Physiologie de l’effort adaptée aux sports de montagne

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1 Physiologie de l’effort adaptée aux sports de montagne
Paul Robach Pôle recherche biomédicale, ENSA

2 Objectifs Expliquer et analyser les mouvements de l’appareil locomoteur de l’homme en mouvement Application à un milieu spécifique : la montagne

3 Définition de la physiologie
Science qui traite du fonctionnement des êtres vivants La physiologie étudie le rôle, le fonctionnement et l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants (organes, tissus, cellules et organites cellulaires). La physiologie étudie également les interactions entre un organisme vivant et son environnement.

4 Bref rappel d’anatomie
S’adaptent aux contraintes 206 Os Solides Souples Légers

5 Le squelette

6 Les articulations : exemple du coude

7 Capsule articulaire : Synovie : constituée de ligaments
résistante et peu élastique assure la protection et le maintien de l’articulation Synoviale : membrane interne sécrète la synovie Synovie : liquide visqueux qui remplit la capsule nourrit le cartilage lubrifie les surfaces articulaires améliore le glissement Cartilage:  recouvre les surfaces osseuses  protège l’os contre les pressions et les frictions

8 Plan Partie 1: Les muscles Partie 2: Les filières énergétiques Partie 3: le circuit de l’oxygène Partie 4: Caractéristiques de l’effort physique en montagne

9 Partie 1 : Les muscles

10 Fixés sur les os par les tendons
Introduction Les muscles striés squelettiques Les muscles lisses Responsables du mouvement volontaire Organisation précise Position du corps Fixés sur les os par les tendons

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12 A) La structure musculaire

13 Myofilaments fins d’actine
Le sarcomère actine myosine Myofilaments fins d’actine Myofilaments épais de myosine avec des têtes de myosine

14 Contraction du sarcomère

15 Contraction du sarcomère

16 Fonctionnement du muscle: 1. L’information

17 Le système nerveux

18 L’unité motrice Un neurone moteur = motoneurone
Toutes les fibres innervées par ce motoneurone Petite UM : un petit motoneurone innerve peu de fibres musculaires. C'est le cas des petits muscles qui permettent d'orienter l’œil. Dans le muscle oculaire, le motoneurone innerve 5 fibres musculaires, pour un mouvement ultra précis Grosse UM: un gros motoneurone innerve beaucoup de  fibres musculaires. Pour un mouvement peu précis mais très puissant 

19 Processus de contraction musculaire
Transmission du potentiel d’action aux fibres musculaires Jonction neuromusculaire Motoneurone: Création d’un potentiel d’action Volonté Glissement des filaments fins d’actine le long des filaments épais de myosine Contraction = mouvement Libération de calcium

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21 Les modes de contraction
Lors de la contraction, les insertions tendineuses : Ne se déplacent pas  contraction isométrique Se déplacent  contraction anisométrique Le muscle se raccourcit Le muscle s’allonge Le muscle s’allonge puis se raccourcit Contraction concentrique Contraction excentrique Contraction pliométrique

22 Les différents types de contractions

23 Le triceps se raccourcit Contraction concentrique
QUELQUES EXEMPLES : Dans le cas d’une pompe : Poussée vers le haut Le triceps se raccourcit Contraction concentrique Descente Le triceps s’allonge Contraction excentrique Arrêt Pas de modification Contraction isométrique

24 Types de fibres musculaires
Les fibres lentes sont des fibres peu fatigables et surtout sollicitées dans les exercices de type « aérobie » (avec utilisation d’oxygène) ou d’endurance. L'environnement doit donc être riche en oxygène (nombreux capillaires). Les fibres rapides interviennent surtout dans les exercices de type « anaérobie » (sans apport d’oxygène). Elles produisent des contractions rapides et de forte intensité mais sont rapidement fatigables.

