Approche physiologique des exercices de course

Afin de faciliter l'entrée dans les connaissances physiologiques nécessaires pour opérationnaliser correctement les séances de course en d'EPS, il nous a semblé opportun de préciser quelques concepts incontournables qui n'apparaissent pas forcément d'emblée lorsque l'on aborde cette discipline. En effet, la plupart des ouvrages traitent les différents thèmes : système circulatoire, respiratoire...de façons souvent cloisonnées entre lesquelles on a parfois du mal à faire les liens qui s'imposent.

Quant à l'entraîneur, il devra certainement mettre en œuvre un second niveau d'approche où certaines notions plus avancées seront nécessaires et que chacun pourra acquérir dans la bibliographie suivante :

Introduction
L'homme, comme tout organisme vivant, a besoin de ressources énergétiques pour assurer sa survie. Ce "minimum vital" est couvert par ce que la littérature décrit comme étant : le métabolisme de base; c'est à dire le besoin énergétique minimum d'un organisme au repos. Ce métabolisme de base, mesuré en état complet de repos dans un lieu dont les constantes sont connues (température, pression, hygrométrie), met en relief la consommation d'oxygène du corps au repos.

Lorsque l'activité croit, particulièrement lors de certaines activités physiques et sportives (APS), le besoin énergétique peut augmenter considérablement au-delà de ce métabolisme de base.

Deux variables vont permettrent d'identifier les niveaux des ressources impliquées dans les différentes activités physiques, et une troisième interviendra dans la gestion des processus d'entraînement.

Dans l’activité physique, les besoins énergétiques seront fonction :

1 - de l'intensité de l'exercice,
2 - de sa durée,
3 - et des périodes de récupération.

Les différentes combinaisons de ces trois critères détermineront ce que nous appelons "la charge énergétique", la seule qui nous intéresse dans le cadre de cette étude, alors qu'il peut parfois exister également une charge de nature "psychologique" liée à la nature de l'engagement (escalade, spéléologie,...), à l'affectivité (saut à la perche, gymnastique aux agrès,...), à l'adversaire (sports de combat,...), aux partenaires (sociogramme), au stress en général...

Ainsi, et en prenant plus particulièrement en compte les deux premières variables, dont toutes les combinaisons sont possibles, un exercice ou une activité physique et sportive (APS) pourra, sur le plan énergétique, être :

- de faible intensité et de courte durée (tir à l'arc,...),
- d'intensité moyenne et de longue durée (course de très grand fond = 100km ou 24h de course),
- d'intensité élevée et de longue durée (50km à ski de fond, marathon...),
- d'intensité très élevée et de durée moyenne (du 400m au 1.500m)
- d'intensité maximum et de très courte durée (100m sprint, Saut, l'Haltérophilie...).

Par expérience on peut affirmer qu'il existe une relation inversement proportionnelle entre ces deux critères et que :

Plus l'intensité sera élevée, plus la durée devra être réduite,
et
Plus l'intensité sera basse, plus la durée pourra être prolongée.

La troisième variable, l'alternance activité-repos (la récupération), jouera certes un rôle dans certaines activités cycliques mais surtout dans les modèles de préparation (entraînement) que nous étudierons plus loin. Il faut d'ores et déjà noter que si la récupération fut considérée au début comme une simple période de non-activité, elle constitue aujourd'hui, par sa gestion, sa durée, ses  modalités (récupération active, semi-passive,  passive), un mode d'optimisation des processus d'entraînement.

Rappel succinct des processus énergétiques

Introduction : Le métabolisme de base est entretenu par la dégradation de molécules énergétiques (carburant) en présence et par l'oxygène (comburant). C'est le même principe de fonctionnement que le moteur à explosion (essence + air). L'énergie produite permet alors une multitude de contractions involontaires (respiration, battements cardiaques, digestion, transit intestinal, fonctionnement des différents organes) dont l'observable sera essentiellement le dégagement de chaleur (température constante du corps à 37°). En parallèle et en superposition avec ce métabolisme basal, l'homme peut entretenir une activité volontaire : déplacement, travail, sport...

