Pratique Santé Déterminants de la condition physique Philippe Connes (MCU) Université des Antilles et de la Guyane

CM : 16h30 – 18h30 le mardi • Endurance cardiovasculaire – aptitude physique aérobie : 22/02 • Force musculaire, endurance musculaire et souplesse : 01/03 • Substrats énergétiques à l’exercice – obésité – réserves de masse grasse – diabète non insulinodépendant : 08/03 TD : exercices / CM, le mardi 01/03 : 8h00-12h00 08/03 : 10h00-12h00 15/03 : 8h00-12h00 • 1 question de cours • 1 ou 2 exercices Evaluation (si c’est moi) :

Endurance cardiovasculaire – aptitude physique aérobie CM1

1. Rappels sur le muscle et la contraction musculaire

Dès qu’il y a mouvement Besoin d’ATP

Contraction d’un sarcomère = glissement des filaments d’actine sur les filaments de myosine

Tête de myosine: configuration haute énergie ADP P i

1) La tête de myosine se lie à l’actine

ADP P i Libération d’ADP et de P i

2) Phase active: la tête de myosine pivote et se replie en tirant l’actine

Hydrolyse de l’ATP

ADP P i

4) Mise sous tension de la tête de myosine quand l’ATP est dissocié en ADP et P i

Tête de myosine: configuration basse énergie

3) Détachement de la tête de myosine pendant qu’une nouvelle molécule d’ATP s’y attache

Glissement de l’actine sur la myosine Réserves d’ATP = pour effort de 1-2 s. Nécessiter d’autres substrats pour régénérer ATP

ATP – CP: Puissance très importante (pic rapide, ms), Capacité faible (< 8 -10 s) Glycolyse (Pic 6s),

« anaérobie »

: Puissance élevée Capacité moyenne (90 -12à s)

Voie oxydative : Puissance faible (Pic 140 s), Capacité très importante (des heures)

Saut 400 m sur piste

1 2 3

1. Anaérobie alactique 2. Anaérobie lactique 3000 m sur piste

3. Aérobie

10 s 30 s 60 s 2 min 15 min + Marathon

Facteur le plus connu de l’aptitude physique aérobie Consommation maximale d’oxygène

VO

2max

(ml/kg/min ou l/min)

2. VO

2max

VO

2max Débit maximal d’utilisation de l’O 2 exercice physique.

par les tissus au cours d’un Dépend de facteurs centraux (apport d’O 2 périphériques (utilisation de l’O 2 ).

au niveau des tissus) et Indice de la santé cardio-respiratoire.

Très utilisé pour le suivi de la performance (fixe une limite >), de l’entraînement mais aussi en pathologies.

Hill et Lupton (1923) postulaient déjà à propos de la VO 2max : 1) il existe une limite supérieure de la VO 2 .

2) il y a des VO 2max .

différences interindividuelles dans les valeurs de 3) avoir une VO 2max élevée est un pré requis pour être performant en endurance (en course à pied, fond et demi fond notamment) 4) la VO 2max est principalement limitée par la capacité du système cardio-respiratoire à transporter l’O 2 vers les muscles.

Facteurs limitant de VO 2max

Pathologies pulmonaires.

Œdème pulmonaire nuit à la diffusion de l’O 2 des alvéoles vers les capillaires. Sang appauvri (moins d’O 2 )

VO

2max 

Capacité du système cardio vasculaire à transporter l’O 2 .

Equation de Fick VO2 = (FC * V es ) * D(A-v)O 2 VO 2max = limitée surtout par Qc max (FC * V es )

Rôle du débit cardiaque maximal et de D(A-v)O 2

Rôle de la capacité de transport de l’O 2

• Capacité d’extraction l’O2 par les muscles • Densité mitochondriale de • Activités mitochondriales enzymatiques

Si altération d’un de ces facteurs VO 2max 

Détermination de la VO

2max

VO 2max

80 70 60 50 40 30 20 10 0 25 60 90 155 210 270 330 360 390 450

Puissance (Watts)

60 60 • Epreuve triangulaire d’effort (intensité progressive et maximale) • Vélo, tapis roulant, test de Luc Léger (direct ou indirect) • Paramètres cardio respiratoires (VO 2 , VCO 2 , QR, VE, FC …).

