Fiche de révision : Entraînement des filières énergétiques

📋 Plan du Cours

1. Condition physique et santé
2. Filières énergétiques musculaires
3. Substrats et réserves énergétiques
4. Équations bilan des filières
5. Performance des filières énergétiques
6. Paramètres et durées des filières
7. Évaluer les filières énergétiques
8. Tests des filières anaérobies et aérobies
9. Trajet et déterminants de l’oxygène
10. Facteurs limitants de la VO₂max
11. Mesure et estimation de la VO₂max
12. Dérive de la consommation d’oxygène
13. Zones et entraînement aérobie
14. Développement de la filière anaérobie lactique
15. Développement de la filière anaérobie alactique

📖 1. Condition physique et santé

🔑 Notions clés & Définitions

• Condition physique : Selon Astrand (1973), la condition physique correspond à la marge de sécurité entre la puissance maximale aérobie d’un individu et la charge imposée.

📝 Points essentiels

• En 2004, l’OMS établit que la promotion de l’activité physique doit être un objectif majeur des sociétés industrialisées afin de protéger la santé des individus.

📖 2. Filières énergétiques musculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Filières énergétiques : Les filières énergétiques sont des voies biochimiques qui transforment l’énergie d’un substrat initial en ATP, forme intermédiaire obligatoire.

★ À maîtriser

• Les réactions des filières anaérobies se déroulent dans le cytosol, tandis que l’essentiel des réactions de la filière aérobie se déroule dans la mitochondrie.

• La filière anaérobie lactique utilise uniquement des glucides, sous forme de glucose ou de glycogène, et comporte dix réactions cytosoliques sans oxygène appelées glycolyse anaérobie.

• La filière aérobie peut utiliser les glucides, les lipides et les protéines, et ses réactions ont une voie finale commune dans la mitochondrie à partir du cycle de Krebs.

• L’organisme renouvelle continuellement l’ATP au rythme de sa dégradation, car les cellules ne disposent pas de réserve d’ATP.

Compléments

• La filière anaérobie alactique utilise la phosphocréatine ou l’ADP comme substrat et repose sur une seule réaction.

📐 Formule - La réaction de la filière anaérobie alactique est $\mathrm{PCr + ADP \rightleftharpoons ATP + Cr}$, ou $\mathrm{ADP + ADP \rightleftharpoons ATP + AMP}$.

• La filière anaérobie alactique a une inertie nulle, une puissance maximale très élevée et une capacité très limitée, de quelques secondes.

• La glycolyse anaérobie ne permet d’extraire qu’environ 5 % de l’énergie contenue dans le substrat initial et aboutit à la formation de lactate.

• La filière anaérobie lactique a une inertie relativement faible, une puissance maximale élevée et une capacité limitée par l’acidose.

• La glycolyse anaérobie comprend une phase d’activation par phosphorylation, une phase de scission du glucose à six carbones en deux trioses-phosphate à trois carbones, puis une phase de dégradation avec oxydation et synthèse directe d’ATP.

• La filière aérobie nécessite l’oxygène, présente une inertie importante, une puissance maximale faible et une capacité élevée, ces deux dernières caractéristiques variant selon les substrats.

• La glycolyse aérobie comprend trois étapes :

  • Glycolyse dans le cytosol
  • Cycle de Krebs dans la mitochondrie
  • Chaîne respiratoire dans la mitochondrie

📌 Lorsque la glycolyse n’est pas trop rapide et que l’oxygène est disponible en quantité suffisante, le pyruvate entre dans la mitochondrie et y est transformé en acétyl-CoA.

📌 Le choix de la filière énergétique et du substrat dépend principalement de la vitesse du renouvellement de l’ATP, c’est-à-dire de la puissance développée.

• Le renouvellement de l’ATP peut se faire avec ou sans oxygène, mais l’organisme fonctionne toujours en présence d’une contribution aérobie.

💡 Astuce mémo

Anaérobie dans le cytosol, aérobie surtout dans la mitochondrie.

📖 3. Substrats et réserves énergétiques

★ À maîtriser

• Les nutriments énergétiques se répartissent en trois classes :
  • Glucides
  • Lipides
  • Protéines

Compléments

• Le glycogène et les triglycérides sont respectivement les formes de réserve des glucides et des lipides.

• Les réserves de substrats sont entreposées dans différents tissus et mobilisées dans la circulation selon les besoins.