Aperçu général.

Lors d'un travail de très courte durée comme par exemple un clignement de paupière ou lors d'exercices à intensité maximum et donc de très courte durée (pas plus de 7 secondes),  la cellule ne fera pratiquement qu'utiliser l'énergie présente in-situ, nous serons alors dans la catégorie des exercices dits anaérobie-alactique ( anaérobie = sans oxygène et alactique = sans production d'acide lactique).

Dans le cas d'un exercice à intensité maximum et de très courte durée comme cité ci-dessus, la classification fait état d'exercice de Puissance anaérobie alactique.

Si l'intensité est extrêmement forte et dure jusqu'à peu près 20 secondes, il s'agira de la classe des exercices dits de Capacité anaérobie-alactique; mais pour qu'une telle intensité soit produite pendant ces 20 secondes, nous serons déjà là non plus dans un unique apport d'énergie mais également dans un processus de restructuration énergétique.

A l'autre bout de la chaîne, les exercice de faible intensité et/ou d'intensité moyenne mais de longue durée feront appel à un processus de restructuration énergétique qui sera fondé sur l'intervention de l'oxygène (glycolyse ou lipolyse aérobie), la classification retiendra le terme d'exercice aérobie. Selon que l'intensité de l'exercice nécessitera un fort pourcentage des capacités d'utilisation d'oxygène d'un individu, ou un pourcentage faible, la durée de ce type d'exercice pourra se situer entre 10 minutes et plusieurs heures.

Les exercices de forte intensité et donc de durée moyenne (durée comprise entre 1 et 4 mn) feront appel à un métabolisme de type anaérobie lactique (glycolyse anaérobie lactique). C'est lorsque l'intensité de l'exercice et sa durée dépasseront nos capacités de restructuration par l'oxygène que cet autre processus anaérobie-lactique interviendra en plus pour satisfaire une demande en énergie que le traitement oxydatif ne peut plus assumer entièrement.

On retiendra donc, mais nous y reviendrons bientôt, qu'il existe deux concepts distincts : un système de production énergétique et un système de restructuration de l'énergie.

Production énergétique

A l'échelon le plus élémentaire de la cellule musculaire, l'impulsion nerveuse entraîne par hydrolyse de l'Adénosine Tri-Phosphate (ATP) une interaction de ses constituants que sont l'actine et la myosine. L'ATP est donc la seule molécule capable de fournir l'énergie nécessaire à la contraction musculaire (premier concept de production d'énergie évoqué dans l'introduction). Cette hydrolyse fait perdre un ion phosphore à la molécule d'ATP qui se transforme alors en ADP (Adénosine di-phosphate) .Comme malheureusement la concentration d'ATP est faible, cette molécule devra impérativement être reconstituée (première étape du processus de restructuration énergétique). Si ce renouvellement ne pose pas trop de problèmes quand l'activité est peu intense, il en ira autrement au fur et à mesure que les contractions musculaires seront nombreuses et intenses, cas de la plupart des APS.

Dans un exercice à intensité très élevée (sprint par exemple) les disponibilités en ATP ne permettent pas de tenir une intensité maximum au-delà de 7".

Premier stade de la restructuration énergétique

Que l'exercice soit intense ou pas, qu'il dure ou non, la dégradation de l'ATP met immédiatement en jeu un processus de restructuration intra cellulaire; il s'agit de la Phosphocréatine (PC) qui va reconstituer l'ATP en cédant un ion posphate à l'ADP. Mais, là aussi, la concentration de PC dans le muscle squelettique, bien que de 3 à 4 fois plus élevée que celle de l'ATP, ne permettra pas de maintenir un exercice hyper intense au-delà de 20 ".
Si elle entre donc en jeu déjà lors d'un 100m, elle sera entièrement exploitée dans un 200m plat. Répétons nous, l'énergie dispensée par hydrolyse de l'ATP, ou reconstituée par l'intervention de la PC constitue la voie dite

Anaérobie-Alactique

Seuls les exercices d'une très grande intensité, donc de très courte durée (inférieure à 20 secondes), peuvent faire référence à un système anaérobie (sans intervention de l'oxygène). Du fait que leur durée est extrêmement limitée, la restructuration par voie oxydative n'a ni le temps d'intervenir, ni la puissance nécessaire pour être efficace. (CF, dans les bibliographies conseillées, les tableaux exposant les puissances et capacités des différents processus : anaérobie-alactique, anaérobie lactique et aérobie) .