Différences de VO

2max

en fonction de la population étudiée

3. Autres critères de l’aptitude physique aérobie et de la santé cardio-vasculaire

La VO 2max et n’est pas le seul déterminant de l’aptitude physique aérobie d’une bonne santé cardio-respiratoire Au cours de ce type d’effort, différents paramètres sont mesurées en cycle I à cycle et rendent compte de l’état de santé et de la condition

Equivalent en O 2 et en CO 2 (VE/VO 2 et VE/VCO 2 ) = efficacité respiratoire FC et pouls d’O 2 (VO 2 /FC) = efficacité et rendement cardiaque Puissance/VO 2 = Equivalent watt Gaz du sang (PaO 2 , HCO 3 , pH, PaCO 2 , SaO 2 ,…) = hypoxémie, déséquilibre acido basique,….

3.1. Seuils ventilatoires

La notion de seuil ventilatoire (SV1 et SV2)

Au cours VE/VCO 2 d’un effort triangulaire, on suit l’évolution de VE (VE/VO 2 , et VCO 2 /VO 2 ) : on observe 1 (parfois 2) décrochages de VE.

SV2

100 80 60 40 20 0 -20 200 180 160 140 120 40 100 160 220 280

Puissance (Watts)

340

SV1

400 460 520

La notion de seuil ventilatoire 1 (SV1)

VE 

Comme l’intensité



ATP

HCO 3 CO 2 + H + + H 2 O = Sang : [La ] et H + Glycolyse 

Filières énergétiques

Acide pyruvique  Acide lactique  Diffusion hors du muscle (sang …).

La notion de seuil ventilatoire 1 (SV1)

• Les H + sont pris en charges par les systèmes tampons.

•décrochage de VE • VCO 2 /VO 2  (va dépasser 1) • VE/VCO 2 reste

=

car VE  mais VCO 2 aussi • VE/VO 2  • Très utilisé dans le domaine du sport (entraînement) et en pathologie

La notion de seuil ventilatoire 2 (SV2) = seuil de décompensation de l’acidose métabolique

VE 

Comme l’intensité



encore

ATP

Filières énergétiques

Acide lactique  encore Nouvelle stimulation de VE Les systèmes tampons  suffisants. Donc, H + et pH  .

La notion de seuil ventilatoire 2 (SV2)

• Les systèmes tampons sont saturés. Tous les H + charges par les systèmes tampons.

ne sont pris en • nouveau décrochage de VE • VE/VCO 2  car VE  mais VCO 2 n’augmente pas plus • VE/VO 2  de nouveau •

Il sert surtout aux sportifs. Il (difficile à déterminer).

n’est pas utilisé en pathologie

L’utilité du seuil ventilatoire SV1

• utilisée chez les sportifs endurants (période de reprise et foncière) / planification et suivi de l’entraînement • également appelé seuil d’adaptation ventilatoire • la production d’acide lactique et l’acidose métabolique sont compensés. SV1 correspond à une intensité pour laquelle l’effort peut être maintenu durant des heures (sans souffrir). L’effort pourrait être limité par l’épuisement des réserves de glycogènes (très long) • Plus SV1 est élevée, plus l’aptitude physique aérobie est « bonne ».

SV1 est donc très utile en pathologies

(Beaver et coll, 1986; Sue et coll, 1988)

.

Evolution de SV1 / population

• Vieillissement : VO2max  (activité enzymatique  , prise de poids, FCmax  …). Ainsi, SV1 et VO 2max sont très proches. Problème : même le fait de marcher devient très coûteux car à SV1, on est presque à VO 2max .

• pathologies pulmonaires et cardiaques : SV1 très bas (VO 2max aussi). Ainsi, le moindre effort se trouve au dessus de SV1 et devient assez vite pénible.