• Les réserves lipidiques sous forme de triglycérides sont les plus abondantes, mais leur mobilisation est lente.

• Les réserves de glycogène se trouvent dans :

  • les muscles et le foie

  • elles sont rapidement disponibles

  • mais en quantité très limitée

• Les protéines sont mobilisées en dernier recours, tandis que les phosphagènes interviennent instantanément et constituent une réserve énergétique très limitée.

• Le contenu énergétique net des glucides, des lipides et des protéines est respectivement de 4,03 kcal/g, 8,93 kcal/g et 4,05 kcal/g.

📖 4. Équations bilan des filières

🔑 Notions clés & Définitions

• Équation bilan : Une équation bilan résume en une seule équation chimique l’ensemble des réactions qui transforment l’énergie au sein d’une filière énergétique.

📝 Points essentiels

• Les équations bilan renseignent sur quatre éléments :
  • La nature du substrat énergétique
  • L’intervention ou non de l’oxygène
  • La nature des produits issus de la transformation du substrat
  • Le bilan net de la synthèse d’ATP

📖 5. Performance des filières énergétiques

★ À maîtriser

• Le choix de la filière énergétique dépend avant tout de la vitesse du turnover de l’ATP, c’est-à-dire de la puissance nécessaire.

• Les paramètres de performance sont :

  • sa puissance maximale
  • sa capacité
  • son inertie
  • son endurance

📌 La filière qui possède la puissance la plus élevée est celle dont la capacité est la plus faible.

Compléments

• Les caractéristiques biochimiques d’une filière, résumées dans son équation bilan, expliquent ses caractéristiques de performance.

• Les caractéristiques de performance des filières peuvent être améliorées par l’entraînement, mais dépendent aussi des caractéristiques génétiques des individus.

💡 Astuce mémo

La puissance maximale oppose débit instantané et capacité totale

📖 6. Paramètres et durées des filières

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance maximale : Le débit maximal de transformation de l’énergie, exprimé en watts.
• Capacité : La quantité totale d’énergie transformée par une filière, exprimée en kJ ou en kcal.
• Inertie : Le délai nécessaire pour atteindre le fonctionnement optimal d’une filière, exprimé en secondes ou en minutes.
• Endurance fondamentale : La capacité à maintenir un débit de production d’énergie sous-maximal le plus longtemps possible, en secondes, minutes ou heures.
• Endurance maximale aérobie : Le pourcentage de VMA le plus élevé que l’on peut maintenir pendant une durée définie supérieure au temps limite, exprimé en %VMA.
• Endurance maximale spécifique : La capacité à tenir le plus longtemps possible à VMA, exprimée en minutes.

★ À maîtriser

• La filière anaérobie lactique développe environ 3 000 W, avec une puissance durant de 15 à 30 secondes, une capacité associée à une durée d’environ 2 minutes et une capacité de 160 kJ.

• La filière aérobie développe environ 1 500 W, avec une puissance durant de 2 à 6 minutes, une capacité associée à une durée de 10 minutes à plusieurs heures et une capacité de 20 000 kJ.

Compléments

📐 Formule - Le travail mécanique est le produit de la force par le déplacement : $W = F \times d$.

📐 Formule - La puissance est le travail effectué par unité de temps : $P = \frac{W}{t} = \frac{F \times d}{t} = F \times v$.

📖 7. Évaluer les filières énergétiques

★ À maîtriser

• L’évaluation énergétique vise à déterminer si le sujet peut satisfaire les nécessités métaboliques de son effort, à suivre l’évolution de ses capacités au cours d’une saison sportive et à identifier les effets de l’entraînement.

• Les tests d’aptitude mettent en relation l’évolution de la puissance développée avec les variations correspondantes de paramètres physiologiques ou biochimiques.

📌 Les indicateurs directs sont des valeurs biologiques ou biochimiques caractérisant la participation des filières, tandis que les indicateurs indirects sont des valeurs de performance mesurées lors d’efforts sollicitant principalement une filière.

• Il n’existe pas de bons indicateurs directs des filières anaérobies, car ils sont difficiles d’accès ou d’interprétation, tandis que la VO₂max est un excellent indicateur direct de la filière aérobie.

Compléments

• Les indicateurs directs peuvent être des concentrations de substrats ou de produits de réaction chimique, ou des activités enzymatiques.