Deuxième stade : la restructuration énergétique

A son tour, la PC qui aura cédé un ion Phosphore pour reconstituer l'ATP dégradée, devra être régénérée. Dans la vie courante, faite d'une multitude de contractions musculaires peu intenses (volontaires ou involontaires) notre organisme est continuellement en train de reconstituer ces molécules de PC et donc d'ATP sans que nous le percevions.

Par ailleurs, nous savons que le corps humain est une machine thermique (4/5 de sa production d'énergie sont dissipés sous forme de chaleur) et que son fonctionnement exige donc un couple : carburant / comburant.

- Le carburant de la machine humaine sera principalement le glucose (d'où le terme de glycolyse) et, si l'intensité de l'exercice est vraiment très faible et de longue durée, les acides gras (lipides, d'où le terme de lipolyse).

-Le comburant sera l'oxygène; d'où l'augmentation de la fonction respiratoire que l'on constate lors des exercices physiques.

Tant que l'intensité de l'exercice ne dépassera pas la capacité de traitement oxydatif de la cellule musculaire, la restructuration énergétique fera, soit appel à la lipolyse aérobie, cas des exercices de très longue durée et d'intensité très faible, soit, et ce sera le plus courant, à la glycolyse aérobie.

On peut donc poser comme postulat incontournable qu'à l'exception des exercices de très courte durée et de très forte intensité comme le 100m (filière Anaérobie-Alactique) l'oxygène participera toujours au processus de reconstitution énergétique; soit d'une façon exclusive si l'intensité de l'exercice l'autorise, soit, si l'exercice dépasse nos capacités du traitement oxydatif de la glycolyse, en association avec un processus dit ANAEROBIE LACTIQUE qui viendra compléter (mais pas remplacer) le processus AEROBIE.

Le public des étudiants fait souvent l'erreur d'écrire et donc probablement de penser que les exercices de forte intensité (de type anaérobie-lactique) n'utilisent pas d'oxygène...Erreur monumentale. Répétons nous, dans ce type d'exercice, le traitement anaérobie-lactique ne fait que venir au secours du traitement aérobie complètement dépassé par l'énorme demande d'énergie, mais néanmoins toujours actif au maximum de ses possibilités.

Ce diagramme, l'un des classiques de la littérature sur la physiologie de l'effort démontre bien que si la courbe de la dépense en O² a une pente très faible, donc un temps de mise en route long, la dépense en oxygène croit quelque que soit le type d'exercice. On remarque également que la restructuration Anaérobie-Lactique (courbe An Al) démarre même au cours d'un exercice à dominante anaérobie alactique (courbe An L) .

 

 

Premier résumé:
Les exercices sont désormais identifiés non plus par rapport aux anciens critères de vitesse et de résistance, mais par rapport :
- soit au système de production énergétique quand celui-ci est seul en cause, cas des exercices très intenses et très courts et l'on parlera alors d'exercices de type anaérobie alactique,
- soit aux systèmes de restructuration énergétique, et l'on parlera alors d'exercices aérobie si l'apport en oxygène permet un traitement oxydatif de la glycolyse, ou d'exercice à dominante Anaérobie-Lactique si la voie de restructuration dépasse les possibilités de traitement oxydatif en faisant appel à l'acide pyruvique qui entraînera l'apparition de lactates.cf ci-après

 

Le système aérobie

Il est caractérisé par une certaine inertie de mise en route et, on vient de le signaler, par sa dépendance vis à vis des capacités de traitement oxydatif de la mitochondrie qui est le centre de traitement cellulaire de la glycolyse aérobie. L'inertie de la mise en route de ce système est empiriquement connue par l'effet d'adaptation quelle impose et que l'on nomme "le second souffle"; c'est à dire cette période d'aisance respiratoire qui succède à un état de gêne et qui intervient de 2 à 4 minutes après le début d'un exercice de moyenne intensité.