• But : ré-entraîner les patients à SV1 (FC correspondante) pour augmenter SV1 et permettre une plus grande autonomie / efforts quotidiens.

• Etudier SV1 plutôt que VO 2max constitue un avantage car les paramètres sous-maximaux sont plus faciles à déterminer que les paramètres maximaux, surtout chez les malades.

• De plus, il est plus intéressant de suivre des indices de santé cardio-respiratoire sous maximaux (SV1) car ils reflètent mieux les réponses physiologiques induites par les efforts quotidiens (faire le ménage, faire les courses,…).

3.2. La cinétique de consommation d’O

2

(cinétique de VO

2

)

Transition repos – exercice à charge constante (rectangulaire  triangulaire)

DE VO2

En début d’exercice VO 2 augmente avec un certain retard par rapport aux besoins énergétiques du muscle :

déficit d’O 2 Adaptation du métabolisme oxydatif musculaire

Hill et Lupton (1923)

.

Potential Contributions of Metabolic Pathways at Onset of Exercise

2000 Phase rapide de VO 2 Etat stable de VO 2 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -1 0

PCr

1

Glycolysis Oxidative Phosphorylation

2 Time (min) 3 4 5

Lors de la phase rapide de VO 2 , les personnes en faisant appel aux réalisent leur effort filières énergétiques anaérobie (PCr, ATP, glycolyse) et c’est pourquoi, on note un

déficit d’O 2

, L’idéal est de raccourcir cette phase pour s’adapter plus vite (mise en route des processus aérobies le plus rapidement possible).

1) 2) A l’arrêt de l’exercice, toutes ces personnes seront marquées par une dette d’O 2 qui permet (entre autre) de : reconstituer les réserves énergétiques utilisées lors de la phase rapide de VO 2 d’éliminer le lactate provenant de la glycolyse anaérobie de la phase rapide de VO 2 .

Déficit d’O

2

et dette d’O

2

(exercice modérée à charge constante)

VO 2 (l.min

-1 ) 4.

Déficit

d’O 2 3. Délai pour la mise en route des processus aérobies 7.

Dette

d’O 2 6. Excès de VO 2 post exercice 1. VO 2 repos au 2. Début d’exercice 5. Fin d’exercice Temps (min)

Facteur(s) limitant(s) lors de la phase rapide

Facteurs centraux : apport d’O 2 aux muscles

(Hughson et coll, 1996)

?

Facteurs périphériques : utilisation de l’O 2 par les muscles

(Grassi et coll, 1996)

Action mutuelle entre le système cardiorespiratoire et les muscles squelettiques

(Tschakovsky et Hughson, 1999)

DEBAT SCIENTIFIQUE

• Bien qu’il y ait débat sur les facteurs limitant de la phase rapide de VO 2 , son physique et étude donne des indications sur la condition l’aptitude physique aérobie des sportifs et des personnes malades.

• Si l’exercice réalisée est modérée (< SV1), la limitation de la phase rapide de VO 2 est plutôt liée à des facteurs musculaires (inertie mitochondriale)

(Grassi et coll, 1996 et 1998; Jones et coll, 2003).

• Si l’exercice réalisée est intense (> SV1), la limitation de la phase rapide de VO de la

Hughson, 1999).

2 est fonction de capacité d’utilisation de l’O 2 l’apport d’O 2 aux muscles et par les muscles

(Tschakovsky et

.

•

Cinétique de VO

Simulated VO 2 2 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 -1 Fitted  = 30.7s

0 1 .

VO 2 .

= VO 2 bl + A * (1 - exp -(t/  ) ) 2 Time (min) 3 4 5

• Plus la phase rapide de VO 2 rapidement est courte, plus les sujets s’adaptent à l’exercice = signe d’une bonne adaptation. Le déficit d’O 2 est moindre.

