PHYSIOLOGIE DE L EXERCICE

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1 PHYSIOLOGIE DE L EXERCICE Dr grillon jean-luc Médecin Conseiller Direction Régionale et départementale de la Jeunesse et des Sports Champagne-Ardenne et Marne

2 6 formes d énergie chimique nucléaire mécanique électrique thermique lumineuse

3 PREMIERE LOI DE LA THERMODYNAMIQUE Energie ni créée, ni détruite Transformation d une forme en une autre

4 MONDE VIVANT ET ENERGIE Soleil ( très haute température ) fusion nucléaire énergie lumineuse lipides protéines Énergie chimique plantes glucose Chez l Homme + O2 glucose H2o CO2 chlorophylle

5 OXYDATION DU GLUCOSE C6H12O2 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + énergie Énergie 30% 38 % Mécanique ATP chaleur chaleur ( 70% ) ADP

6 DETERMINANTS DE LA VO2 MAX - VO2 = Q C x d ( a v ) O2 - Qc = V.E.S. x F.C - V.E.S. = volume d éjection systolique - F.C. = fréquence cardiaque - d ( a v ) O2 = différence artério -veineuse en oxygène

7 VO2 AU REPOS - Sédentaire QC = 70 x 70 = 5l / min. d ( a v ) O2 = = 0.05 l d O2 / l de sang VO2 = l / min. - Entraîné QC = 100 x 50 = 5 l / min. d ( a v ) O2 = = 0.05 l d O2 / l de sang VO2 = l / min.

8 - Sédentaire VO2 à L EFFORT MAXIMAL QC = 100 x 200 = 20l / min. Δ ( a v ) O2 = = 0.15 l d O2 / l de sang VO2 Max = 3l / min. ( soit pour un sujet de 70 kg : VO2 Max = 3 / 70 x 1000 = 43ml / min. / kg ) - Entraîné QC = 150 x 200 = 30l / min. Δ ( a v ) O2 = = 0.17l d O2 / l de sang VO2 Max = 5.1l / min. ( soit pour un sujet de 70 kg : VO2 Max = 5.1 / 70 x 1000 = 73 ml / min. / kg )

9 RENDEMENT MACHINE HUMAINE Ex: ergocycle : 200 W VO2 : 2.5 l / minute Equiv. Énerg. Litre d O2 = 5 Kcal dépense 5 x 2.5 = 12.5 Kcal / min. Soit 208 cal / sec. 1 cal. = 4.18 J 1 W = 1 J / sec. dépense 208 x 4.18 = 870 Watts Rendement D = 200 / 870 = 23%

10 RELATION ENERGIE, VITESSE, ET COÛT ENERGETIQUE V ( vitesse ) = E ( puissance métabolique développée ) C ( coût énergétique du déplacement ) Pour augmenter V augmenter E ou diminuer C ( ou les 2 simultanément )

11 CONDITIONS MAXIMALES E Max = Ean t 1 + PMA PMA ( b ) t 1 Anaérobie lactique Puissance Vo2 Max non obtenue 10 et alactique Maximale au début de l exercice Aérobie 10% de E Max à % de E Max à

12 CONDITIONS MAXIMALES AEROBIES ( 4 à 10 ) V.M.A. = VO2 Max C

13 CONDITIONS D ENDURANCE Vend = F. VO2 Max C F = 1 si effort < 10 ( V. BILLAT, 1988 ) F diminue ensuite Facteur limitant de l effort ( notion de seuil anaérobie pour efforts de 10 à 1h )

14 FACTEURS LIMITANTS ( 1 ) Efforts de 10 - réserves ATP + CP - technique Efforts de 4 à 10 - Puissance voie anaérobie ( P.F.K. = enzyme limitante ) - Puissance aérobie ( alpha cetoglutarate deshydrogenase = enzyme limitante )