La littérature précise que :
- le débit ventilatoire peut atteindre 200 l/mn et que le volume d'oxygène disponible peut atteindre 10 l/mn, valeur largement supérieure aux besoins, même lors des exercices les plus intenses,
- le débit cardiaque peut atteindre 40 l/mn. Comme chaque litre de sang contient 150 g d'hémoglobine qui fixent 200cm3 d'oxygène, c'est environ 8 l/mn d'oxygène qui sont ainsi transportés.

Il semble donc que s'il existe un facteur limitant celui-ci soit plus du côté de la circulation systémique et locale ainsi que dans l'activité enzymatique cellulaire; surtout chez les débutants.

Notion de VO² Max

On sait que le système aérobie sera capable de restructurer l'énergie nécessaire tant que la demande énergétique ne dépassera pas les possibilités individuelles de traitement oxydatif de la glycolyse.

Pour estimer la capacité individuelle à traiter d'un certain volume d'oxygène par unité de temps, les laboratoires de physiologie fonctionnelle, peuvent selon une méthode expérimentale (exercice réalisé avec charge progressive et analyse des gaz respiratoires en circuit fermé), déterminer le Volume Maximal d'Oxygène (VO²max) utilisé par un individu et par unité de temps.
Dans ces conditions expérimentales où l'on privilégie la mise en œuvre de la musculature en rapport avec l'activité pratiquée (bicyclette ergométrique pour les cyclistes, tapis de course pour les coureurs, tank à ramer...), on procède par intensité croissante selon des paliers de durée identique et sans temps de repos (travail en continuité, épreuve dite triangulaire). On constate alors que la consommation d'oxygène augmente linéairement jusqu'à une valeur limite qui restera constante même si la puissance de l'exercice continue à augmenter. Cette valeur limite représente la consommation maximale d'oxygène ou VO² max. Pour atteindre ce VO² max, l'individu aura donc mis en œuvre une certaine puissance de travail que l'on appelle Puissance Maximale Aérobie ou PMA. Pour des athlètes testés sur un tapis roulant où la vitesse de course est progressivement augmentée par palier, à cette PMA correspondra donc une Vitesse de course ou Vitesse Maximale Aérobie VMA. Chez les athlètes entraînés, la fréquence cardiaque atteint son maximum lorsque la PMA est atteinte.

Réserve. Il convient de bien comprendre que ce test de VO² max, la PMA et la VMA qui en découlent n'ont qu'une valeur indicative relative dans l'appréciation des capacités des athlètes. En effet, dans ces conditions expérimentales, cette puissance et cette vitesse ne sont maintenues et "maintenables" que très peu de temps. La littérature précise que pour des sédentaires 50% seulement de la PMA peut être mise en œuvre sans solliciter le système anaérobie lactique, et ce à cause d'une non-adaptation de la mitochondrie musculaire. A l'autre bout de la chaîne, seuls les athlètes très entraînés peuvent prétendre approcher leur VMA sur des longues durées (cas des marathoniens et des skieurs de grand fond).

Par contre, outre la valeur absolue de VO² max qui est quand même un indicateur non négligeable, on verra pourquoi plus loin, ce qui est intéressant d'observer c'est la pente des fréquences cardiaques qui conduit à la PMA. Une courbe relativement verticale induira une fréquence cardiaque qui grimpe rapidement et un temps de course relativement court. Une courbe plus plate laissera envisager une économie de course telle que peuvent la mettre en place les athlètes entraînés. CF croquis ci-dessous.

 

On notera qu'il convient d'exprimer le VO² max en fonction du poids du corps et par unité de temps plutôt qu'en litres/minute ce qui n'est pas très significatif. En effet, si nous avons deux élèves avec le même VO² max de 3,5 l/mn on imagine aisément que celui qui pèse 40 kg sera plus efficace que son camarade de 55kg. On exprimera donc ce VO² mx en ml/mn/kg.

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