25 Résistance à la fatigue Forte Moyenne Faible Glucides +++ ++++ Lipides
Fibres 1 2a 2b Profil Lentes Rapides Métabolisme Aérobie Aérobie/ anaérobie Anaérobie Taille o O Force F Vascularisation ///// // / Résistance à la fatigue Forte Moyenne Faible Glucides +++ ++++ Lipides + -

26 Dans la plupart des cas, les muscles sont composés d’environ 50% de fibres I (lentes) et de 50% de fibres II (rapides). La proportion exacte de chacun des types de fibres varie d’un muscle à l’autre. Chez l’homme, la proportion de fibres musculaires (lentes ou rapides) est peu influencée par l’entrainement

27 Synergie musculaire / jeu des muscles agonistes et antagonistes
Le système nerveux doit coordonner les activités des muscles agonistes (acteurs principaux du mouvement ou de la contraction) et antagonistes (dont l’action s’y oppose) afin qu’un mouvement se réalise de manière fluide. Les muscles antagonistes et agonistes doivent agir en alternance. Exemple : Lors de l'extension du genou, le muscle agoniste est le quadriceps, son antagoniste est l'ischio-jambier. Il faut toutefois nuancer, quand un agoniste se contracte, l’antagoniste ne se relâche pas complètement, on parle de co-activation antagoniste. Exemple du drop en rugby : le quadriceps se contracte pour shooter dans le ballon (extension du genou) puis en fin de course les ischio-jambiers se contractent vigoureusement pour protéger l’articulation et éviter aux muscles de se déchirer. Les réflexes interviennent dans ce mouvement

28 Réflexe

29 Réflexe myotatique

30 L’apprentissage technique d’une habileté améliorera cette synergie musculaire pour tendre vers une économie d’énergie et une fluidité du mouvement. Il est difficile de travailler un muscle de manière isolé, l'action d'un muscle aura des conséquences sur les autres, les muscles sont organisés en chaîne musculaire.

31 Adaptations à l’entrainement
LES MECANISMES NERVEUX : Le système nerveux est le 1er à s’adapter à l’entrainement qu’on lui impose. Au début d’un programme d’entrainement, les débutants progressent très vite mais sans prendre de masse musculaire, simplement grâce à une meilleure innervation de muscles.

32 Adaptations à l’entrainement
LES MECANISMES STRUCTURAUX : Ils interviennent et commencent à être visibles à partir de 4 à 6 semaines d’entraînement. C’est l’hypertrophie musculaire (le volume musculaire est plus important). L’hypertrophie est due à une augmentation de la taille des fibres musculaires et non à une augmentation du nombre

33 Adaptations à l’entrainement
LES MECANISMES METABOLIQUES : L’entrainement entraine des modifications métaboliques: les substrats énergétiques sont mieux utilisés.

34 Les filières énergétiques
Partie 2 : Les filières énergétiques

35 Fonctionnement du muscle: 2. L’énergie
D’où provient l’énergie nécessaire à la création de mouvement ?

36 ENERGIE MECANIQUE (Travail musculaire)
Alimentation Substrats énergétiques = ENERGIE CHIMIQUE ? ENERGIE MECANIQUE (Travail musculaire) + ENERGIE THERMIQUE Chaleur

37 L’énergie est stockée d’une manière temporaire dans un composé intermédiaire :
l'adénosine tri-phosphate (A.T.P.) L’ A.T.P. peut être comparée à une « pile rechargeable » dans le sens où elle se charge d'énergie et qu'elle libère cette énergie en fonction des besoins.

38 Substrats énergétiques
ENERGIE MECANIQUE (Travail musculaire) + ENERGIE THERMIQUE Chaleur Substrats énergétiques = ENERGIE CHIMIQUE Libération d’énergie CHARGE ATP

39 Adénosine tri-phosphate
Ce sont les liaisons chimiques qui relient les phosphates à l'adénosine qui sont riches en énergie.

