Bases physiologiques: facteurs énergétiques

Bases physiologiques: facteurs énergétiques Jeannot AKAKPO CONSIDÉRATIONS SPÉCIFIQUES ANAÉROBIE AÉROBIE PHOSPHORILATION DIRECTE SYSTÈME DE PRODUCTION D ACIDE LACTIQUE SYSTÈME AÉROBIE ATP PCr Glycogène PAM ENDURANCE 2-10' ECD + de 10' EMD 10-30' ELD 30-90' ETLD 90' ET + CONSIDÉRATIONS SPÉCIFIQUES SUBSTRATS ÉNERGÉTIQUES Quels sont les substrats énergétiques que l organisme utiliselorsd un effort de type aérobie? 1

CONSIDÉRATIONS SPÉCIFIQUES: efforts longs AÉROBIE SYSTÈME AÉROBIE PAM ENDURANCE Le muscle utiliseun "mélange" de carburants composé de: Glucose AGL Acides aminés Énergétique La fibre musculaire: -Consomme du «carburant»pour produire de l énergie -Utilise une partie de l E pour fournir de l énergie -Dissipe l autre partie sous forme de chaleur -Transforme ou évacue les déchet résultants des combustions dont elle est le siège Le seul carburant est l Adénosine TriPhosphate => ATP La dégradation de l ATP permet de fournir l E nécessaire aux différentes forme de travail biologique La consommation de molécules d ATP augmente au cours d exercices intenses; leur concentration est très faible: 4 à 6 millimoles/kg de muscles frais TRIPHOSPHATE ADENOSINE O O O II II II - O P ~ O P ~ O P OH = (ATP) I I I OH OH OH 1 ADENOSINE DIPHOSPHATE O O II II - O P ~ O P OH = (ADP) I I OH OH 2 ADENOSINE ATPase Mg ATP + H 2 O ADP 3- + MgHPO4 2- + H + AK 2ADP ATP + AMP MONOPHOSPHATE O II - O P OH = (AMP) I OH 2

ATPase Mg ATP 4- + H 2O ADP 3- + Mg HPO4 2- + H + (+ énergie : 40 à 50 kj/mol) Concentration en ATP musculaire au repos chez l homme (en mmol.kg-1 de poids de muscle frais) Poortmans (2002) Muscle Total Fibres I Fibres II Références Quadriceps (vaste externe) 6.3 ± 0.3 4.7 ± 0.2 5.4 ± 0.2 6.4 ± 0.9 6.3 ± 1.0 5.9 ± 0.2 6.5 ± 0.9 6.3 ± 0.1 Edström et al. (1982) Karlsson et al. (1971) Saltin et al. (1974) Söderlund et al. (1990) Söderlund et al. (1992) Soléaire 5.7 ± 0.4 Edström et al. (1982) Deltoïde 4.5 Karlsson et al. (1975) Rappels sur l énergétique musculaire: rôle de l ATP. La dégradation d une mole d ATP libère 42 kilojoules en conditions biologique soit entre 7 et 10 Kcal: Seul 1,3 à 1,6kj sert au travail musculaire (autre chaleur ) ATP est seule molécule capable de fournir directement au muscle l énergie dont il a besoin pour se contracter et se relâcher mais ses réserves s avèrent insuffisantes pour répondre aux différents besoins du travail musculaire Personne de 70 kg:travail musculaire ne peut compter au total que sur une réserve de 1.3 à 1.6 kj, soit àpeine l'énergie nécessaire pour parcourir : 1 m à 1 m 20 à une vitesse de course de 10 m/s soit 10 s au 100 m, ou 7 m 80 à 9 m 60 à une vitesse de marche de 1,11 m/s soit 4 km/h c'est-à-dire à une allure de promenade. 3