• Si la phase rapide de VO 2 à l’effort.

est ralentie, c’est un signe d’intolérance •

Après la phase rapide de VO 2 ; deux possibilités qui dépendent de l’intensité d’exercice et de la population : 1. Etat stable 2. Composante lente de VO 2

Evaluation de l’aptitude physique aérobie et intolérance à l’effort: Test rectangulaire Composante lente Déficit en O2 Etat stable théorique Transition Repos/exercice Phase rapide Lorsque intensité > SV1

(Poole et al, 1991).

A 2 influence tolérance à l’effort

(Whipp, 1994).

Après la phase rapide de VO 2 , deux possibilités :

1. Etat stable si intensité < SV1.

On peut alors étudier la balance des substrats (utilisation des glucides et lipides). Important chez les obèses et diabétiques.

2. Composante lente de VO 2 si intensité > SV1.

Cela correspond à un excès de consommation d’O 2 l’état stable théorique.

par rapport à Si l’intensité est très élevée, il peut y avoir une augmentation de VO 2 jusqu’à VO 2max et l’épuisement.

Plus l’amplitude de la composante lente de VO 2 les sujets risques de mal tolérer l’effort est importante, plus

Modélisation de la CINETIQUE DE VO 2 (phase rapide et phase lente) CINETIQUE DE VO 2 (70% PMA > SV1)

(Barstow et Mole, 1991)

VO 2 (t) = VO 2 (BL) + A 1 · [1 - e -(t – TD 1 ) /



1 ] + A 2 · [1 - e -(t – TD 2 ) /



2 ]

Interprétation des paramètres de la cinétique de VO 2     L’étude de la cinétique de VO 2 a l’avantage de recourir à l’utilisation d’exercices sous-maximaux. Mieux adaptés / pathologies (comme pour SV1)  1 : constante d’équilibre de la phase rapide. Si élevée, déficit d’O 2 important, aptitude physique aérobie et condition physique altérées  1 * A1 correspond à DO 2 A2 : amplitude de la composante lente de VO 2 .

et la tolérance d’un effort.

Détermine le maitient    Diabétique non insulino-dépendant :  1 élevée Insuffisants cardiaques et BPCO :  1 élevée Porteurs du trait drépanocytaire : A2 élevée

Cinétique de VO 2

(Connes et al, soumis)

chez les porteurs du trait drépanocytaire / sujets contrôles

3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0 -60 0

VO Fast Slow 2 kinetics component component

60 120 180 240 Time (s) 300 360 420 480 540

.

Déterminants de la Composante lente de VO

2

W

resp 20-25% max Candau et al. 1998 Carra et al. 2003

W mécanique

Borrani et al. 2003 Avogadro et al. 2003

D

.

VO

2

Recrutement de fibres additionnelles (fII)

Borrani et al, 2003

K

+

, La

-

, pH

Poole et al. 1991

Température

Koga et al. 1997

3.3. Test de marche de 6 minutes

Test de marche de 6 min

• Test utilisé pour évaluer l’aptitude la condition physique dans certaines populations •Test bien adapté pour des personnes âgées

coll, 2003; Simar et coll, 2004) (Troosters et coll, 1999; Kervio et

• But du test : parcourir la plus grande distance en marchant pendant 6 minutes.

Répétition du test 2 fois avec suffisamment de récupération entre les 2 sessions : 1) sans appareillage et 2) avec analyse des paramètres cardiorespiratoires).

• Analyse des réponses cardiorespiratoires (VE/VO2, VE/VCO2, VO2/FC, …)

Intensité à SV1 correspond à intensité durant un test de 6 minutes.

Test de 6 minutes = utile / prescription et / réhabilitation réentraînement

4. Les déterminants de l’aptitude physique aérobie – santé cardiovasculaire (et musculaire) – condition physique

FC max et Ves max QC max [Hb] et %SaO 2 Extraction musculaire d’O 2 Fatigue muscles respiratoires et/ou recrutement fibres II D(A-v)O 2 Densité capillaire Enzymes oxydatives D(a-A)O 2 Qc et Inertie mitochondriale VO 2max SV1 Cinétique de VO 2

Aptitude physique aérobie – santé cardiovasculaire (et musculaire) –condition physique

Analyser aussi les équivalents respiratoires, le pouls d’O 2 ….