40 Hydrolyse de l’ATP P P P Libération d’énergie ATP  ADP + P + Energie
adénosine P P Libération d’énergie ATP  ADP + P + Energie

41 Réserves d’ATP ? L’organisme ne dispose que d’une très faible quantité d’ATP au niveau musculaire. Le stock disponible ne permet de faire que 1 mètre à intensité maximale ou 5 mètres à une allure de footing. Et pourtant: Le stock d’ATP diminue très peu, même à l’issue d’un exercice épuisant…

42 Resynthèse de l’ATP + ATP ENERGIE MECANIQUE (Travail musculaire)
ENERGIE THERMIQUE Chaleur Substrats énergétiques = ENERGIE CHIMIQUE Libération d’énergie CHARGE ATP ADP + P + Energie chimique (d’origine alimentaire)  ATP

43 Les filières énergétiques
Filière anaérobie alactique Filière anaérobie lactique Filière aérobie

44 Filière anaérobie alactique
PC + ADP  C + ATP Phosphocréatine créatine Caractéristiques: - Délai d’intervention : quasiment nul - Puissance : maximale - Capacité (durée) : très faible - Facteur limitant : phosphocréatine Sports concernés: saut, lancer, sprint…..

45 Filière anaérobie alactique
Ce système alactique est la source la plus rapide de production d'énergie car :  ne dépend pas d'une longue série de réactions chimiques  ne dépend pas du transport d'oxygène  ATP et phosphocréatine sont stockés très près des éléments contractiles du muscle

46 Déplétion de PCr pour stabiliser le niveau d’ATP

47 Facteur limitant : Le facteur essentiel qui limite la production d'énergie par voie alactique est - la quantité de créatine phosphate disponible.

48 La resynthèse de la créatine phosphate :
Fin d’effort  niveau très bas de PCr  resynthèse très rapide (90 % en 4 minutes) Entrainement: objectif de développer les qualités de vitesse Temps de récupération trop courts ne permettront pas une restauration optimale des stocks de créatine phosphate.  Utilisation d’autres filières (notamment filière anaérobie lactique)

49 Filière anaérobie lactique
Cellule musculaire Glucose ADP ATP Acide pyruvique Acide lactique Acidité !

50 Filière anaérobie lactique
Caractéristiques: - Délai d’intervention : quelques secondes - Puissance : proche du maximale - Capacité (durée) : faible - Facteur limitant : acidité Sports concernés: 400 m, slalom…..

51 Filière anaérobie lactique
Efforts intenses de 20s à 2min Alternances d'efforts intenses et de pauses contractions isométriques intenses et suffisamment longues Irrigation sanguine patinage artistique cyclisme sur piste ski alpin Natation Aviron athlétisme Judo Hockey sur glace escalade ski alpin

52 Filière anaérobie lactique
Production acide lactique Perturbation glycolyse Perturbation contraction musculaire Acidose Ainsi, si l'effort se prolonge, l'acide lactique va s'accumuler puis progressivement saturer le système musculaire jusqu'à contraindre le sportif à l'arrêt de l'exercice.

53 Le devenir de l’acide lactique :
Récupération active (footing léger) accélère le processus d'élimination de l'acide lactique. Baisse de 50% Baisse de 100% Récupération passive En 25 mn En 1h30 Récupération active (50 à 60 % de VO2 max En 6 mn En 20 mn

54 Filière aérobie ADP ATP Glucose Acide pyruvique O2 CO2
Cellule musculaire Glucose Acide pyruvique ADP Cycle de Krebs ATP O2 CO2 Mitochondrie

55 Filière aérobie: « sommet » de la filière (sommet = VO2max)
Caractéristiques: - Délai d’intervention : plusieurs dizaines de secondes - Puissance : modérée - Capacité (durée) : moyenne à longue - Facteur limitant : transport de l’oxygène Sports concernés: du 1500 m au 5000 m

56 Filière aérobie: endurance
Sang Acides gras Cellule musculaire Glucose Glucose Acide pyruvique ADP Cycle de Krebs ATP O2 CO2 Mitochondrie

57 Filière aérobie: endurance aérobie
Caractéristiques: - Délai d’intervention : plusieurs dizaines de minutes - Puissance : faible - Capacité (durée) : quasiment illimité - Facteur limitant : glucose Sports concernés: du m à l’ultra-endurance

58 Filière aérobie: endurance aérobie
Les substrats énergétiques : acides gras libres (AGL) stockés sous forme de triglycérides dans les tissus adipeux et au niveau musculaire. Réserves énergétiques quasiment inépuisables. Plus l'effort se prolonge plus le pourcentage d’énergie apportée par les lipides sera important.