Myosine ATPase (mmol.l -1.s -1 ) HYDROLYSE ATP Energie ADP Travail 25% Chaleur 75% Mécanique ( muscle ) Circulation sanguine Digestion Chimique Osmotique Sécrétions glandulaires Production de tissu Transmission nerveuse et musculaire Différentes formes de travail biologique que permet l énergie libérée par l hydrolyse de l ATP Contractions isométriques de fibres isolées de type I, IIa, IIb chez l homme. A) Activité de la myosine ATPase B) Consommation en ATP 0.5 A 2.5 B 0.4 0.3 0.2 ATP (mmol.l -1.s -1 ) 2 1.5 1 0.1 0.5 0 I I I I IIa IIb 0 I I I I IIa IIb Type de fibres Type de fibres Aptitude aérobie : rappel sur l énergétique musculaire Dégradation (catabolisme) de l ATP en ADP (perte d un ion phosphate et en AMP (adénosine monophosphate) (perte de deux ions phosphate) peut libérer l E nécessaire aux glissement des filament d actines et de myosine donc à la contraction, ce qui permet de fournir un travail musculaire encore appelé travail mécanique. ATP: autre utilisation que travail mécanique: travail osmotique: transport de certaines grosses molécules à travers les membranes cellulaires travail chimique: dégradation de molécules complexes comme les glucides, protéines, lipides (croissance cellulaire) et également synthèse de nouvelles macromolécules de glucide, lipide et protéines 4

Aptitude aérobie: rappel sur l énergétique musculaire Des précisions. Catabolisme ou hydrolyse: opération qui consiste à dégrader une molécule, exemple ATP en ADP, AMP et Pi Anabolisme: resynthèse de la molécule afin de reconstituer ses liaisons avec (ATP) Le ou les phosphate(s) antérieurement libéré(s). Phosphorylation: incorporer un radical phosphate à une molécule organique Rappels sur l énergétique musculaire: resynthèse de l ATP Lors d un exercice, même très intenses, le niveau des réserves en ATP n accuse qu une discrète diminution en début d exercice et tend à se stabiliser par la suite à des valeurs proches de la moitié de celles de repos Les molécules d ATP sont synthétisées àmesure qu elles sont dégradées Fort taux de renouvellement (turn-over) car l organisme ne dispose que de quelques dizaines de grammes d adénosine pour fabriquer de dizaines de Kg d ATP par jour Rappel sur l énergétique musculaire: resynthèse de l ATP Catabolisme de l ATP en ADP et en Pi permet de libérer l énergie nécessaire aux différentes formes de travail biologique dont notre organisme est le siège. Faibles réserve en ATP = constant renouvellement pour répondre aux très importants besoins biologiques Synthèse de l ATP à partir de l ADP et du Pi nécessite de l E : cette réaction biochimique est dite endergonique. D ou provient cette énergie???? Réserves intracellulaire que constituent les molécules de phosphocréatine (PCr), de glycogène et d acide gras. Catabolisme de ses molécules libère de l énergie requise. Elle sont exergoniques 5

Rappels sur l énergétique musculaire: les sources Nombre élevé et durée des opérations nécessaires àla complète dégradation des glucides. Il est évident que ces substances ne sont pas adaptées aux besoins requis par un travail musculaire urgent Pour parer à ces éventualités, un autre composé phospohoré contenu essentiellement dans la cellule musculaire, la phosphocréatine (PCr), constitue un réservoir riche en énergie immédiatement et massivement utilisable pour produire de l ATP Selon l urgent et l intensité d un exercice, le muscle peut faire appel à plusieurs sources énergétiques. Rappels sur l énergétique musculaire: les sources La source énergétique immédiatement disponible qui permet de libérer une très grande quantité d énergie grâce au catabolisme de ses deux composé: L ATP et la PCr dont les liaisons phosphates sont riches en énergie Les autres sources sont retardées par les nombreuses étapes que nécessite le catabolisme des substances utilisées: glycogène, glucose, acide gras libres, acides aminés. La source de qui utilise le catabolisme du glycogène sans intervention de l oxygène et produit de l acide lactique: cette source est définie comme : anaérobie lactique ou glycolyse lactique Rappels sur l énergétique musculaire: les sources Les sources qui utilisent l O2 pour extraire l E des molécules de glycogène, d acide gras et d acide aminés. Définies comme aérobies, elles nécessitent : - de nombreuses réaction biochimique intermédiaires - de nombreuses adaptations *Le nombre de réactions et les adaptations expliquent les délais plus longs de son intervention au cours de l exercices musculaire. 6