• Les indicateurs indirects comprennent notamment la vitesse de course, la puissance développée et la durée d’effort avant épuisement, et sont moins précis car ils dépendent de facteurs multiples.

💡 Astuce mémo

Indicateur direct biologique, indicateur indirect de performance

📖 8. Tests des filières anaérobies et aérobies

🔑 Notions clés & Définitions

• VO₂max : La consommation maximale d’oxygène qu’un individu peut prélever et transporter jusqu’aux fibres musculaires sollicitées, puis utiliser pour produire de l’énergie par la respiration mitochondriale.

★ À maîtriser

• L’évaluation indirecte de la filière anaérobie alactique porte sur la performance à puissance supramaximale pendant 2 à 10 secondes, notamment au saut de Sargent, à l’escalier de Margaria ou lors de sprints sur ergocycle ou sur piste (20 m lancé et 50 m).

• L’évaluation indirecte de la filière anaérobie lactique utilise des efforts supramaximaux de plus de 10 à 15 secondes, souvent de 30 à 45 secondes, et des tests comme le Wingate ou des sprints sur ergocycle ou sur piste (250 m).

• La participation de la filière aérobie devient dominante à partir d’environ 2 minutes d’effort.

• La VO₂max est un indicateur de la puissance maximale aérobie, c’est-à-dire du débit maximal de production d’énergie par les processus aérobies.

Compléments

• L’évaluation directe de la filière anaérobie alactique repose sur la concentration musculaire de phosphocréatine ([PCr]) et l’activité de la créatine kinase (CK), mesurables par biopsie ou spectroscopie RMN du phosphore 31.

• Lorsque 50 % des réserves de phosphagènes sont utilisées, la contraction musculaire est énergétiquement alimentée par le catabolisme du glycogène.

• L’évaluation directe de la filière anaérobie lactique mesure le lactate musculaire ou plasmatique et l’activité enzymatique de la PFK, ainsi que de la HK, de la PK et de la LDH, par analyses biopsiques ou sanguines.

• Les indicateurs indirects de la filière anaérobie lactique évaluent une performance supramaximale durant plus de 15 secondes et jusqu’à 1 min 30 à 2 min.

• La sollicitation des réserves énergétiques en anaérobie est obligatoire aux intensités supramaximales ou intervient comme transition lorsque l’effort dépasse 2 à 3 minutes, puis les processus aérobies assurent l’essentiel de l’approvisionnement énergétique avec une intensité diminuée.

• Les autres indicateurs directs comprennent :

  • la fréquence cardiaque
  • la ventilation expiratoire
  • les activités enzymatiques oxydatives

• Les indicateurs indirects de la filière aérobie évaluent des performances maximales liées à la puissance ou des performances sous-maximales liées à la capacité et à l’endurance, au moyen de tests de VMA/PMA, de Tlim ou de 20 minutes.

💡 Astuce mémo

Phosphagènes, glycolyse, oxydation : l’effort prolongé fait dominer l’aérobie

📖 9. Trajet et déterminants de l’oxygène

★ À maîtriser

• Le trajet de l’oxygène va de l’air ambiant au système respiratoire, puis au système cardio-circulatoire et aux groupes musculaires, où l’O₂ est utilisé et le CO₂ produit.

• Les déterminants de la VO₂max sont : le système respiratoire, facteur central, le système cardio-circulatoire, facteur central, le système musculaire, facteur périphérique

Compléments

• La VO₂max s’exprime en litres par minute ou en millilitres par minute et par kilogramme, cette dernière expression étant dite spécifique.

• La VO₂max est directement liée à la puissance maximale aérobie (PMA) ou à la vitesse maximale aérobie (VMA).

💡 Astuce mémo

Prélever → transporter → utiliser

📖 10. Facteurs limitants de la VO₂max

★ À maîtriser

📐 Formule - L’équation de Fick exprime la consommation d’oxygène comme le produit du débit cardiaque et de la différence artério-veineuse en oxygène : $\mathrm{VO}_2 = F_c \times VES \times D_{(a-v)}\mathrm{O}_2 = Q_c \times D_{(a-v)}\mathrm{O}_2$.

• Le volume d’éjection systolique (VES), qui participe au transport de l’oxygène, peut être travaillé par un entraînement aérobie de base orienté vers la capacité et l’endurance ; le transport est généralement le facteur limitant.

Compléments

• Le document recommande l’apprentissage respiratoire pour améliorer le prélèvement d’oxygène, généralement non limitant sauf chez les fumeurs et certains sportifs très entraînés.

