Physiological Responses to Exercise

I. Systèmes de production d'énergie

Le **métabolisme** transforme les aliments en énergie pour les cellules. L'ATP est la principale source d'énergie.

• L'ATP est produite principalement par la **respiration cellulaire** dans les mitochondries.

• La concentration d'ATP musculaire est très faible (5 mmol/kg), nécessitant une **resynthèse constante** pendant l'effort.

1. Voie anaérobie alactique

• Pas d'O2, pas de lactate.

• Utilise l'ADP et la phosphocréatine via l'enzyme **créatine phosphokinase**.

• **Source immédiate** et très rapide d'ATP.

• Intervient au **début de l'exercice** ou lors d'efforts très courts (**le "starter"**).

2. Voie anaérobie lactique

• Pas d'O2, formation d'acide lactique.

• Utilise les **glucides** (glucose, glycogène).

• L'acide lactique n'est pas un déchet, c'est un substrat énergétique (peut produire 17 molécules d'ATP).

• Resynthèse d'ATP rapide via 11 réactions.

• **Réserves de glycogène importantes** (foie et muscle).

• Rôle maximal pour des efforts entre **800-1500m**.

3. Voie des oxydations cellulaires (aérobique)

• Corresponds à la **respiration mitochondriale**.

• **Utilise l'O2**.

• Dégrade **glycogène, glucose, acides gras (lipides), et aa** (en situations extrêmes).

• **Source d'énergie retardée mais très rentable**.

• Nécessite l'**adaptation du système cardio-respiratoire**.

• Sert pour les besoins à **long terme** (semi-marathon, 3000-10000m).

4. Notion de rendement

• Anaérobie (glucides) → **2 à 3 ATP**.

• Aérobie (glucides) → **Quantité d'énergie très nettement supérieure**.

• Aérobie (acides gras) → **Quantité d'ATP extrêmement élevée**, la plus rentable.

II. Évolution de la VO2 au cours de l'exercice

Tout exercice physique nécessite une **production supplémentaire d'énergie** par les voies aérobies, augmentant les besoins en oxygène par un facteur 10 en moyenne.

Adaptations de l'organisme pour les besoins en O2

1. **Captation de l'O2** dans l'air ambiant par les poumons.

2. **Transport de l'O2** par le système cardiovasculaire vers les muscles.

3. **Utilisation de l'O2** par le muscle et relâchement de CO2.

4. **Transport du CO2** par la circulation vers les poumons et expulsion.

La mesure de la consommation d'O2 (VO2) reflète la **réponse globale de l'organisme à l'exercice**.

1. Évolution de la VO2 lors d'un exercice à charge constante

1. **Repos** : Consommation d'O2 stable (dépense métabolique de base).

2. **Début de l'exercice** :

   • **Délai d'augmentation de la VO2** dû à l'inertie des adaptations pulmonaires et cardiaques.

   • Énergie principalement par voies anaérobies → formation d'acide lactique.

   • L'organisme contracte une **dette d'oxygène**.

3. **Après quelques minutes (~3 min)** :

   • VO2 équilibrée et stable → **état stable**.

4. **Arrêt de l'exercice** :

   • La VO2 diminue mais reste élevée pendant un certain temps pour **payer la dette d'oxygène**.

   • Métabolisation du lactate, resynthèse du glycogène, re-saturation de la myoglobine.

2. Évolution de la VO2 lors d'un exercice d'intensité croissante

• La VO2 augmente de manière **linéaire** avec la puissance jusqu'à un **plateau**.

• Ce plateau est la **VO2 Max** (consommation maximale d'oxygène de l'individu).

• VO2 de repos : 0,25 à 0,3 L/min. VO2 Max individuelle peut être 10 fois celle de repos chez un sédentaire jeune.

III. Facteurs de variation de la VO2 Max

La VO2 Max est un **index d'aptitude physique** influencé par plusieurs facteurs.

1. Caractéristiques anthropométriques

• Dépend du **poids maigre** (poids total - masse graisseuse).

• Dépend du **volume des membres inférieurs**.

• Ex: un rugbyman de 100 kg aura une VO2 Max plus importante qu'un enfant de 30 kg.

2. Le sexe

• **Avant la puberté** : Pas de différence significative entre garçons et filles.

• **Après la puberté** :

  • **Garçons** : Augmentation nette de la VO2 Max due à l'augmentation de la **masse musculaire**.

  • **Filles** : VO2 Max plafonne plus bas, avec une moindre augmentation de la masse musculaire et une masse adipeuse un peu plus importante.

3. L'âge

• À partir de **30 ans**, la VO2 Max diminue d'environ **10% par décade**.