15 FACTEURS LIMITANTS ( 2 ) Efforts de 10 à 1h : seuil anaérobie ( détection par méthodes sur protocole de 20 à 25 ) Efforts de 1h à 3h : dépletion en glycogène Efforts de + de 3h : Médiateurs cérébraux de la fatigue ( serotonine, tryptophane )

16 CARACTERISTIQUES D UN PROTOCOLE - Type d ergomètre ( cycloergomètre, tapis roulant, ergorameur, etc.) - Palier de départ - Durée des paliers - Incrémentation - Présence de pauses ( actives ou passives ) - Récupération

17 Paramètres mesurés Vitesse ou puissance Fréquence cardiaque (F.C.), et pression artérielle (P.A.) Tracé E.C.G. : 12 dérivations au départ (ergocycle) Simplification ensuite Fréquence respiratoire : (F.R.) Volume courant : (V.T.) Débit ventilatoire (E) Consommation d oxygène Débit de production de CO2 (VCO2) Quotient respiratoire (Q.R.) Lactatémie

18 1 exemple de méthode invasive avec protocole triangulaire Protocole - Cycloergomètre ou tapis roulant - Palier de départ : 100 à 150 watts ( ou 8 ou 10 km / h ) - Durée des paliers : 3 ou 4 - Pauses : 1 environ (recueil sang artérialisé) - Incrémentation : 50 watts ( ou 2 km / h ) - Tapis : pente 3% Courbe obtenue (exemple)

19 1 exemple de méthode non invasive avec protocole triangulaire. protocole cycloergomètre ou tapis roulant palier de départ : 105 ou 120 Watts (8 ou 10 Km/h) palier de 1 pause = 0 incrémentation 15 W (ou 0,5 Km/h) courbes obtenues

20 Relation entre le pourcentage de la VO2 Max (ou % âge de P.M.A.) et pourcentage de F.C. Max

21 Métabolisme acide lactique Glucose Acide pyruvique acetylcoa LDH Lactate (ex : Lactate de Na) Acide Lactique H+

22 Début de l effort Activité LDH >>> activité enzymes oxydatives Formation de lactate ++ quand apparaît un excès de pyruvate = Lactate précoce

23 Devenir du Lactate Transport facilité (protéine transporteuse) 2 voies d élimination ( ou consommation) 20% 50 à 80% oxydation neoglucogénèse foie coeur muscles squelettiques

24 Lactatémie C est la résultante des débits de production et de consommation de l acide lactique au niveau de l organisme production > consommation Consommation > production production = consommation + de lactatémie - de lactatémie Etat stable dynamique (Turn-over X par 3) Un muscle, une partie de muscle peut être producteur puis consommateur de lactate en

25 Evaluation lactatémie pour des efforts de 15

26 Valeurs lactatémie repos : 1mmol / l effort maximal : 15 voire 20 mmol / l A l état stable dynamique, la lactatémie peut être de 2, 4, 6 voire 10 mmol /l

27 Facteurs influençant la lactatémie (1) pour une même intensité d effort Différences inter-individuelles Protocole d effort. incrémentation > 30 w. pause préalable (active ou passive) Efforts préalable < 48h : diminution de lalactatémie Augmentation de l intensité au seuil

28 Facteurs influencant la lactatémie (2) pour une même intensité d effort nature du prélèvement (veineux ou artérialisé) ergomètre utilisé : pour une même VO2 : lactatémie rameur > lactatémie cycle > lactatémie tapis niveau d entraînement : courbe déviée vers la droite chez le sujet entraîné par rapport au sujet non entraîné (clairance du lactate très élevée chez le sportif de très haut niveau).

