.
De comprendre ces systèmes va nous permettre de déterminer les voies énergétiques en fonction des qualités (vitesse, résistance, endurance) à développer selon l’athlète et le sport pratiqué.
Usain Bolt, l'homme le plus rapide du monde.
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 1 h et 1 h 30 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 tous les cycles de l’entrainement (macro, méso et microcycles).
Il y a des sports comme la boxe, ou les sports d’équipe (Hockey, rugby) qui font intervenir les 3 filières énergétiques d’où l’importance d’une bonne périodisation. Voir l’article « Périodisation ».
Le principe de surcompensation :
L’entrainement repose sur le principe que l’organisme pour maintenir son homéostasie (équilibre de ses paramètres biologiques) en faisant face aux modifications du milieu extérieur va s’adapter pour retrouver son 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, c’est la progression. Les réserves se reconstitueront donc pendant le repos, moment indispensable de la régénération.
Pour progresser, il va falloir créer un état de déséquilibre avec une récupération suffisante ensuite.
Tout l’art et la difficulté de la planification résident 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 surentrainement qui s’installeront, où, finalement cas « le moins pire », aucune adaptation et donc progression n’auront lieu.
Les délais de surcompensation selon les efforts réalisés dans la filière :
Aérobie : 24 à 48 h
Anaérobie lactique : 48 à 72 h
Anaérobie alactique : 12 à 24 h
Le système circulatoire :
Le maintien de la vie d’un être vivant est possible si la chaîne apports extérieurs/transformation pour création d’énergie/rejet des déchets est en fonctionnement.
Les fonctions d’apport continu de nutriments et d’oxygène vers les cellules, ainsi que le rejet des déchets du métabolisme produits par celles-ci sont assurés par la fonction circulatoire.
Schématiquement, le système circulatoire est une boucle comprenant une pompe (le cœur) et des tuyaux dans lesquels circule le sang. Le cœur envoie le sang dans les artères, les organes sont desservis par les capillaires et le sang revient au cœur par les veines.
Le cœur :
Le cœur, moteur central de la circulation du sang, est un muscle (de la taille d’un poing) qui fonctionne en autonome et qui sert à faire circuler le sang.
Il est constitué de deux éléments, le cœur droit et le cœur gauche ne communiquant pas entre eux. Le cœur droit contient le sang non oxygéné, tandis que le cœur gauche contient le sang oxygéné. Ils sont chacun divisés en deux cavités que sont l’oreillette et le ventricule. Le cycle cardiaque est une succession ordonnée de contractions et relâchements des oreillettes et ventricules.
La tension artérielle correspond à la pression exercée par le sang sur les parois artérielles et elle varie à chaque battement du cœur pour passer successivement par :
Une systole est la contraction d’une cavité (oreillette ou ventricule) et la diminution de son volume par le vidage de son sang.
Une diastole correspond au relâchement et à l’augmentation de volume d’une cavité qui se remplit de sang.
Le phénomène mécanique de l’activité cardiaque se traduit par la succession de systoles et de diastoles et définit la pression artérielle (la pression artérielle normale de l’adulte est d’environ 120/80).
Le Pouls lui est l’onde de choc transmise le long des artères lorsque se produisent les contractions cardiaques.
Moyenne au repos suivant l’âge :
1 an = 115 à 130 puls/mn ;
10 ans = 80 à 90 puls/mn ;
Adultes = 60 à 80 puls/mn.
Les efforts consentis pour un travail musculaire vont obliger le système cardio-vasculaire à s’adapter de façon immédiate. La répétition de ces efforts dans le cadre d’un entrainement le fera s’adapter à long terme.
La baisse de la fréquence cardiaque au repos, un seuil à l’effort plus bas, une meilleure stabilisation pour une même intensité d’exercice aérobique (entre un non entrainé et un entrainé), ainsi qu’un retour à la fréquence de repos plus rapide, est due à l’ajustement des systèmes de contrôle activant ou calmant l’activité cardiaque. Une modification de la structure fait que l’organisme n’a peut-être pas besoin d’un cœur qui bat plus vite.
Les effets de l’entrainement sur le cœur modifient le volume d’éjection systolique (VES) ainsi que la fréquence cardiaque (FC). En effet l’entrainement aérobie crée une hypertrophie cardiaque caractérisée par une augmentation de la cavité et un épaississement des parois, alors que l’augmentation de la structure cardiaque dépend d’un entrainement anaérobie ou proche de la VO2max.
Le travail du cœur est énorme et fait de manière autonome.
Le sang :
Le corps humain contient environ 4 à 5 litres de sang lui-même composé de plasma, de globules rouges et de globules blancs.
Le plasma, transporte les éléments nutritifs nécessaires au corps ainsi que les déchets vers les organes dont le rôle est de les éliminer. Il contient de l’eau, des sels minéraux, des protides, des lipides, des glucides, à des taux constants maintenus grâce à des mécanismes régulateurs.
Les globules rouges contiennent de l’hémoglobine, pigment des globules rouges, qui assurent le transport de l’oxygène et du gaz carbonique entre l’appareil respiratoire et les cellules de l’organisme. L’entrainement ne fait pas subir de modifications à ceux-ci, contrairement à l’entrainement en altitude qui permet d’augmenter leur nombre.
