Fiche de révision : VO₂, seuils et intensités

📋 Plan du Cours

1. Filières énergétiques et ATP
2. Mesurer la dépense énergétique
3. Fondements de la calorimétrie indirecte
4. VO₂max et ses déterminants
5. Seuils et zones physiologiques
6. Domaines d’intensité et performance

📖 1. Filières énergétiques et ATP

★ À maîtriser

• L’ATP est la monnaie d’échange énergétique de l’organisme.

• Le bilan net de la glycolyse est de $2\,\text{ATP}$ par molécule d’hexose, car 2 ATP sont consommés pour amorcer les réactions.

• Lorsque le flux glycolytique est élevé, le pyruvate s’accumule puis est réduit en lactate, ce qui régénère le NAD⁺ par oxydation du NADH.

• La phosphorylation oxydative produit 3 ATP par NADH+H⁺ et 2 ATP par FADH₂ grâce au gradient de protons mitochondrial.

📌 L’oxydation des lipides fournit davantage d’énergie par mole de substrat, tandis que celle des glucides fournit davantage d’ATP par mole d’oxygène consommée.

Compléments

• La glycolyse comporte une chaîne de 10 étapes et produit du pyruvate, des ions H⁺ et du lactate.

• Le cycle de Krebs oxyde les groupements acétyle et prélève des atomes d’hydrogène grâce au NAD⁺ et au FAD.

• L’oxydation d’une mole de glucose consomme 6 moles d’O₂ et produit 38 ATP, soit environ 6,3 ATP par mole d’O₂.

• L’oxydation d’une mole de lipide consomme 23 moles d’O₂ et produit 129 ATP, soit environ 5,6 ATP par mole d’O₂.

• Un gramme de lipides fournit 2,25 fois plus d’énergie qu’un gramme de glucides.

📌 La capacité d’une filière correspond à la taille de son réservoir énergétique, tandis que sa puissance correspond à la taille de son goulot de débit.

💡 Astuce mémo

Lipides : plus d’énergie par mole ; glucides : plus d’ATP par mole d’O₂.

📖 2. Mesurer la dépense énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Déficit maximal d’O₂ accumulé : Medbo, 1988 - Le déficit maximal d’O₂ accumulé (DMOA) estime la dépense glycolytique lors d’un exercice supramaximal en comparant le VO₂ qui serait consommé si celui-ci était immédiatement stable au VO₂ réellement consommé pendant la transition repos-exercice.
• Excès de consommation d’O₂ post-exercice : L’excès de consommation d’O₂ post-exercice (ECOPE) désigne le maintien d’un VO₂ supérieur au niveau basal après l’arrêt de l’exercice.

★ À maîtriser

• Les techniques directes de mesure du métabolisme aérobie sont :
  • la calorimétrie directe
  • l’eau doublement marquée
  • la calorimétrie indirecte

Compléments

• La résonance magnétique nucléaire permet de quantifier directement le métabolisme des phosphagènes en mesurant le comportement des noyaux atomiques exposés à un champ électromagnétique intense.

• Le phosphore est particulièrement adapté aux mesures par RMN car il possède un seul isotope stable, le ³¹P.

• Pour estimer le DMOA, on extrapole la relation VO₂-puissance ou VO₂-vitesse mesurée lors d’un test incrémental initial afin d’estimer l’équivalent en oxygène de la puissance d’exercice.

• L’ECOPE ne permet pas à lui seul d’estimer la dépense de l’exercice, car la relation entre dette d’oxygène et travail n’est pas linéaire et comporte une troisième phase très lente.

• Les méthodes d’estimation de la dépense énergétique comprennent :

  • la fréquence cardiaque
  • le GPS
  • la puissance
  • les questionnaires
  • l’observation directe
  • les carnets d’activité physique

📖 3. Fondements de la calorimétrie indirecte

★ À maîtriser

• La calorimétrie indirecte mesure les gaz expirés à la bouche, considérée comme le lieu de capture de l’activité des systèmes métaboliques.

• La VO₂ augmente approximativement de façon linéaire avec l’intensité de l’exercice jusqu’à atteindre un maximum.

Compléments

• Antoine et Marie-Anne Lavoisier ont contribué aux bases conceptuelles de la calorimétrie indirecte, notamment par la stœchiométrie, la classification des éléments et le système métrique. - West, 2013

• Lavoisier décrit la respiration comme une combustion lente du carbone et de l’hydrogène comparable à celle d’une lampe ou d’une bougie. - West, 2013

• À vélo, le gain de VO₂ est d’environ 10 mL d’O₂ par minute pour chaque watt supplémentaire.

💡 Astuce mémo

La bouche comme fenêtre unique sur les échanges des systèmes métaboliques.

📖 4. VO₂max et ses déterminants

★ À maîtriser

• Taylor, Buskirk et Henschel (1955) ont formalisé le concept de VO₂max à partir de la preuve d’un plateau de VO₂ à l’exercice maximal. - TAYLOR, H. L., BUSKIRK, E., & HENSCHEL, A.

📌 Le critère de plateau de VO₂ retient une variation ne dépassant pas 150 mL/min ou environ 2,1 mL/kg/min malgré une augmentation de l’intensité.

📌 La VO₂max est un débit d’oxygène généralement exprimé en L/min, tandis que sa valeur relative est exprimée en mL/min/kg pour permettre des comparaisons entre individus.

