Bioénergétique de l exercice musculaire

Bioénergétique de l exercice musculaire 1

Afin de se maintenir en vie, une cellule doit continuellement "travailler". Donc, elle a besoin d'énergie (énergie = capacité à produire du travail). Travail mécanique (mouvements) Travail de transport (faire passer des substances à travers sa membrane) Travail chimique (assembler ou modifier des molécules) N.B. Tout se ramène quand même à du travail chimique 2

1- Le métabolisme: définitions Anabolisme ou processus de construction Métabolisme: ensemble des réactions chimiques du corps Catabolisme ou processus de dégradation 3

1- Le métabolisme: définitions Anabolisme = processus de construction Catabolisme = processus de dégradation Ensemble des réactions de synthèse transformant des substances simples en complexe et nécessitant de l énergie Ensemble des réactions de dégradation transformant des substances complexes en simples en libérant de l énergie 4

2- l ATP Impossiblité pour muscle de prendre l E des aliments directement pour la C Intermédiaire = ATP Structure de l'atp Une base azotée : l'adénine Trois groupements phosphates (H 3 PO 4 ) Un sucre : le ribose = sucre à 5 carbones (pentose) 5

Les liaisons phosphates riches en E et faciles à rompre. Libération d'un phosphate ==> libération d E Transformation d E chimique en mécanique (pour 6 la C )

3 Les voies énergétiques Quelque soit l exercice: 1 ère source d E du muscle est l ATP Contraction musculaire Dans le muscle : [ATP] = 5 mmoles/kg de muscle frais 5 sec de contraction musculaire Comment la cellule resynthétise t-elle l ATP? Nécessite de l E 7

Des voies métaboliques prennent le relais: 1) Voie anaérobie alactique ou voie des phosphagènes ou système ATP-PC (phosphocréatine) 2) Voie anaérobie lactique ou glycolyse 3) Voie aérobie ou voie oxydative Même principe général : Substrat ADP + P + E Sous produits + E ATP Si O 2 pas nécessaire pour réaction = Anaérobie sinon aérobie 8

3.1 La voie anaérobie alactique Voie la plus simple: 1 réaction couplée Utilise la phosphocréatine (PC) contenue dans le muscle [PC]muscle ---------> 15 à 20 mmole/kg de muscle ATP PC Contiennent P donc phosphagènes Reconstitution pendant la récupération : 2 à 5 min 9

On la trouve dans les viandes et le poisson, dans les suppléments alimentaires. Fabriquée par l'organisme (foie, rein, pancréas) à partir de certains acides. Créatine Créatine phosphate La créatine peut accumuler de l'énergie en prenant un groupement phosphate à l'atp 10

3.1.1- Fonctionnement Au repos : synthèse de PC Pendant une activité intense : formation d'atp à partir de PC Créatine kinase PC P + C + E E + P + ADP ATP synthase ATP Produits dégradation : C et P ADP + PC ATP + C Perte P de la PC => libération E qui sert à la resynthèse ATP à partir ADP 11et P

4.1.2- Caractéristiques Localisation cellulaire: cytoplasme O 2 pas nécéssaire à la réaction => anaérobie Pas de déchet comme l acide lactique => alactique Délai de prépondérance : quasi immédiat Substrat déjà dans le muscle 1 réaction couplée Ne dépend pas de l apport en O 2 Capacité : faible 15-20 mmol/kg Débit ou Puissance: Elévée (95 à 180 kcal/min) Temps d utilisation : 10s à Intensité max, 20-30s à 70% du max 12

Voie utilisée pour efforts très brefs et très intenses Saut Lancers 40, 60 m Mouvements très rapides et puissants Voie mise en jeu la première lors de l exercice 13

3.2 La voie anaérobie lactique Système glycolytique Deuxième système pour synthétiser ATP dans le muscle Dégradation partielle des glucides en :» Acide pyruvique» Puis en acide lactique Deux sources de substrat : Le glucose : provient du compartiment sanguin et pénètre dans le muscle où il sera dégradé Le glycogène : grand nombre de molécule de glucose» Stock : 300g dans les muscles / + 100g dans le foie 14

Deux séries de réactions : Glycogénolyse et glycolyse Glycogénolyse = dégradation glycogène en glucose 1 molécule à 6 carbones Glycolyse: Dégradation partielle du glucose 2 molécules à 3 carbones 15