D OÙ PROVIENT L ENERGIE DU TRAVAIL MUSCULAIRE? 1) HYDROLYSE (catabolisme) 2) PHOSPHORYLATION (anabolisme) TRAVAIL BIOLOGIQUE + CHALEUR ENERGIE ATP 40 à 50 kj/mol. Aliments ingérés, digestion, réserves ENERGIE ADP + Pi Tg, AG Glyc, Tg, AA, Prot Glyc,Gluc AG, TG, AA, Prot Tissu adipeux Muscle Foie ÉTAT INITIAL ÉTAT INTERMEDIAIRE ÉTAT FINAL Glucose, Glycogène, Triglycérides CATABOLISME CO 2 + H 2 O RÉSERVES ÉNERGETIQUES Muscle, foie, Tissus adipeux ÉNERGIE POTENTIELLE ORDONNÉE Travail ÉNERGIE UTILISABLE Chaleur ÉNERGIE FAIBLE OU NULLE : ENTROPIE = désordre maximum PLUS D ÉNERGIE UTILISABLE Rappels sur l énergétique musculaire: caractéristiques des sources énergétiques Chaque source énergétique se caractérise par : le délai d apport optimum d énergie, sa capacité ou énergie potentielle totale susceptible d être utilisée, sa puissance métabolique ou quantité maximale d énergie qu elle peut fournir par unité de temps, son endurance ou pourcentage de la puissance énergétique maximale qu elle peut fournir pendant le plus long temps possible, son ou ses facteur(s) limitant(s), et la durée nécessaire pour reconstituer les réserves utilisées ou/et pour éliminer ou métaboliser les déchets et métabolites produits 7

Rappel sur l énergétique musculaire: les sources énergétiques: PCr et glycogène. Le catabolisme de la PCr libère immédiatement sont E, Plusieurs étapes sont nécessaire pour le catabolisme du glycogène et les acides gras. Les premières étapes du catabolisme du glycogène (glycolyse) se déroulent dans le cytoplasme cellulaire et ne nécessite pas d oxygène (glycolyse anaérobie). La glycolyse peut se poursuivre dans les mitochondries en présence d oxygène (glycolyse aérobie). Rappel sur l énergétique musculaire: les sources énergétiques: les acides gras. Les acides gras: le catabolisme ou lipolyse est également réalisé dans la mitochondries en présence d oxygène. Dans les mitochondries, le catabolisme des différentes molécules aboutit toujours à la libération d E, CO2 et H20 Ces réactions permettent de libérer «à petit feu» et sans gaspillage excessifs, l énergie nécessaire à la synthèse de l ATP Comment sont reconstituées les réserves énergétiques: glucides, lipides, protéines? Rappel des caractéristique des différentes sources énergétiques sollicitées au cours de l exercice musculaire. + + ATP CO 2 + H 2 O Glycogène, glucose, acides gras libres, acides aminés + O 2 Acide lactique Glycogène = ADP + Pi Créatine + Pi Phosphorylcréatine (PCr) SOURCES 1) Immédiate: ou «anaérobie alactique» : Sprints courts : départ 10 à 30 m, sauts et tout exercice très court ( 1 à 4-5s ) et très intense. 2) Retardée : ou «anaérobie lactique» : 60, 80, 100, 200, 400, 800, 1500m (6-7s à 2-3min) 3) Très retardée : aérobie : 5-10000m, semi marathon, marathon et ultra marathon 8