Les globules blancs du sang et de la lymphe assurent la défense contre les micro-organismes en détruisant les bactéries et en sécrétant des anticorps.
Le système ventilatoire :
Étant donné la nécessité de présence d’oxygène pour le fonctionnement de l’humain, il existe un système permettant de remplir les fonctions d’échanges gazeux entre les cellules et le milieu extérieur.
L’absorption d’oxygène et l’élimination des gaz carboniques sont assurées par la ventilation pulmonaire. Celle-ci est réalisée par des phénomènes mécaniques d’expansion et de rétraction de la cage thoracique. Ces phénomènes provoquent l’inspiration et l’expiration d’air obtenu par les contractions du diaphragme et des muscles intercostaux et ils permettent les échanges gazeux (l’oxygène diffuse vers le sang et le gaz carbonique vers l’alvéole).
L’appareil respiratoire est constitué :
Des voies aériennes (cavités nasales et buccale, pharynx, larynx, trachée et bronches), dont le rôle essentiel est d’assurer la filtration et l’épuration de l’air inspiré ;
Des deux poumons qui contiennent les alvéoles pulmonaires.
Lors d’un exercice physique, la demande en oxygène devient plus importante au niveau des cellules musculaires participant à l’effort.
Au début de l’exercice a lieu une augmentation de l’amplitude et de la fréquence des mouvements respiratoires. Cette élévation croît au fur et à mesure de l’augmentation de l’intensité de l’exercice physique.
Dans le cas où cette intensité, élevée au début devient modérée, les rythmes respiratoires et circulatoires se stabilisent. Un équilibre entre la consommation et les apports d’oxygène a lieu. C’est un état stable (stady state) correspondant au second souffle où l’effort paraît plus facile. En revanche plus l’athlète soutient un effort intense, plus le débit augmente jusqu’à atteindre une limite pour laquelle tout l’oxygène disponible au niveau musculaire est utilisé (La Vo2 Max). A l’arrêt de l’effort, une phase de récupération ramène les valeurs respiratoires progressivement à leur valeur initiale. L’organisme paye la dette d’oxygène constituée pendant la phase de mise en train. La récupération sera ainsi d’autant plus longue que la mise en train aura été plus lente où la dette accumulée importante.
Les Muscles :
Le corps humain est constitué d’environ 650 muscles représentant environ 40 % du poids de corps et réparti en trois catégories : les muscles striés, les muscles lisses et le muscle cardiaque.
Les muscles striés squelettiques : au nombre de 570 environ et permettant de réaliser des mouvements, ils fonctionnement souvent par couple (agoniste — antagoniste) et créent le mouvement en tirant de part et d’autre d’eux même.
Les muscles lisses : se situant dans les parois des structures internes creuses (estomac, intestins, vaisseaux sanguins), ils ne sont pas directement sous le contrôle de la conscience (sauf dans le cas de stress important générant des douleurs abdominales par exemple).
Le myocarde (muscle cardiaque) : se contractant de façon régulière, automatique et infatigable, il est indépendant de la volonté ; le système nerveux végétatif intervient dessus dans une certaine limite, en le ralentissant ou en l’accélérant, sans être en mesure de l’arrêter totalement.
La magnifique planche anatomique de Frédéric Delavier (disponible dans ses ouvrages et en Poster)
Les muscles striés squelettique du Torse :
Sont inclus dans cette catégorie :
Les muscles qui ont leur origine sur l’omoplate et qui s’attachent sur l’humérus (sus épineux, grand rond, petit rond, sous épineux, sous scapulaire)
Les muscles qui ont leur origine sur le torse et qui s’attachent sur l’omoplate (angulaire de l’omoplate, rhomboïde, trapèze, grand dentelé)
Les muscles qui partent du torse et s’attachent sur le bras (grand pectoral, deltoïde, grand dorsal, petit pectoral)
Les muscles striés squelettique des Jambes :
Sont inclus dans cette catégorie :
Les muscles de la hanche (muscles fessiers, muscles de l’aine, muscles fléchisseurs de la hanche)
Les muscles du genou (extenseurs du genou, fléchisseurs du genou)
Les muscles de la jambe (cheville) et du pied (muscles de la cheville)
Les muscles striés squelettique des Bras :
Sont inclus dans cette catégorie :
Les muscles qui font la flexion du coude (biceps brachial, brachial antérieur, long supinateur/brachioradialis)
Le muscle qui fait l’extension du coude (triceps brachial)
Les muscles de l’avant-bras et du poignet (que nous ne verrons pas dans le détail)
Les muscles striés squelettique du Tronc :
Sont inclus dans cette catégorie :
Les muscles du rachis (érecteurs du rachis, splénius)
Les muscles abdominaux (grand droit, obliques externes, obliques internes, transverse, carré des lombes)
Les muscles de la respiration
Les propriétés du muscle du muscle strié squelettique :
L'excitabilité : un muscle doit être précédemment excité pour pouvoir se contracter ;