Performance sportive

Intérêt dans différentes pathologies

Economie de course - marche

Intérêt de ces différents tests

• Mise en évidence et objectivation d’un problème chez une personne en bonne santé apparente ou chez un malade.

• Suivi de l’évolution de la forme physique et de la santé cardiovasculaire (et musculaire) d’un patient au fil des mois et années.

• Aide à la mise en place de stratégies de réentraînement : définition des intensités, des volumes et du type d’exercice.

• Perrey et Candau (2002) • Bassett et Howley (2000) • Jones et Carter (2002)

Bibliographie

Force musculaire, endurance musculaire et souplesse CM2

1. Rappels sur les types de fibres musculaires

Diamètre Couleur (Myoglobine) Vascularisation Propriétés contractiles Activité ATPasique Source ATP Enzymes anaérobies Fatigabilité Enzymes Krebs Nbre Mitochondries Métabolisme Les types de fibres musculaires Fibres ST I Faible Rouge (élevée) Importante Faible et longue + Oxydation Faible + +++ +++ Aérobie Fibres FTa IIa Important Rose (intermédiaire) Intermédiaire Intermédiaire +++ glycolyse Intermédiaire ++ ++ ++ Mixte (A + G) Fibres FTb IIb Important Blanche (faible) Faible Forte et brève +++ Glycolyse Forte +++ + + Glycolytique

2. L’endurance musculaire

Endurance musculaire

Définition : • Capacité psychique et physique à résister à la fatigue (Weineck, 1992) • Endurance psychique = capacité à prolonger le plus longtemps possible un effort qui contraint à l’arrêt de l’exercice ( Frey, 1977) • Endurance physique = capacité de tout l’organisme ou d’une de ses parties à résister à la fatigue (Frey, 1977)

Différentes formes d’endurance musculaire

• Endurance générale et locale (spécifique) : fonction de la masse musculaire mise en jeu (> ou non à 1/6) • Endurance (capacité) anaérobie et aérobie : fonction des filières énergétiques mise en jeu. 800 m  marathon • Endurance-force, endurance-vitesse et endurance-explosive : fonction des formes motrices

A) L’endurance musculaire locale

• Sous division : A.1) Endurance musculaire locale aérobie dynamique A.2) Endurance musculaire locale aérobie statique A.3) Endurance musculaire locale anaérobie dynamique A.4) Endurance musculaire locale anaérobie statique

A.1) Endurance musculaire locale aérobie dynamique Effort qui active un groupe musculaire faible 1 jambe) et réalisé de manière aérobie à moyen (1 bras ou

(Hollmann et Hettinger, 1980)

Facteurs déterminant qui sont influencés par l’entraînement : • Types de fibres : avantage pour FI (ST) car mieux vascularisées, plus grande capacité oxydative et densité mitochondriale, activité enzymes oxydatives ++ • L’apport d’O 2 : rôle de la vascularisation, [Hb], [myoglobine], Q • Réserves d’énergie : [glycogène]m suffisante pour maintenir un effort intense longtemps, [triglycérides] • Coordination inter et intra-musculaire

A.2) Endurance musculaire locale aérobie statique La contraction d’un petit groupe musculaire < 15% de force maximale isométrique, n’empêche pas la circulation sanguine locale de s’effectuer dans les muscles soumis à l’effort. Dans ce cas, les besoins (aérobie) énergétiques sont couverts pas le métabolisme oxydatif Si > 15% de force maximale : devient ischémie locale. Filière anaérobie prédominante (production d’acide lactique  ).

A.3) Endurance musculaire locale anaérobie dynamique Mise en jeu quand 1/6 une force à 1/7 de l’ensemble de la musculature exerce appliquée contre une résistance de l’ordre de 50 à 70% (ou plus) de la force maximale isométrique

(Hollmann et Hettinger, 1980)

Facteurs déterminant qui sont influencés par l’entraînement : • Types de fibres : • Réserves d’énergie : phosphagènes (PCr et ATP) et glucose (glycolyse anaérobie) • Activité des enzymes anaérobies (CK ,PFK, LDH).

