Physiologie de l'Effort*

L'énergie musculaire

L'oxygène

La puissance cardiaque

La consommation énergétique des muscles

L'effort en Haute Altitude

* Graphiques et contenu proviennent du chap. 1 de l'excellent livre du Dr Jean-Louis Etienne, Médecine et sports de montagne.


Comprendre comment fonctionne le corps lors de l'effort permet d'adapter son entraînement et son régime alimentaire au sport pratiqué.

La Haute Altitude modifie les conceptions habituelles puisque tout effort entrepris au-dessus de 4'000m doit être considéré comme un effort intense.

Un entraînement adapté implique ainsi d'augmenter son endurance tout en faisant, paradoxalement, augmenter également ses réserves de glycogène.


L'énergie musculaire

La production d'énergie musculaire nécessite des nutriments, stockés ou non, (glucides, lipides et protides) et de l'oxygène. Elle rejette des déchets mais aussi beaucoup de chaleur (75% de l'énergie libérée pour seulement 25 % sous forme mécanique) d'où la nécessité d'un système de refroidissement, la transpiration.

 

Processus énergétiques

Au sein du muscle, il existe deux voies différentes pour produire de l'énergie.

1. La voie anaérobie (sans oxygène)

C'est la voie utilisée lors du démarrage ou, comme réserve immédiate lors d'un effort violent. Elle permet d'atteindre une intensité maximum de l'effort. Elle produit un déchet gênant, l'acide lactique responsable des courbatures.

L'énergie musculaires provient de deux sources:

La dégradation du phosphagène: Substance de démarrage lors d'un effort, il fournit une grande quantité d'énergie (le maximum). Il est utilisé lors d'un sprint ou une accélération brusque.
La dégradation du glycogène: Utilisé dès 15 s d'effort, typiquement lors d'un 400 m, il correspond à une énergie de secours lors d'une consommation accrue. Il est responsable de l'épuisement par production d'acide lactique.

2. La voie aérobie (avec oxygène)

C'est la voie de l'effort d'endurance (> 5 mn). L'intensité maximale de l'effort est moindre qu'en anaérobie mais celui-ci peut se prolonger plus longtemps. Son déchet n'est autre que le CO2, évacué par les poumons.

Ce système est le plus important fournisseur d'énergie, utilisant et dégradant complètement toutes les substances nutritives. Ces dernières varient en fonction de l'intensité de l'effort et de l'altitude. La durée et l'efficacité de cette production énergétique sont fonction de l'intensité de l'effort, du VO2 max (limite de l'intensité), des réserves en nutriments et de leur utilisation ainsi que de la thermorégulation (élimination de chaleur).

 

Consommation maximale d'oxygène (VO2 max)

La consommation maximum d'oxygène (VO2 max = "capacité maximale des systèmes respiratoires et circulatoires à transporter l'oxygène aux muscles actifs"1) est atteinte quand tous les processus aérobies sont sollicités. VO2 max détermine donc l'intensité maximum de l'effort en aérobie. Il est fonction de la capacité pulmonaire, de la puissance cardiaque et de l'aptitude musculaire.

L'intensité de tout effort de longue durée se mesure en pourcentage de cette intensité maximale. Par exemple, la marche en moyenne montagne, à une bonne cadence, est un effort à env. 50 % du VO2 max, un effort qui peut donc être prolongé longtemps.

 

Rendements énergétiques

Bien que l'intensité dégagée soit supérieure en anaérobie, la quantité d'énergie fournie, par unité de nutriment, est bien plus importante en aérobie. La voie aérobie utilise ainsi mieux les ressources énergétiques. D'autre part, c'est la dégradation des glucides qui fournit la plus grande quantité d'énergie par unité de nutriment.


Muscles lents et muscles rapides

Le corps humain possède deux types de fibres musculaires:


L'oxygène

La présence d'oxygène détermine les lieux où la vie est possible. Au niveau de l'effort, sa présence est indispensable à un effort de longue durée. Par ailleurs, plus l'effort est intense, plus sa consommation augmente et le corps devra s'adapter pour en fournir une plus grande quantité. Pour qu'il puisse parvenir aux muscles, deux éléments sont essentiels: la pression de l'air ambiant (liée à l'altitude) et la capacité du corps à utiliser effectivement cet oxygène ambiant.

 

Cascade de l'oxygène

L'oxygène se diffuse de l'air dans le sang grâce aux différentiels de pression. En effet, il existe une chute progressive de la pression: de l'air ambiant aux cellules musculaires. A chaque étape, l'oxygène perd une partie de sa pression pour franchir les parois (cellulaires,...).

La pression atmosphérique diminuant avec l'altitude, le différentiel de pression se trouve amoindri et l'air ambiant passe plus difficilement dans la cellule lorsque l'on s'élève. Au-dessus de 8000 m, la pression atmosphérique entre ainsi dans une valeur critique pour la vie.

 

Quantité d'oxygène transportée et altitude

La quantité d'oxygène effectivement transportée dépend donc de la pression atmosphérique mais aussi d'un facteur sanguin, le nombre de transporteurs dans les globules rouges (quantité d'hémoglobine). Si la capacité de transport est maximum à 100%, alors:

 

La capacité pulmonaire et la respiration

Le volume respiratoire s'adapte à la consommation d'oxygène. Lorsque la demande en oxygène est supérieure à ce qu'il reçoit, le corps réagit en provoquant une hyperventilation réflexe. L'accroissement d'oxygène disponible peut se faire de deux manières différentes:

 

La puissance cardiaque

Lors d'un besoin accru en oxygène, le débit du sang oxygéné est augmenté par un effort conjoint du coeur et des vaisseaux. On constate une augmentation du débit cardiaque, une augmentation du débit circulatoire dans les régions en activité ainsi qu'une augmentation de la circulation pulmonaire. Il existe 2 façons d'augmenter le débit cardiaque: en augmentant le volume ou la fréquence.