29 Interprétation de la courbe lactatémie / intensité d effort Selon WASSERMAN K. et d autres Seuil aérobie : lactatémie à 2mmol / l Seuil anaérobie : lactatémie à 4mmol / l

30 Résultat pouvant être exploités Les valeurs 2 et 4 mmoles / litre présentent trop de variabilité interindividuelles pour pouvoir être exploiter comme telles. Cependant, pour un même individu, et dans des conditions rigoureusement identiques (efforts préalables, protocole), un déplacement de la courbe lactatémie vers la droite signe une amélioration de ses capacités d endurance

31 Interprétation de la courbe débit ventilatoire / intensité de l effort Selon de nombreux auteurs (Wasserman, Hollmann, Jousselin E., ), la rupture de la courbe VE / intensité sans augmentation de VE / VCO2 (élimination d autres causes : douleur, ) est la méthode de référence pour déterminer le seuil anaérobie. Recommandation : double lecture de la courbe.

32 Physiologie de la rupture de courbe VE / intensité ou VE / VO2 (1). A l effort d intensité < 55% de VO2 Max, augmentation VE proportionnelle à l augmentation de VO2 et à production de CO2 : linéarité de la courbe. L équivalent VE / VO2 = 20 à 25 litres d air pour 1 litre d O2 consommé.

33 Physiologie de la rupture de courbe VE / intensité (2). A l effort d intensité plus élevée ( plus de 60% de VO2 Max pour le sédentaire, plus de 80% de VO2 pour le sujet entraîné ) La production d acide lactique est supérieure à sa consommation Excès de lactate tamponnée par les biocarbonates. Acide lactique + NaHCO3 Lactate de Na + H2 CO3 L excès de CO2 H2O + CO2 Elimination par ventilation supplémentaire (4l / min par meq/l de baisse de bicarbonate) rupture courbe VE / VO2 Equivalent ventilatoire : 35 à 40 litres d air / litre d O2 consommé

34 DOCUMENTS REALISES PAR LES MEMBRES DU PÔLE SANTE DE LA D.R.D.J.S. DE CHAMPAGNE ARDENNE ET DE LA MARNE Jean Luc GRILLON Jean Paul MONCHABLON Secrétariat :NATHALIE JUNG Réalisation des diaporamas : Alain DRUMONT ( Powerpoint 2000 )

35 PHYSIOLOGIE DE L EXERCICE Dr grillon jean-luc Médecin Conseiller Direction Régionale et départementale de la Jeunesse et des Sports Champagne-Ardenne et Marne 1

36 6 formes d énergie chimique nucléaire mécanique thermique lumineuse électrique

37 PREMIERE LOI DE LA THERMODYNAMIQUE Energie ni créée, ni détruite Transformation d une forme en une autre

38 MONDE VIVANT ET ENERGIE Soleil ( très haute température ) fusion nucléaire énergie lumineuse lipides protéines Énergie chimique plantes glucose Chez l Homme + O2 glucose H2o CO2 chlorophylle

39 OXYDATION DU GLUCOSE C6H12O2 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + énergie Énergie 30% 38 % Mécanique ATP chaleur chaleur ( 70% ) ADP

40 DETERMINANTS DE LA VO2 MAX - VO2 = Q C x d ( a v ) O2 - Qc = V.E.S. x F.C - V.E.S. = volume d éjection systolique - F.C. = fréquence cardiaque - d ( a v ) O2 = différence artério -veineuse en oxygène

41 VO2 AU REPOS - Sédentaire QC = 70 x 70 = 5l / min. d ( a v ) O2 = = 0.05 l d O2 / l de sang VO2 = l / min. - Entraîné QC = 100 x 50 = 5 l / min. d ( a v ) O2 = = 0.05 l d O2 / l de sang VO2 = l / min.