4.2.1- Fonctionnement 10-12 réactions chimiques 10-12 enzymes 2 enzymes clés : Phosphofructokinase (PFK) et Lactate déshydrogénase (LDH) PFK = ATP consommé = ATP produit BILAN Glycogène 3 ATP Glucose 2 ATP LDH 16

4.2.2 - Caractéristiques Localisation cellulaire: cytoplasme O 2 pas nécessaire à la réaction => anaérobie P d un déchet l acide lactique => lactique Délai de prépondérance: plus long mais bref (20 s délai optimal) 10 réactions Substrat déjà dans le muscle Ne dépend pas de l apport en O 2 Capacité: moyenne (20 à 30 kcal) Débit ou Puissance: Elévée (50 120 kcal/min) Temps d utilisation: 45s à I max 2 min I moy 17

Voie utilisée pour efforts brefs et intenses < 2 min 200m 400 m Mouvements rapides et puissants Deuxième voie mise en jeu lors de l exercice 18

3.3 La voie aérobie Le système oxydatif Dégradation de substrat en présence d O2 Rendement énergétique plus important que les deux systèmes précédents. Source d E important pour réalisation d exercice d endurance Système efficace si apport en O2 suffisant Deux sources de substrat Le glycogène : musculaire et hépatique Les lipides : acides gras 19

A) Oxydation des glucides Trois processus mis en jeu Glycolyse / Glycogénolyse» Etape commune aux systèmes glycolytique et oxydatif Cycle de Krebs Chaîne de transport des électrons B ) Oxydation des lipides Trois processus mis en jeu βoxydation Cycle de Krebs Chaîne de transport des électrons C) Caractéristiques du système oxydatif D) Délais de mise en jeu 20

A) Oxydation des glucides 1. Glycolyse / Glycogénolyse Dans le cytoplasme de la cellule Réaction en présence d oxygène» Formation de 2 NADH2» Prise en charge par le chaîne de transport des électrons Variation le devenir de l acide pyruvique!! FACTEUR : présence d OXYGENE Passage acide pyruvique dans mitochondrie 2 Acides Pyruviques 2 Acétylcoenzyme A Formation de 2 NADH2 2 NAD Prise en charge par la chaîne de Transport des électrons PDH 2 AcétylcoA 2 (NADH2) 21

La mitochondrie Structure Membrane externe Pore Membrane interne Crêtes Chaîne respiratoire Espace intermembranaire Matrice enzymes du cycle de Krebs et la plupart de celles qui catalysent dégradation des acides gras 22

2. Le cycle de Krebs AcétylcoA pénètrent dans le cycle de Krebs (mitochondrie) Série de réactions chimiques 23

Cycle de Kreb 24

2. Le cycle de Krebs AcétylcoA pénètrent dans le cycle de Krebs (mitochondrie) Série de réactions chimiques Pour 1 AcétylcoA» 1 mol. de CO2 ( x 2 )» 3 mol. de NADH2 ( x 2 )» 1 mol. de FADH2 ( x 2 )» 1 mol. de GTP ( x 2) Pour 1 mol. de GLUCOSE 2 AcétylcoA formés 25

3. Chaîne de transport des électrons Les coenzymes (NAD et FAD combinés aux ions hydrogène) dirigées vers la chaîne de transport des électrons 26

Chaîne de Transport des Electrons Série de molécule au niveau membrane interne de la mitochondrie Molécules = transporteurs d électrons Molécules divisées en 3 grands complexes 27

NADH2 ou FADH2 libèrent hydrogène électrons (e-) et H+ (protons) Les électrons e- pris en charge par transporteurs d e-, et de l énergie est libérée au fur et à mesure que les e- passent d un transporteur à un autre L accepteur final des e- est l oxygène Les protons 3 pompes à protons (membrane interne de la mitochondrie) Expulsion des H+ vers espace intermembranaire contre gradient de concentration E au fonctionnement des pompes fourni par passage des e- Retour H + par des pores permet à ATP synthase de récolter cette énergie potentielle et de former de l ATP 28

Prise en charge des coenzymes NADH2 et FADH2 1 NADH2 3 ATP 1 FADH2 2 ATP Combinaison finale : 2H+ et O2 2 H2O 29

Bilans énergétiques Oxydation du glucose / glycogène Glycolyse / Glycogénolyse Glucose 2 ac. Pyruvique 2 NADH2 = 2 NADH2 * 3 ATP 2 ATP / 3 ATP 6 ATP CTe- Formation 2 AcétylcoA 2 NADH2 = 2 NADH2 * 3 ATP 6 ATP CTe- 2 AcoA Cycle de Krebs et Chaîne de Transport 2 * 3 NADH2 = 6 NADH2 * 3 ATP 2 * 1 FADH2 = 2 FADH2 * 2 ATP 2 GTP 18 ATP 4 ATP 2 ATP GLUCOSE : 38 ATP GYCOGENE : 39 ATP 30

