Propriétés mécaniques musculaires chez le sportif. Fred Grappe

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1 Propriétés mécaniques musculaires chez le sportif Fred Grappe

2 Mécanismes de la contraction musculaire 1

3 Structuration du niveau organismique au niveau moléculaire 2

4 Muscle strié squelettique 3

5 Fibre musculaire découpée en 3D 4

6 Filament épais de myosine Filament fin d actine Vue miscroscopique de l arrangement entre les filaments d actine et de myosine Coupe transversale de deux myofibrilles montrant l'arrangement actine -myosine. 5

7 Vue microscopique de sarcomères 6

8 Types de fibres musculaires Comparison des enzymes Caractéristiques Rapides Intermédiaires Lentes Type IIb IIa I Glycolytique Oxydative Mitochrondries Glycogène Myoglobine

9 Types de fibres musculaires Influence de l exercice EXERCISE % type fibres prédominantes Marathon I 62 Sprint IIb 47 Altérophilie IIa 53 Aviron I 65 Natation IIa 57 Le type de fibre musculaire est génétiquement pré-déterminé mais il peut être changé en direction d autres types de fibres à partir de stimuli d entraînement spécifiques.

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11 Potentiel d action et force sousmax Un simple potentiel d action musculaire détermine le développement d une force submaximale due à la vitesse de libération du Ca ++ qui est dépendante de la Ca ++ ATPase qui enlève le Ca ++ du sarcoplasme une fois la contraction terminée.

12 Potentiel d action et tétanos Lorsque la fréquence du potentiel d action augmente, la Ca ++ ATPase ne parvient pas à enlever le Ca ++ cytosolique assez vite, permettant l augmentation de la force maximale (tétanos).

13 Principe d Henneman Le principe de taille, énoncé par HENNEMAN en 1965, stipule que les unités motrices sont recrutées dans l'ordre, des moins fatigables dont le seuil d'excitabilité est très bas (type I à contraction lente), aux plus fatigables dont le seuil d'excitabilité est très élevé (type II à contraction rapides). Conséquences en musculation Plusieurs séries sont indispensables pour atteindre les fibres II. L'entraînement en séries induit une intensité de l'exercice qui s'élève au fur et à mesure que la fatigue s'accroît. Le temps sous tension s'allonge, les grosses unités motrices, dont le seuil d'excitabilité est ordinairement hors d'atteinte, se mobilisent peu à peu sous les bouffées d'influx de plus en plus rapprochées et leurs fibres finissent par se contracter à leur tour. La "dernière répétition", celle exécutée à bout de forces, est interprétée par l'organisme comme un maximum, ce qui le pousse à s'adapter fonctionnellement et structurellement en conséquence.

14 Mécanismes de la contraction musculaire 13

15 Accrochage actine - myosine ATPase ATP ADP - P Le calcium libéré des citernes du réticulum sarcoplasmique provoque un glissement des protéines régulatrices de l'actine, démasquant les sites d'accrochage des têtes de myosine 14

16 Muscle au repos Myosine attachée à l actine Donne la rigidité musculaire 15

17 1 ère étape de la contraction - L ATP s attache à la myosine - La tête de myosine se détache de l actine 16

18 2 ème étape de la contraction - ATP est hydrolisée - La tête de myosine se déplace en s accrochant ailleurs 17

19 3 ème étape de la contraction - P i est libéré - La tête de myosine tire sur l actine 18

20 4 ème étape de la contraction - ADP libérée - Retour du muscle à la position de repos 19

21 La contraction se termine quand [Ca ++ ] devient trop basse 20

22 MODELE MECANIQUE SIMPLIFIE DU MUSCLE SQUELETTIQUE

23 MODELE MECANIQUE DU MUSCLE SQUELETTIQUE HILL (1932)

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25 MODELE MECANIQUE DU MUSCLE SQUELETTIQUE HILL (1932) Composante élastique série Tendons CES Composante élastique parallèle Enveloppes musculaires Stockage-restitution d énergie élastique CC Composante contractile Génère une force grâce au glissement des filaments. Variation de la longueur du muscle CEP Stockage-restitution d énergie élastique

26 Différentes phases du modèle mécanique de la contraction musculaire Cas de la contraction concentrique 1. Phase de contraction isométrique 2. Phase de contraction isotonique 3. Phase de relaxation isotonique 4. Phase de relaxation isométrique