• C'est un phénomène inéluctable, mais l'**activité physique peut ralentir** cette décroissance.

• Cette diminution est due à la baisse de la **fréquence cardiaque maximale** et donc du débit cardiaque maximal.

4. Entraînement / Déconditionnement

• **Activité physique régulière en endurance** (2-3 fois/semaine) → **Augmente la VO2 Max**.

  • Sujet non entraîné : ~40 ml/kg/min à 20 ans.

  • Sujet très entraîné : >60 à 80 ml/kg/min.

• L'entraînement est un **indicateur d'aptitude physique aérobie**.

• **Inactivité (déconditionnement)** → **Réduit la VO2 Max**.

IV. Adaptations ventilatoires

L'aptitude à l'exercice dépend de la capacité à **prélever, transporter et utiliser l'oxygène**.

1. La ventilation à l'effort

• La ventilation s'adapte pour permettre le prélèvement d'O2.

• **VO2 = Ventilation x (fraction O2 inspiratoire - fraction O2 expiratoire)**.

• Augmentation de la ventilation contribue directement à l'augmentation de la VO2.

• **Repos** : 5-7 L/min.

• **Effort maximal** : >100 L/min chez les sportifs.

Évolution de la ventilation en fonction de la puissance d'exercice

• **Jusqu'à 50-60% de la puissance max** : Ventilation augmente de façon **linéaire**.

• **Au-delà** : Ventilation augmente de façon plus **exponentielle** (hyperventilation excessive).

• Seuil ventilatoire : Point de changement d'allure. Index d'aptitude physique.

  • Il existe deux seuils ventilatoires (**SV1 et SV2**).

  • Correspondent à la coordination métabolique et ventilatoire.

Fréquence respiratoire (FR) et Volume courant (VT)

• Il est préférable d'augmenter le **VT** plutôt que la FR pour une meilleure efficacité/économie.

• **VT (volume courant)** :

  • Augmentation limitée à environ la **moitié de la capacité vitale**.

  • Augmente jusqu'à **75% de la VO2 Max**.

• **FR (fréquence respiratoire)** :

  • Augmente au-delà de **75% de la VO2 Max** (jusqu'à ~40 cycles/min).

• L'adaptation est **spontanée**.

Muscles respiratoires

• **Repos** : Diaphragme et certains muscles intercostaux. Expiration passive.

• **Effort** : Recrutement de muscles accessoires (sternocléidomastoïdiens, scalènes) → **Augmentation de l'amplitude**. Expiration devient active.

• Le travail des muscles respiratoires est plus important à l'exercice.

La **capacité ventilatoire n'est pas un facteur limitant** de l'exercice physique (réserve ventilatoire ~30%). Le facteur limitant est plutôt d'origine **cardiovasculaire**.

2. Les échanges alvéolo-capillaires

• Amélioration de la **diffusion alvéolo-capillaire** de l'O2 (alvéole -> sang) et du CO2 (sang -> alvéole).

• Augmentation du **nombre d'alvéoles fonctionnelles** et de la **surface d'échange** grâce à l'augmentation de la ventilation.

• Augmentation du **débit sanguin pulmonaire** (due au débit cardiaque) → plus d'alvéoles irriguées et fonctionnelles.

• Augmentation du **gradient de pression alvéolo-capillaire**.

• Ces mécanismes compensent la diminution du temps de contact alvéolo-capillaire, assurant une **hématose correcte à l'effort**.

V. Les réponses cardiovasculaires

L'organisme adapte sa capacité à **transporter et utiliser l'O2** via le système cardiovasculaire.

1. L'adaptation de la fréquence cardiaque (FC)

• Augmente **linéairement** avec l'effort jusqu'à un maximum théorique.

• Augmentation précoce par **levée du frein vagal**.

• Mécanismes régulateurs secondaires :

  • **Sollicitation sympathique** (l'exercice est une "agression").

  • **Médullo-surrénale** (adrénaline).

  • **Augmentation de la température corporelle**.

• Atteinte d'un **plateau (FC Max)** au cours de l'exercice.

2. L'adaptation du débit cardiaque (DC)

• Le DC peut passer de 5-6 L/min au repos à **25-30 L/min** à l'effort maximal (plus chez les entraînés).

• **DC = Volume d'éjection systolique (VES) x Fréquence Cardiaque (FC)**.

3. Adaptation périphérique au niveau musculaire

• Amélioration de l'**extraction de l'oxygène** par les muscles.

• La **différence artério-veineuse (Dav-O2)** est multipliée par 3:

  • Repos : Dav-O2 ~25%.

  • Exercice max : Dav-O2 ~75%.

• L'augmentation de l'extraction d'O2 entraîne une **diminution de la concentration veineuse d'O2**.