• Pouvoirs tampons du muscle et du sang / acidose (acide lactique) + rôle des MCTs.

A.4) Endurance musculaire locale anaérobie statique Deux situations : a) maintien maximale d’une charge nécessitant plus de 15% de la force isométrique b) contractions musculaires répétées de plus de 50% de la force maximale isométrique, durant lesquelles la durée de l’effort statique est si longue que la portion dynamique du travail = négligeable.

Facteurs déterminant qui sont influencés par l’entraînement : • Même que pour A.3

Plus la force statique mise en jeu est maintien élevée, plus la durée de dépend du niveau de la force maximale

(Dolgin et Lehmann, 1929).

Notion importante / pathologies et vieillissement.

Attention / endurance musculaire anaérobie statique locale Si contraction statique = pulmonaires :  durée > 5 s, réactions cardio FC, pression systolique et diastolique.

Ce type d’entraînement doit être utilisée avec beaucoup de précautions dans la réhabilitation des patients souffrant de problèmes cardiaques

B) L’endurance musculaire générale (> 1/6 masse musculaire)

• Sous division : B.1) Endurance aérobie de courte durée B.2) Endurance aérobie de moyenne durée B.3) Endurance aérobie de longue durée

B.1) Endurance aérobie de courte durée

• Durée 2 à 10 min • Fonction de aptitude physique aérobie mais aussi du métabolisme énergétique anaérobie (exercices de 2 min). Plus l’effort est long, plus la proportion du métabolisme aérobie est importante.

( • Facteurs déterminants : ceux du métabolisme aérobie

surtout VO 2max

précédemment).

) + ceux du métabolisme anaérobie (cités

B.2) Endurance aérobie de moyenne durée

• Durée 10 à 30 min • Sollicitation prédominante du métabolisme aérobie. Utilisation surtout des glucides par voie oxydative.

• Facteurs déterminants : ceux du métabolisme aérobie (surtout

VO 2max , SV2 et cinétique de VO 2

)

B.3) Endurance aérobie de longue durée

• Durée > 30 min • Sollicitation du métabolisme aérobie. Utilisation des glucides et lipides par voie oxydative (fonction de intensité et de durée).

• Facteurs déterminants : ceux du métabolisme aérobie (surtout

SV1 , mais aussi VO 2max , SV2 et cinétique de VO 2

)

L’endurance aérobie de moyenne et longue durée participe à l’autonomie dans la vie de tous les jours.

Amélioration des fonctions cardiaque, circulatoire et respiratoire (des plus de 60 ans)

• Méthodes d’entraînement de cette qualité : a) Fartlek

(Holmer, 1945)

: jeu d’allures (course – marche,…) b) Aérobic

(Cooper, 1968)

pulsations/min : travail purement aérobie à une FC = 150 c) Jogging

(Lydiard, 1962)

: course lente d) Circuit-training

(Morgan et Adamson, 1956)

: réalisation d’un circuit comprenant plusieurs exercices (reprise en musculation) d’intensité très moyenne (nombre de répétitions d’un exercice = 50% de la répétition maximale).

Répétition du circuit = 3 fois.

e) cross-promenade

(Mollet)

marche, de trottinement, : en pleine nature, faire un peu de course, de d’assouplissement, de renforcement musculaire….

3. La force musculaire

La force musculaire : faculté à vaincre une résistance extérieure ou de s’y opposer grâce à la contraction musculaire • Facteurs déterminants de la force musculaire : Facteurs morphologiques (longueur des leviers osseux, direction du tendon/levier osseux qu’il mobilise) Nombre d’unités motrices (UM) et de fibres/UM Typologie (FI, FIIa, FIIb) Réserves énergétiques et activités enzymatiques Facteurs neuromusculaires (recrutement spatio-temporel des UM + coordination inter et intra-musculaire)

L’unité motrice