Voies métaboliques pour la synthèse de l ATP Flux mmol.s -1.kg -1 Total disponible mmol.kg -1 de muscle ATP, PCr ADP, Cr 2.6 26 Glycogène Lactate 1.4 60-75 Glycogène CO 2 0.51-0.68 31000 Glucose CO 2 0.22 Acides Gras CO 2 0.24 (*) Flux maximaux de production d ATP ( P) à partir des différents substrats disponibles dans le muscle (d après Greenhaff et al.1993) (*) selon Newsholme, 1993, les réserves en triacylglycérol de l organisme pourraient assurer l apport énergétique nécessaire à un marathon de 119h!! MILIEU EXTRA CELLULAIRE O 2 Exercice de longue durée MEMBRANE CELLULAIRE MILIEU CELLULAIRE O 2 Myoglobine Exercice court et intense Glycogène... lactate PCr C + Pi ADP + Pi ATP Mitochondrie Troponine Actine Myosine Contraction et relâchement musculaires Tropomyosine Rappels sur la bioénergétique: source immédiate: la source des phosphagènes Le processus anaérobie alactique recouvre l ensemble des réactions qui assurent la synthèse de l ATP en l absence d oxygène et sans production finale d acide lactique. Phosphocréatine (PCr) : directement et immédiatement impliqué lors de toute contraction grâce à la présence d un composé riche en phosphore. La PCr ne peut pas mettre directement à disposition son E pour les filaments contractiles. Elle a besoin d une enzyme: la créatine phosphokinase (CPK) qui lui permet de céder un phosphate à l ADP pour reformer l ATP. ATP et PCr constituent les composés phosphate à haute énergie, appelés Pool des phosphagène. 9

Rappels sur la bioénergétique: source immédiate: la source des phosphagènes Le catabolisme des phosphagènes est: Immédiat et libère une très grande quantité d énergie. Il permet de répondre aux situations d urgence dans l attente des relais énergétique des glucides puis des lipides. L épuisement rapide des très faible réserves d ATP et PCr limite leur utilisation leur utilisation à des durées très brèves (7 à 8 s en max) Rappels sur la bioénergétique: source immédiate: la source des phosphagènes Après un exercice intense et de courte durée, les produits du catabolisme des phosphagènes sont: l ADP, la créatine et les Pi. En présence d E, la réversibilité des réactions du catabolisme des phosphagènes permet leur resynthèse. La resynthèse complète des réserves en ATP-PCr est très rapide au début de la récupération: environ 70% au cours de la 1ière minute, 85% après 2 min, 100% en 5 à 6 min Synthèse de la PCr ATP Mg 2+ ADP : Créatine (Cr) Phosphorylcréatine (PCr) Phosphorylcréatine Kinase (PCK) Contraction : ATP + H 2 O Myosine ATPase ADP + Pi Réplétion : PCr + ADP Phosphorylcréatine Kinase (PCK) Cr + ATP 10

Rappels sur la bioénergétique: source immédiate: la source des phosphagènes La resynthèsedes phosphagènesàpartir de leurs produits dégradées nécessite de l énergie. C est ànouveau l hydrolyse de l ATP qui fournit cette énergie ce qui Implique la présence de nouvelles molécule d ATP. Quelle est l origine de ces nouvelles molécules d ATP? Apport d O2 aux mitochondries pendant la récupération permet: la synthèse de l ATP dont une partie peut être utilisée dans de nombreux processus nécessitant de L E pour mieux récupérer Au cours de la récupération La vitesse de resynthèsede la PCr peut être améliorée avec un entraînement aérobie. Concentration en PCr musculaire au repos chez l homme (en mmol.kg-1 de poids de muscle frais) Poortmans (2002) Muscle Total Fibres I Fibres II Références Quadriceps (vaste externe) 19 ± 1.5 14.5 ± 0.4 18.9 ± 1.1 16.3 ± 0.7 19.1 ± 0.3 15.7 18.5 ± 0.5 17.0 ± 2.2 16.6 20.8 ± 1.0 19.2 ± 2.6 Edström et al. (1982) Karlsson et al. (1971) Saltin et al. (1974) Greenhaff et al. (1991) Söderlund et al. (1992) Tesch et al. (1993) Soléaire Deltoïde 17.7 ± 1.7 19.6 Edström et al. (1982) Karlsson et al. (1975) Récapitulatif du métabolisme de l ATP et de la PCr La concentration intracellulaire en ATP diminue au maximum de 50% après un exercice, aussi intense soit-il. Pour cela, Les réserves en PCr sont fortement mobilisées pour la resynthèse d ATP, Le groupement phosphate de la PCr se lie à l ADP (ADP + PCr ATP + Cr), La concentration en PCr baisse alors très vite, Une déplétion totale n est cependant jamais atteinte ( 25%). Ces facteurs peuvent limiter fortement la performance des exercices très intenses (sprint ) en terme de puissance métabolique (débit maximal). 11