27 1. Phase de contraction isométrique La totalité du muscle garde la même longueur CC se raccourci (raccourcissement des sarcomères) CEP se raccourci (endomysium compressé) CES s étire (étirement des tendons)

28 2. Phase de contraction isotonique La totalité du muscle se raccourci CC se raccourci CEP se raccourci CES garde la même longueur

29 3. Phase de relaxation isotonique La totalité du muscle s allonge CEP s allonge CC s allonge CES garde la même longueur

30 4. Phase de relaxation isométrique La totalité du muscle garde la même longueur CC s allonge CEP s allonge CES se raccourci

31 Les différents régimes de contraction musculaire

32 REGIMES DE CONTRACTION MUSCULAIRE Concentrique Excentrique Isométrique Pliométrique

33 Contraction musculaire concentrique : Développement d une force volontaire raccourcissement du muscle

34 Hauteur du saut (CG) = 1 / 8 g T v 2 Temps de vol = 8 Hauteur g

35 Contraction musculaire excentrique : Développement d une force pour résister à une charge importante étirement du muscle

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37 Contraction musculaire isométrique : Développement d une force volontaire Aucune variation de longueur du muscle

38 Contraction musculaire pliométrique : Utilisation de l énergie élastique stockée au niveau du muscle lors de la phase d étirement Contraction excentrique suivie immédiatement d une contraction concentrique

39 Tests d évaluation

40 Le cycle étirement- détente Exemple de la course à pieds 1 - Pose du pied à terre

41 Stockage d énergie 2 - Contact au sol

42 Restitution de l énergie 3 - Propulsion

43 Le cycle étirement- détente en course à pieds

44 Variation de la force appliquée

45 En l absence de fatigue

46 Conséquences dues à la flexion du genou

47 En cas de fatigue

48 Le cas Pistorius!!

49 Sa prothèse a-t-elle une influence significative sur la performance? «Pistorius est un cas. Ses foulées ne sont pas démesurées : 2,31 m en accord avec son gabarit. Mais une fois lancé, sa vitesse est hors normes humaines» (Elio Locatelli, Ph.D. chargé de mission à l IAAF).

50 Processus d emmagasinage d énergie à partir des têtes de myosine Hugh Huxley 1954

51 Evaluation des qualités de Force-vitesse

52 Evolution des concentrations musculaires en ATP et phosphocréatine (PC), du ph, de la lactatémie et de la vitesse de course lors d un sprint sur 100 m [Hirvonen et coll, 1987]

53 Variations des taux musculaires d ATP et de CP lors des premières secondes d un exercice maximal (D après F. Grappe 2005, adapté de Wilmore et Costill 1998)

54 Structure d une molécule d ATP et processus de libération d énergie (D après F. Grappe 2005, adapté de Wilmore et Costill 1998)

55 Reconstitution de l ATP à partir de l hydrolyse de la créatine phosphate (CP) (D après F. Grappe 2005, adapté de Wilmore et Costill 1998)

56 Substrats énergétiques lors de deux sprints maximaux de 6 sec et 10 sec. O 2 (oxygène), PCr (phosphocréatine) [Gaitanos et coll, 1993 ; Cazorla et Leger, 2004 ; Bogdanis et coll, 1998].

57 Quels sont les mécanismes qui permettent d augmenter la puissance maximale développée? (d après Cometti)

58 Comment sont recrutées les différentes fibres musculaires? (d après Cometti)

59 Le recrutement spatial 2 modes de recrutement des unités motrices Le recrutement temporel (adapté de Cometti)

60 Effet de la synchronisation des UM sur la montée en force 1) elle améliore la montée en force, 2) il n est pas exclut qu elle agisse sur la force maximale. Le stress est un facteur important de l amélioration de la synchronisation (adapté de Cometti)

61 Et la coordination? Meilleure technique Augmentation de la vitesse gestuelle Augmentation de la puissance

62 Le réflexe myotatique Schmidtbleicher (1985) Réflexe Myotatique : contraction réflexe d'un muscle déclenchée par son propre étirement. MVC = Maximal Voluntary Contraction IMPORTANCE DE L'ETIREMENT-DETENTE Contact avec le sol L action du RM se fond dans l action volontaire Activité électrique du triceps lors d'un saut en contrebas de 1,10 m (Cometti)