Dégradation complète du glucose en CO 2 et H 2 O 31

Bilan comparé glycolyse en conditions anaérobie vs. aérobie (à partir Glucose : 2 ATP) (à partir Glucose : 38 ATP) 32

A) Oxydation des glucides Trois processus mis en jeu Glycolyse / Glycogénolyse Etape commune aux systèmes glycolytique et oxydatif Cycle de Krebs Chaîne de transport des électrons B ) Oxydation des lipides Trois processus mis en jeu β oxydation Cycle de Krebs Chaîne de transport des électrons C) Caractéristiques du système oxydatif D) Délais de mise en jeu 33

B) Oxydation des lipides Lipides» Dans le tissu musculaire» Dans le tissu adipeux +++ Substrats des lipides Triglycérides» Mais NON UTILISABLE sous cette forme Processus de la LIPOLYSE Triglycérides 1 glycérol + 3 Acides Gras» Dégradés et catabolisés séparément Transformé en glucose E Ou Cycle de Krebs Production d ATP d par... 34

1. La β oxydation dans mitochondrie Réaction en présence d O2 Initialisation de la β oxydation 2 ATP C est le découpage successif des AGL en fragments à 2 atomes de carbone Fragment à 2 carbones se fixe à une molécule : co-enzyme A Fragment à 2C + co-enzyme A Acétylco tylco-a + 1 NADH2 + 1 FADH2 35

Exemple Acide gras à 16 carbones (palmitate) Co-enzyme A 1 FADH2 Dégradation complète de l AGL à 16 Carbones 1NADH2 7 cycles d oxydation Acide gras à 14 carbones Acétylco-A Formation de 8 Acétylco-A KREBS CTeetc. + 7 FADH2 + 7 NADH2 36

2. Le cycle de Krebs et chaîne de transport des électrons Acétylco-A Cycle de Krebs Coenzyme (FADH2 et NADH) Chaîne de transport des e- AGL à 16 carbones (palmitate) 1 AcétylCo-A 3 NADH2 9 ATP Chaîne de transport des e- 1 FADH2 2 ATP 1 GTP 1 ATP 12 ATP 8 AcétylCo-A : 12 ATP * 8 = 96 ATP Co-enzymes : 7 NADH2 7 FADH2 Chaîne de transport des e- 21 ATP 14 ATP 37

Bilan énergétique Oxydation des lipides Exemple d un AGL à 16 carbones 96 ATP + 21 ATP + 14 ATP 2 ATP = 129 ATP AcetylcoA Co-enzymes (NADH et FADH) Initialisation de la β oxydation 38

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C) Caractéristiques du système oxydatif Métabolisme des AGL libère plus d E que métabolisme du glucose Dégradation AGL consomme plus d O2 AGL à 16 carbones 46 mol. d O2 1 mol. de glucose 6 mol. d O2 Capacité du système oxydatif IMPORTANT Débit Faible 40

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Délais de mise en jeu Utilisation des glucides Délai de 2 à 3 minutes Temps pour que l O2 atteigne les muscles Utilisation des lipides Délai environ 20-30 minutes Temps pour mobiliser triglycérides (lipolyse) AGL passent du tissu adipeux sang muscles Lipides utilisés lors d épreuves de longues durées, d intensité moyenne ou faible et donc ne nécessitant pas un apport d E rapide. 42

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4- Utilisation des voies énergétiques. 4.1- Au repos. 70 % Lipides Métabolisme aérobie quasi exclusivement 30 % Glucides 4.2- A l exercice La sollicitation des différents systèmes dépend de 2 facteurs : l'intensité (puissance ou vitesse) la durée de l'exercice. 44

Participation des différentes filières en fonction de la durée de l exercice (maximal) Les voies interviennent toujours ensemble mais à des pourcentages différents 45

Participation des différentes filières en fonction de la durée de l exercice 0s 12s 90s 15m Hours ATP ATP-CP ATP-CP & GLYCOLYSE VOIE AEROBIE GLUCIDES Voies anaérobies Voie aérobie VOIE AEROBIE LIPIDES 46

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4.3- En fonction des différents types de sports 48

ETAPES DU CATABOLISME 49