Il regroupe la glycogénolyse et la glycolyse. On distingue: - le processus de renouvellement de l ATP qui est oxygéno-dépendant - le processus de renouvellement de l ATP qui est non oxygéno-dépendant Ces processus fonctionnent tout au long de l exercice et interviennent dans le renouvellement de l ATP dans des proportions qui varient en fonction de l exercice (durée, intensité, etc.). SOURCES : ATP ADP + Pi Acide lactique 197 kj.mol -1 Glycogène Créatine + Pi Phosphocréatine (PCr) - 800-1500 m 2) Retardée : «anaérobie lactique» - 400 m - 200 m - 100 m sprint 1) Immédiate La glycolyse anaérobie (non-oxygéno-dépendant) a lieu dans le cytoplasme en dehors des mitochondries (extra mitochondrial) et n a pas besoin d oxygène (anaérobie). Elle peut utiliser deux substrats: le glucose et le glycogène et se déroule suivant un processus complexe nécessitant dix réactions biochimiques. Chacune d elles est orientée et accélérée par une enzyme spécifique. 12

La glycolyse est une succession de réactions au cours de laquelle une molécule de glucose est transformer en deux molécules d acides pyruviques (C3H4O3). La glycolyse se déroule en trois phases: une phase d amorçage au cours de laquelle 1 molécule d ATP est consommée lorsque le glucose est utilisé, une phase préparatoire au cours de laquelle une molécule d ATP est aussi consommée une phase de remboursement qui fournit 4 ATP. But final de la glycolyse est la production d ATP et l ajustement de cette production aux besoins de la cellule. Lorsque le muscle se contracte plus vigoureusement ou plus fréquemment nécessitant donc plus d ATP, la vitesse de la glycolyse augmente. Le glucose du travail musculaire provient de cinq sources principales: du glycogène en réserve dans le muscle, du glucose sanguin ou glucose circulant, des réserves hépatiques (foie), de la néoglycogénèse hépatique (cycle de Cori et de l alanine-glucose) bien sûr de notre alimentation. L alimentation et nos boissons apportent trois types de glucides: les sucres simples ou monosaccharides: le glucose, le fructose, et le galactose, les disccharidesformés de deux sucres simples associés: le maltose, le sucrose et le lactose et les polysaccharides: l amidon formécomme le glycogène de longues chaînes de glucose. La digestion transforme les glucides ingérés en sucres simples qui sont absorbés par l intestin et transférés dans la circulation sanguine. Le sang véhicule le glucose qui devient le glucose circulant: soit vers les lieux de sa consommation: de façon permanente par les fibres du système nerveux qui sont de grosses consommatrices de façon occasionnelle par les muscles actifs, soit vers les lieux de son stockage sous forme de glycogène: les muscles et la foie 13