La fréquence

La fréquence augmente dès le début de l'effort. Lorsque l'on constate le second souffle, c'est que le débit cardiaque s'est ajusté à la consommation musculaire. Un entraînement régulier permet d'atteindre plus facilement cet état.

Le volume systolique

Le volume systolique conditionne l'aptitude à l'effort d'endurance. C'est le volume envoyé dans le sang par le ventricule gauche à chaque contraction. Ce volume est fonction du travail demandé depuis l'enfance: le coeur de sportif a ainsi un volume systolique plus important ce qui lui permet de garder une fréquence cardiaque plus basse et donc être plus efficace.


La Circulation du sang à l'effort

Le sang se déplace plus rapidement et se concentre là où il est utile.

Au repos, la quantité qui circule est de 5l/min, dont 20 % sont utilisés par les muscles. Durant l'effort, la circulation est augmentée à 25l/min, dont 80% seront utilisés par les muscles. Cette multiplication du débit sanguin musculaire est possible grâce à la dilatation des capillaires et l'utilisation des 19/20ème des capillaires non-utilisés au repos. Cette capacité d'utilisation supplémentaire se fait plus difficilement avec l'âge.

 

La Circulation cutanée

Elle est nécessaire à l'élimination de la chaleur. Elle entre en compétition avec la vascularisation musculaire d'où une diminution de la performance en cas d'évacuation importante et le risque d'un coup de chaleur si celle-ci n'arrive pas à faire face. Apprendre à ne pas trop transpirer en adoptant un rythme adapté permet ainsi, outre la conservation de liquide, de concentrer l'oxygène dans les muscles et d'utiliser l'énergie pour l'effort.

 

La consommation énergétique des muscles

Les combustibles utilisés par les muscles sont divers. Ils varient selon les efforts et dépendent de l'intensité ainsi que de la durée de l'effort comme de la quantité d'oxygène disponible (altitude). Il est ainsi possible d'améliorer ses performance en fournissant au muscle le type l'énergie qui lui convient et au bon moment.

 

En fonction du moment

phase 1 Anaérobie. Utilisation du glycogène
phase 2 Second souffle. Utilisation des acides gras si possible (en fonction de l'intensité de l'effort)
phase 3 Le glycogène passe en-dessous d'un certain seuil. Le foie et le glucose sanguin doivent compenser le déficit glucidique.

 

En fonction de la puissance de l'effort (=% VO2 max)

Plus un effort est intense et plus la consommation en glycogène est élevée. Si l'effort est à 80% du VO2 max, la consommation de glycogène sera cinq fois supérieure à ce qu'elle est à 25% de l'intensité maximum. Si elle devient supérieure à 90%, seul le glycogène sera brûlé. La combustion des lipides, quant à elle, ne sera importante qu'en dessous d'un effort équivalent à 50% de l'intensité maximum, comme c'est dans le cas de la marche en moyenne montagne.

 

En fonction de l'altitude

Le VO2 max diminue avec l'altitude (- 1 % tous les 100 mètres). Ainsi, à 4800 m, l'effort maximal que le corps peut fournir n'est plus que le 70% de ce qu'il est au niveau de la mer tandis qu'à 6000m il est de 40%. A l'Everest, il est limité à 20% de l'intensité maximale. Ainsi, alors que durant la marche d'approche, les acides gras sont largement préférés aux glycogène, l'effort étant de type endurance, au-dessus de 8000m seul le glycogène sera consommé.

En effet, en Haute Altitude, tout effort doit être considéré comme un effort de type intense, même s'il s'agit d'un effort de longue haleine. Dans ce cas, le fournisseur d'énergie préféré est le glycogène plutôt que les acides gras. Lorsque le glycogène aura été brûlé, l'effort deviendra très pénible du fait qu'il ne pourra que difficilement être relayé par les acides gras, qui ont un très mauvais rendement en anoxie. En cas de besoin intense, il se produira alors une néoglycogénèse. Le foie synthétise du glycogène à partir des protides, dont la principale réserve est  le tissu musculaire. Cette néoglycogénèse explique en partie la fonte musculaire en Haute Altitude.

 

 

L'effort en Haute Altitude

Analyse de l'effort dans les sports de montagne

Le type des muscle sollicités dépend du type d'effort

Une diminution de la performance en Haute Altitude

Compte tenu de la diminution de la capacité de transport en oxygène, la consommation maximale d'oxygène (VO2 max) diminue avec l'altitude. L'effort maximal possible diminue ainsi en intensité.

L'oxygène devient un facteur limitant de la performance.

L'effort est toujours proche de l'intensité maximum

L'effort est à première vue de type endurance. C'est le cas de la marche d'approche. Cependant, plus l'altitude et l'effort augmentent, plus le glycogène est brûlé et les acides gras inutilisés compte tenu de la diminution de l'intensité de l'effort maximal. Elle se constate déjà au-dessus de 4000m et il faut en tirer un enseignement à mettre à profit lors de l'entraînement et lors des repas:

En Haute Altitude, tout effort doit être considéré comme un effort de type intense, même s'il s'agit d'un effort de longue haleine.

Dans ce cas, le fournisseur d'énergie préféré est le glycogène plutôt que les acides gras.


1. Richalet Jean-Paul et Herry Jean-Pierre, Médecine de l'alpinisme, éd. Masson, Paris, 1999, p.324