42 - Sédentaire VO2 à L EFFORT MAXIMAL QC = 100 x 200 = 20l / min. Δ ( a v ) O2 = = 0.15 l d O2 / l de sang VO2 Max = 3l / min. ( soit pour un sujet de 70 kg : VO2 Max = 3 / 70 x 1000 = 43ml / min. / kg ) - Entraîné QC = 150 x 200 = 30l / min. Δ ( a v ) O2 = = 0.17l d O2 / l de sang VO2 Max = 5.1l / min. ( soit pour un sujet de 70 kg : VO2 Max = 5.1 / 70 x 1000 = 73 ml / min. / kg )

43 RENDEMENT MACHINE HUMAINE Ex: ergocycle : 200 W VO2 : 2.5 l / minute Equiv. Énerg. Litre d O2 = 5 Kcal dépense 5 x 2.5 = 12.5 Kcal / min. Soit 208 cal / sec. 1 cal. = 4.18 J dépense 208 x 4.18 = 870 Watts 1 W = 1 J / sec. Rendement D = 200 / 870 = 23%

44 RELATION ENERGIE, VITESSE, ET COÛT ENERGETIQUE V ( vitesse ) = E ( puissance métabolique développée ) C ( coût énergétique du déplacement ) Pour augmenter V augmenter E ou diminuer C ( ou les 2 simultanément )

45 CONDITIONS MAXIMALES E Max = Ean t 1 + PMA PMA ( b ) t 1 Anaérobie lactique Puissance Vo2 Max non obtenue et alactique Maximale au début de l exercice Aérobie 10% de E Max à % de E Max à 10

46 CONDITIONS MAXIMALES AEROBIES ( 4 à 10 ) V.M.A. = VO2 Max C

47 CONDITIONS D ENDURANCE Vend = F. VO2 Max C F = 1 si effort < 10 ( V. BILLAT, 1988 ) F diminue ensuite Facteur limitant de l effort ( notion de seuil anaérobie pour efforts de 10 à 1h )

48 FACTEURS LIMITANTS ( 1 ) Efforts de 10 - réserves ATP + CP - technique Efforts de 4 à 10 - Puissance voie anaérobie ( P.F.K. = enzyme limitante ) - Puissance aérobie ( alpha cetoglutarate deshydrogenase = enzyme limitante )

49 FACTEURS LIMITANTS ( 2 ) Efforts de 10 à 1h : seuil anaérobie ( détection par méthodes sur protocole de 20 à 25 ) Efforts de 1h à 3h : dépletion en glycogène Efforts de + de 3h : Médiateurs cérébraux de la fatigue ( serotonine, tryptophane )

50 CARACTERISTIQUES D UN PROTOCOLE - Type d ergomètre ( cycloergomètre, tapis roulant, ergorameur, etc.) - Palier de départ - Durée des paliers - Incrémentation - Présence de pauses ( actives ou passives ) - Récupération

51 Paramètres mesurés Vitesse ou puissance Fréquence cardiaque (F.C.), et pression artérielle (P.A.) Tracé E.C.G. : 12 dérivations au départ (ergocycle) Simplification ensuite Fréquence respiratoire : (F.R.) Volume courant : (V.T.) Débit ventilatoire (E) Consommation d oxygène Débit de production de CO2 (VCO2) Quotient respiratoire (Q.R.) Lactatémie

52 1 exemple de méthode invasive avec protocole triangulaire Protocole - Cycloergomètre ou tapis roulant - Palier de départ : 100 à 150 watts ( ou 8 ou 10 km / h ) - Durée des paliers : 3 ou 4 - Pauses : 1 environ (recueil sang artérialisé) - Incrémentation : 50 watts ( ou 2 km / h ) - Tapis : pente 3% Courbe obtenue (exemple)

53 1 exemple de méthode non invasive avec protocole triangulaire. protocole cycloergomètre ou tapis roulant palier de départ : 105 ou 120 Watts (8 ou 10 Km/h) palier de 1 pause = 0 incrémentation 15 W (ou 0,5 Km/h) courbes obtenues

54 Relation entre le pourcentage de la VO2 Max (ou % âge de P.M.A.) et pourcentage de F.C. Max

55 Métabolisme acide lactique Glucose Acide pyruvique acetylcoa LDH Lactate (ex : Lactate de Na) Acide Lactique H+

56 Début de l effort Activité LDH >>> activité enzymes oxydatives Formation de lactate ++ quand apparaît un excès de pyruvate = Lactate précoce