La concentration du glucose dans le sang appelée glycémie est maintenue aux environs de 0.9 g/l Dans l organisme, les réserves en glycogène se répartissent: le foie(50g/kg soit entre 80 et 90g) les muscles (10 à20 g/kg chez les sujets sédentaires et de 30 à45g /kg chez le sportif très entraîné). La totalitédes réserves chez un sportif de 70 kg présentant 30 kg de muscle se situe donc entre 1kg et 1.4 kg alors qu elle ne sont que 400 à600g chez le sédentaire. L entraînement et l alimentation peuvent donc considérablement améliorer les réserves en glycogènes de l organisme. Le glucose est transporté par le sang Il pénètre dans la fibre musculaire pour être transformé en G-6-P en utilisant un ATP. Le glycogène synthétisé à partir du glucose par la glycogénèse. Pour fournir de l énergie, il doit être transformé en G-6-P en passant par le G-1-P. La glycolyse commence au niveau du G-6-P Les différente étapes de la glycolyse ne nécessitent pas d O2. Cependant la destinée de l acide pyruvique formé est conditionnée par l apport ou l absence d O2. Pas d O2 = Système glycolytique : acide pyruvique transformé en acide lactique. Glycolyse et glycogénolyse vont utiliser les réserves en glycogène et glucose du muscle et du foie. Oxygéno-dépendant ou non, le début de la réaction reste identique.glucose et glycogène passent par une étape commune : Le (G-6-P), filière identique. Lors d exercice intenses c est surtout la glycogénolyse qui est activée en priorité. La glycolyse prend le relais lorsque les réserves musculaires de glycogène baissent au cours d exercices de plus longue durée. 14

La molécule de glycogène va être dégradée en glucose-1 phosphate sous l action de la phosphorylase. Une série de transformation chimique permet d aboutir àune molécule de fructose 6 P qui, sous l effet de la Phospho-Fructo-Kinase va être dégradée en fructose 1, 6 phosphate. Glycolyse = suite de 12 réactions dans le cytoplasme et qui s achève avec la formation d acide pyruvique. Gain en ATP = 3 (glycogène) et 2 (glucose). Un ATP ayant été utilisé pour transformer le glucose en G-6-P. A partir de l acide pyruvique, les principales différences entre les processus oxygéno-dépendant et non oxygéno-dépendant sont mises en évidence: Oxygéno-dépendant, la réaction biochimique va transformer l acide pyruvique en AcétylCoA, lequel va entrer dans la mitochondrie. Non-oxygéno-dépendant aboutit à production de 2 ou 3 ATP et d acide lactique. Les actions combinées du métabolisme des phosphagénes puis du système glycolytique permettent au muscles de se contracter même lorsque l apport d O2 est limité: premières minutes d un exercice. Phase d exercice: Baisse du rapport ATP/ADP+AMP+Pi, Présence d adrénaline (hormone du stresse) et celle du calcium résultant de la contraction, Activation deux enzymes qui enclenchent la glycolyse : Hexokinase(pour le glucose) : enzyme qui catalyse l entrée du glucose libre (provenant du sang) dans la glycolyse Glycogène- phosphorylase (pour le glycogène) dégradation du glycogène stocké dans le muscle, en glucose-1-phosphate et lui ouvre ainsi la voie de la glycolyse. 15

Autres enzymes de la glycolyse : Phosphofructokinase (PFK) et Pyruvate kinase: Régulation de l importance du flux de la glycolyse Adaptation aux besoins en ATP du travail musculaire. Plus la chute du rapport ATP/ADP+AMP+Pi est importante (exercice très intense), plus le flux le sera aussi. Lacticodéshydrogénase (LDH): transformation de l acide pyruvique en acide lactique. ; facteur limitant Facteur limitant essentiel: Production d acide lactique dans les muscles. Lors d exercices courts et intenses les concentration d acide lactique mésuréesentre 1 et 25 mmole/kg de muscle. Cette acidification entraîne: Altération du fonctionnement des enzymes: inhibition de la glycolyse Diminution du pouvoir contractile des fible musculaires (libération du calcium) Dès le début d un exercice, l énergie libéré par la glycolyse permet: la synthèse très rapide de nouvelles molécules d ATP qui s ajoutent à celles produite par le métabolisme anaérobie alactique (source des phophagènes). Pleine efficacité et intervention prépondérante de la glycolyse lactique s exerce surtout entre les limites : 20s 3min lorsque: les réserves en PCr sont très nettement réduites. le système aérobie n a pas encore eu le temps de fonctionner à son plein régime, ou/et lorsque l intensité de l exercice musculaire dépasse les capacités du système aérobie. 16