• Le travail spécifique de puissance maximale aérobie (PMA) vise l’utilisation musculaire de l’oxygène, qui peut être un facteur limitant.

📖 11. Mesure et estimation de la VO₂max

★ À maîtriser

• La VO₂max représente le débit maximal de production d’énergie par la filière aérobie et s’exprime notamment en millilitres par kilogramme et par minute.

📌 La VO₂max est considérée comme atteinte lorsque la masse musculaire sollicitée représente au moins 70 % et que la fréquence cardiaque maximale est atteinte.

📌 Les méthodes directes donnent les résultats les plus exacts, mais nécessitent un matériel de mesure sophistiqué et parfaitement étalonné, tandis que les méthodes indirectes sont moins précises.

• La fréquence cardiaque et la VO₂ augmentent généralement de façon linéaire avec l’intensité, exprimée en vitesse ou en puissance, puis plafonnent à leur valeur maximale correspondant à la VMA ou à la PMA.

📐 Formule - La formule empirique de Léger estime la VO₂max spécifique à partir de la VMA : $\mathrm{VO}_{2\max}\ (\mathrm{ml/min/kg}) = 3{,}5 \times \mathrm{VMA}\ (\mathrm{km/h})$.

📐 Formule - La formule empirique d’Astrand estime la VO₂max en litres par minute à partir de la PMA : $\mathrm{VO}_{2\max}\ (\mathrm{l/min}) = \frac{0{,}67}{50} \times \mathrm{PMA}\ (\mathrm{Watts}) + 0{,}25$.

Compléments

• Les valeurs indicatives de VO₂max sont de 3,5 ml/kg/min au repos, 40 chez un sédentaire, 55 chez un entraîné et 93,2 pour le record cité.

• L’entraînement permet d’augmenter la VO₂max.

📌 La VO₂max doit si possible être déterminée dans la discipline habituellement pratiquée par le sujet.

• Les méthodes indirectes s’appuient sur les relations linéaires entre VO₂ ou fréquence cardiaque et vitesse ou puissance, ainsi que sur le plafonnement simultané de la fréquence cardiaque maximale et de la VO₂max.

• Les épreuves indirectes restent utiles pour apprécier globalement la capacité aérobie, mais elles sont insuffisantes lorsqu’une précision impérative est requise.

• La VO₂max peut être : calculée grâce à l’équation de Fick, déterminée directement par calorimétrie indirecte, estimée à partir de la VMA ou de la PMA avec des formules empiriques

• Les zones d’intensité mentionnées sont l’endurance fondamentale entre 25 et 70 % de la fréquence cardiaque maximale et l’endurance maximale aérobie entre 70 et 85 % de la fréquence cardiaque maximale.

💡 Astuce mémo

Mesure directe exacte ; estimation indirecte approximative

📖 12. Dérive de la consommation d’oxygène

★ À maîtriser

• Lors d’un exercice sous-maximal d’intensité constante, la VO₂ et la fréquence cardiaque peuvent dériver à la hausse avec le temps.

Compléments

• Les causes possibles de la dérive de la VO₂ sont : la fatigue, qui nécessite le recrutement de nouvelles unités motrices pour maintenir l’intensité voulue, le recyclage de l’acide lactique par la néoglucogenèse, qui consomme de l’énergie, la stimulation de la thermolyse

💡 Astuce mémo

Fatigue et thermolyse → hausse progressive de la VO₂

📖 13. Zones et entraînement aérobie

★ À maîtriser

• Une fréquence cardiaque comprise entre 85 et 100 % de la Fcmax correspond au travail de la puissance maximale aérobie (PMA), c’est-à-dire au débit maximal de production d’énergie.

• Les seuils SL1 et SL2 correspondent respectivement à des lactatémies plasmatiques de 2 et 4 mmol/l de sang.

📌 Le SL2 n’est pas un seuil anaérobie.

• La zone 1 correspond à l’endurance fondamentale, la zone 2 à l’endurance active (EMA) et la zone 3 à la puissance maximale aérobie (PMA).

• En zone 1, le travail continu vise la durée de l’effort ou la récupération active et développe l’endurance cardiorespiratoire.

• En zone 2, le travail continu vise l’intensité dans la durée, optimise l’utilisation des substrats énergétiques et augmente le recyclage de l’acide lactique.