• Les principaux facteurs limitant la VO₂max sont :
  • la génétique
  • l’âge
  • le sexe
  • le niveau d’entraînement
  • les pathologies

Compléments

• Hill et Lupton (1923) ont observé que la consommation d’O₂ augmente d’abord linéairement avec l’intensité, puis atteint un plateau qui résiste à toute hausse supplémentaire. - Hill & Lupton

• La puissance ou la vitesse maximale aérobie correspond à la plus petite puissance ou vitesse atteinte à VO₂max lors d’un test triangulaire, alors que VO₂max peut être atteinte à des puissances ou vitesses inférieures dans d’autres exercices.

• La mesure de VO₂max dépend fortement du protocole, du système de mesure, de l’opérateur et de la motivation, mais peu de la fatigue.

• Les définitions historiques du plateau de VO₂ diffèrent : Taylor retient une variation inférieure à environ 150 mL/min sur une minute, Astrand un changement minime après augmentation d’intensité, Mitchell moins de 54 mL/min et Issekutz moins de 100 mL/min.

📖 5. Seuils et zones physiologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Zone modérée : La zone modérée est caractérisée par une cinétique de VO₂ mono-exponentielle et un état stable atteint rapidement, en moins de 3 minutes, lors d’un exercice constant.
• Zone lourde : La zone lourde présente une cinétique de VO₂ à double exponentielle et une composante lente, avec un état stable retardé de 6 à 20 minutes lors d’un exercice constant.
• Zone sévère : La zone sévère ne permet pas d’atteindre un état stable lors d’un exercice constant et la VO₂ dérive vers la VO₂max et l’épuisement si l’exercice se poursuit.
• Premier seuil : Le premier seuil marque le passage d’une intensité où l’état stable est atteint rapidement à une intensité où il est atteint avec retard.
• Deuxième seuil : Le deuxième seuil marque le passage d’une zone où un état stable est atteignable à une zone sans état stable, où l’épuisement survient si l’exercice est poursuivi à volonté.
• Zone extrême : La zone extrême est une intensité qui entraîne l’épuisement avant que la VO₂max puisse être atteinte, pour des exercices maximaux durant environ moins de 2 minutes.
• Puissance critique : La puissance critique est l’asymptote de la relation entre puissance et durée, et constitue une mesure de référence du deuxième seuil fondée sur la performance.

★ À maîtriser

• Le MLSS est déterminé par des essais de 30 minutes à intensité constante, augmentée d’un essai à l’autre ; l’absence de hausse des lactates entre la 10e et la 30e minute indique un état stable, et la première intensité où les lactates augmentent marque l’entrée dans la zone sévère.

Compléments

• Dans la zone lourde, la composante lente de VO₂ est associée au recrutement d’unités motrices supplémentaires, plus fortes mais plus fatigables.

• Autour du premier seuil, l’augmentation de la contribution glycolytique accroît l’excrétion des protons, notamment via les bicarbonates sanguins ; leur élimination pulmonaire sous forme de CO₂ et d’H₂O s’accompagne d’une hausse des lactates sanguins et d’une production disproportionnée de CO₂.

• Le premier seuil peut être défini par les lactates comme le premier accroissement au-dessus du repos d’environ 0,3 mM ; d’autres méthodes utilisent des seuils fixes tels que OBLA 2 ou OBLA 4, ou la méthode DMax et ses variantes.

• Lors d’un test incrémental, le premier seuil ventilatoire peut être repéré par une hausse disproportionnée de la ventilation par rapport aux besoins en O₂, notamment par les méthodes V-slope ou des équivalents respiratoires.

• Au deuxième seuil, la capacité maximale de tamponnage des protons par les bicarbonates est atteinte, l’équilibre acido-basique se modifie et la ventilation augmente davantage pour éliminer le CO₂ et les H⁺.

• Le deuxième seuil ventilatoire peut être repéré par le deuxième accroissement de VE/VO₂ et le premier accroissement de VE/VCO₂.

• Les mesures incrémentales des seuils par les lactates et les gaz expirés sont proches, mais leurs correspondances ne sont pas exactes.

💡 Astuce mémo

Modérée : état stable rapide ; lourde : état stable retardé ; sévère : pas d’état stable ; extrême : épuisement avant VO₂max.

📖 6. Domaines d’intensité et performance

★ À maîtriser

• Les modèles d’intensité comprennent trois zones (modérée, lourde et sévère) ou quatre zones lorsqu’on ajoute la zone extrême.

📌 Les modèles fondés sur des pourcentages de VMA ou de PMA ne correspondent pas nécessairement à des événements physiologiques.

• La délimitation des zones d’intensité relative sert à : prescrire les contenus d’entraînement, estimer la récupération optimale, estimer la distribution du volume d’entraînement par zones, prescrire un entraînement polarisé, assurer le monitoring de la charge

• La VO₂max est fortement corrélée à la capacité d’exercice dans la population générale et constitue une qualité essentielle à la performance dans une discipline énergétique.

• Dans un groupe d’athlètes de niveau homogène, la VO₂max ne prédit plus à elle seule la performance ; la fraction soutenable de VO₂max, l’économie et la résistance à la fatigue contribuent à départager les athlètes.

Compléments

• Les frontières de certains modèles à cinq ou sept zones ne sont pas définies par des événements physiologiques, notamment les frontières Z1/Z2 et Z3/Z4.

• La médiane de VO₂max dans la population générale est d’environ 38 mL/min/kg, soit plus de 50 % de moins que chez un athlète.

• Jones (2006) a analysé les caractéristiques de VO₂max, de seuil et d’économie de course de Paula Radcliffe entre 1991 et 2003. - Jones, AM, The Physiology of the World Record Holder for the Women’s Marathon

💡 Astuce mémo

VO₂max fixe le potentiel ; fraction soutenable, économie et résistance à la fatigue départagent les athlètes similaires.

📊 Tableaux de synthèse

Zones d’intensité physiologique