63 ELASTICITE DU SYSTEME TENDON-MUSCLE Schéma de Hill (modifié par Shorten, 1987)

64 Evaluation de la force explosive concentrique musculaire Développement d une force volontaire avec raccourcissement du muscle

65 Test d évaluation : Le Squat Jump (SJ)

66 Evaluation de la force explosive pliométrique musculaire Développement d une force pour résister à une charge importante avec étirement + raccourcissement du muscle

67 Test d évaluation : Le Countermovement Jump (CMJ) Remarque : Le CMJ peut également s effectuer avec l aide des bras ce qui permet un étirement musculaire supérieur.

68 Test d évaluation : Le Drop Jump (DJ) L athlète se laisse tomber de différentes hauteurs (20 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm) sur le sol pour rebondir (les mains sur les hanches) sur le sol et effectuer un saut vertical. On note 2 résultats la meilleure hauteur de chute et le saut maximal réussi.

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70 Propriétés mécaniques musculaires Relations : Force - longueur Force - vitesse Puissance - vitesse

71 Variables intervenant dans la contraction musculaire Il y a lieu de distinguer : des facteurs chimiques intervenant directement dans la mécanique contractile (organisation des fibres d'actine / à celles de myosine ; proportions de myofibrilles / mitochondries, myoglobine). des facteurs visco - élastiques dus à la présence de différents éléments élastiques dans les myofibrilles, les fibres musculaires et les tendons.

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73 Contractions isotoniques et isométriques muscle isolé Dispositif permettant l'étude des réponses d'un muscle isolé à la stimulation électrique dans le cadre d'une contraction isométrique ou isotonique En isotonie, le raccourcissement du muscle imprime un mouvement au levier A qui est enregistré par un système de mesure. En isométrie, la tension développée est enregistrée par la jauge de contrainte B.

74 Etude de la contraction isotonique

75 Etude de la contraction isométrique

76 Relation tension - longueur du muscle Chaque contraction musculaire implique : le development d une tension active (ponts d actine-myosine) le development d une tension passive (étirement et compression des éléments élastiques tendons et endomysium)

77 Courbe de tension active Sur le sarcomère En condition isométrique Longueur de repos du sarcomère Tension Max

78 Relation entre la tension développée par la mécanique contractile et la longueur d'un sarcomère Les tensions les plus importantes sont enregistrées aux longueurs offrant le plus d'interactions actine - myosine

79 Courbe de tension passive Tendons et endomysium Générée en tirant sur la fibre musculaire Débute à la longueur de repos du sarcomère

80 Courbe de tension totale Addition de la courbe de tension active à celle de tension passive

81 Relation force - vitesse en condition isotonique sur un muscle isolé charges à soulever de poids croissants (P 1, P 2, P 3 )

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85 Relation puissance - vitesse HILL (1938) Puissance Pmax Vopt Vitesse

86 Relations force - vitesse - puissance lors de l exercice

87 RELATION FORCE DEVELOPPEE SUR LES PEDALES ET FREQUENCE DE PEDALAGE : Force Début de sprint, la force est maximale pour une fréquence minimale Fin de sprint, la fréquence est maximale pour une force minimale Fréquence de pédalage

88 RELATION PUISSANCE-FREQUENCE DE PEDALAGE Puissance (W) Fréquence (rpm)

89 Relation puissance-vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg -1 chez des karatékas

90 Propulsive force (F, N) Pedalling velocity (V, rpm) Relation force - vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg -1 chez des karatékas

91 COMPARAISON SUJET LENT - SUJET RAPIDE 900 Puissance (W) Sujet explosif Sujet endurant Vitesse (rpm) 200

92 RELATION Pmax-Vopt Pmax Vopt

93 Pmax = Fopt. Vopt Compromis optimal de force et de vitesse pour améliorer Pmax. Part relative des paramètres force et vitesse dans la composition de Pmax.

94 COMPROMIS Fopt - Vopt Sujet de type fort Fopt ++ Fo élevée, Vo faible Force Force Sujet de type vitesse Vopt ++ Vo élevée Fo faible Fréquence Fréquence