57 Devenir du Lactate Transport facilité (protéine transporteuse) 2 voies d élimination ( ou consommation) 20% 50 à 80% oxydation neoglucogénèse foie coeur muscles squelettiques

58 Lactatémie C est la résultante des débits de production et de consommation de l acide lactique au niveau de l organisme production > consommation + de lactatémie Consommation > production - de lactatémie production = consommation Etat stable dynamique (Turn-over X par 3) Un muscle, une partie de muscle peut être producteur puis consommateur de lactate en fonction de sa sollicitation.

59 Evaluation lactatémie pour des efforts de 15

60 Valeurs lactatémie repos : 1mmol / l effort maximal : 15 voire 20 mmol / l A l état stable dynamique, la lactatémie peut être de 2, 4, 6 voire 10 mmol /l

61 Facteurs influençant la lactatémie (1) pour une même intensité d effort Différences inter-individuelles Protocole d effort. incrémentation > 30 w. pause préalable (active ou passive) Efforts préalable < 48h : diminution de lalactatémie Augmentation de l intensité au seuil

62 Facteurs influencant la lactatémie (2) pour une même intensité d effort nature du prélèvement (veineux ou artérialisé) ergomètre utilisé : pour une même VO2 : lactatémie rameur > lactatémie cycle > lactatémie tapis niveau d entraînement : courbe déviée vers la droite chez le sujet entraîné par rapport au sujet non entraîné (clairance du lactate très élevée chez le sportif de très haut niveau).

63 Interprétation de la courbe lactatémie / intensité d effort Selon WASSERMAN K. et d autres Seuil aérobie : lactatémie à 2mmol / l Seuil anaérobie : lactatémie à 4mmol / l

64 Résultat pouvant être exploités Les valeurs 2 et 4 mmoles / litre présentent trop de variabilité interindividuelles pour pouvoir être exploiter comme telles. Cependant, pour un même individu, et dans des conditions rigoureusement identiques (efforts préalables, protocole), un déplacement de la courbe lactatémie vers la droite signe une amélioration de ses capacités d endurance

65 Interprétation de la courbe débit ventilatoire / intensité de l effort Selon de nombreux auteurs (Wasserman, Hollmann, Jousselin E., ), la rupture de la courbe VE / intensité sans augmentation de VE / VCO2 (élimination d autres causes : douleur, ) est la méthode de référence pour déterminer le seuil anaérobie. Recommandation : double lecture de la courbe.

66 Physiologie de la rupture de courbe VE / intensité ou VE / VO2 (1). A l effort d intensité < 55% de VO2 Max, augmentation VE proportionnelle à l augmentation de VO2 et à production de CO2 : linéarité de la courbe. L équivalent VE / VO2 = 20 à 25 litres d air pour 1 litre d O2 consommé.

67 Physiologie de la rupture de courbe VE / intensité (2). A l effort d intensité plus élevée ( plus de 60% de VO2 Max pour le sédentaire, plus de 80% de VO2 pour le sujet entraîné ) La production d acide lactique est supérieure à sa consommation Excès de lactate tamponnée par les biocarbonates. Acide lactique + NaHCO3 Lactate de Na + H2 CO3 L excès de CO2 H2O + CO2 Elimination par ventilation supplémentaire (4l / min par meq/l de baisse de bicarbonate) rupture courbe VE / VO2 Equivalent ventilatoire : 35 à 40 litres d air / litre d O2 consommé

68 DOCUMENTS REALISES PAR LES MEMBRES DU PÔLE SANTE DE LA D.R.D.J.S. DE CHAMPAGNE ARDENNE ET DE LA MARNE Jean Luc GRILLON Jean Paul MONCHABLON Secrétariat :NATHALIE JUNG Réalisation des diaporamas : Alain DRUMONT ( Powerpoint 2000 )