• En zone 3, le travail fractionné vise l’intensité maximale aérobie et augmente l’activité enzymatique musculaire, la vitesse de turnover de l’ATP et le VESmax.

• L’entraînement aérobie augmente la participation des lipides à l’effort, ce qui aide à préserver le glycogène musculaire et hépatique, à limiter l’acidose et à retarder la fatigue.

• La déplétion des réserves glycogéniques est le principal facteur limitant de l’endurance maximale aérobie.

Compléments

• L’endurance active, ou EMA, correspond à la capacité aérobie à intensité soutenue.

• En zone 1, la lassitude et les difficultés de thermorégulation ou la déshydratation peuvent limiter l’effort.

• En zone 2, la déplétion des réserves de glycogène est un facteur limitant de l’effort.

• L’acidose est un facteur limitant du travail en zone 3.

• Le fractionné intercale des récupérations actives entre les répétitions afin de consommer l’acide lactique comme substrat énergétique, de corriger partiellement l’acidose et d’enchaîner les répétitions.

📌 Le principe I-D-R organise une séance fractionnée autour de l’intensité, de la durée et de la récupération.

• Pour un travail de développement de la PMA ou de la VMA, l’intensité est de 90 à 105–110 % de la VMA.

💡 Astuce mémo

Lipides pour durer en zone 1, glucides pour l’intensité en zone 3

📖 14. Développement de la filière anaérobie lactique

★ À maîtriser

• L’entraînement de la puissance anaérobie lactique vise à augmenter l’activité enzymatique afin de produire rapidement de l’acide lactique et de mieux tolérer son accumulation.

• L’entraînement de la capacité anaérobie lactique vise à supporter une forte quantité d’acide lactique en développant les systèmes tampons et en augmentant le seuil de douleur.

Compléments

• Le travail de puissance anaérobie lactique comporte 3 à 4 répétitions, 2 à 3 séries et des récupérations actives longues de 5 à 8 min, avec 15 min de récupération entre les séries, d’abord passive puis pseudo-active.

• Le travail continu de capacité anaérobie lactique dure 1 min 30 à 2 min, tandis que le travail fractionné comprend 4 répétitions de 30 s.

• Le travail de capacité anaérobie lactique se réalise sur 400 m à 800–1000 m en continu ou sur 4 × 200 m en fractionné.

• En capacité anaérobie lactique, le travail continu prévoit une récupération active de 8 à 10 min, tandis que le travail fractionné prévoit une récupération passive de 2 min entre chaque course, pour 6 à 8 répétitions.

💡 Astuce mémo

Puissance : produire vite ; capacité : tolérer l’accumulation

📖 15. Développement de la filière anaérobie alactique

★ À maîtriser

• L’entraînement de la puissance anaérobie alactique vise à augmenter l’activité enzymatique pour accélérer l’utilisation de l’ATP par la myosine-ATPase.

• L’entraînement de la capacité anaérobie alactique vise à augmenter la mise en jeu de la phosphocréatine (PCr).

• La resynthèse de la PCr est dépendante de la filière aérobie et utilise l’ATP produit par le métabolisme aérobie dans les mitochondries, en présence d’oxygène.

Compléments

• Le travail de puissance anaérobie alactique est réalisé à intensité maximale sur la distance, en supra-maximal, pendant 1 à 5 s, voire 7 s, sur 30 à 60 m, en multibonds ou sur banc.

📌 Le travail de puissance anaérobie alactique doit être arrêté dès que la performance se dégrade.

• Le travail de capacité anaérobie alactique est supra-maximal, dure 7 à 12 s, avec un maximum indiqué de 15 s, et porte sur 60 à 120–150 m.

• Le travail de capacité anaérobie alactique prévoit 3 à 4 répétitions et 2 à 3 séries, avec des récupérations passives de 4 à 6 min entre les courses et de 8 à 12 min entre les séries, puis pseudo-actives entre les séries.

• La resynthèse de la PCr est plus rapide en récupération passive qu’en condition d’occlusion de la circulation sanguine.

• La PCr est reconstituée à 50–70 % pendant les 30 premières secondes, avec une demi-vie de synthèse de 20 s, et à 90 % en 4 min.

📌 La récupération entre les efforts de puissance anaérobie alactique est passive et dure de 2 min 30 à 5 min.

💡 Astuce mémo

O₂ disponible → resynthèse plus rapide de la PCr