59 L'utilisation des lipides par voie aérobie est dépendante de la glycolyse.
les lipides ont besoin de la présence des glucides pour être dégradés en présence d'O2. Ceci peut expliquer qu'un pratiquant ayant des réserves de lipides (graisses) importantes puisse être épuisé malgré des réserves énergétiques lipidiques importante  épuisement des réserves en glucides.

60 Mise en jeu de ces filières
Contribution respective de chaque processus métabolique dans l'apport énergétique total 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0s 10s 20s 30s 40s 50s 1mn 2mn 3mn 4mn 10mn 20mn Intensité en % du maximum Anaérobie alactique Anaérobie lactique Aérobie Dépense énergétique totale

61 En résumé:

62 Conséquences générales pour l’entraînement :
Notions fondamentales pour l'entraînement, qui peut donner des repères simples pour l'entraîneur. Un travail de puissance consistera à travailler la plus haute intensité de travail possible dans le système énergétique considéré. Travail qualitatif Un travail en capacité consistera à consommer jusqu'à épuisement des stocks de réserves énergétiques de la filière considérée ou à accumuler des déchets en quantité très importante (acide lactique).  Travail quantitatif  épuisement

63 Le circuit de l’oxygène
Partie 3 : Le circuit de l’oxygène

64 Une grande partie de notre énergie est produite grâce à l'oxygène
 Nécessité de capter l’O2

65 Anatomie de l'appareil respiratoire et échanges gazeux
But: approvisionner en O2 et éliminer le CO2

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67 Muscles respiratoires
Inspiration = diaphragme Expiration au repos = phénomène passif Expiration à l’effort = muscles intercostaux

68 Débit ventilatoire et exercice
Augmentation du débit ventilatoire à l’exercice (Volume d'air inspiré ou expiré par les poumons par unité de temps) Augmentation du volume inspiré et expiré Augmentation du rythme ventilatoire

69 Diffusion alvéolo-capillaire

70 Une fois que l’oxygène de l’air est passé dans le sang, pour permettre son transport, il est pris en charge par l'hémoglobine.  Les globules rouges transportent l’oxygène dans le sang

71 Circulation sanguine

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73 Le cœur

74 Le cœur Systole: éjection du sang Diastole : remplissage du cœur

75 Débit cardiaque et exercice
Augmentation du débit cardiaque (quantité de sang éjectée par les ventricules cardiaques / unité de temps) Augmentation du volume d’éjection systolique Augmentation de la fréquence cardiaque

76 Les systèmes pulmonaires, cardiaques, circulatoires s’adaptent à l’effort pour prélever et transporter l’oxygène dont le muscle a besoin pour fonctionner. Il arrive un moment où l’exercice est trop rapide et la consommation d’oxygène ne peut plus augmenter. C’est la consommation maximale d’oxygène ou VO2max.

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78 Caractéristiques de l’effort physique en montagne
Partie 4 : Caractéristiques de l’effort physique en montagne

79 Environnement d’altitude
• 21% d’O2 • 0,04% CO2 • 78% N • Gaz rares Altitude Baisse Pression Baro Baisse densité de l’air Moins de molécule d’O2 par unité de volume d’air Diminution du taux d’O2 sanguin. (Saturation artérielle en oxygène)

80 Vie impossible Vie permanente impossible Très haute altitude
(Pbaro = 760 mmHg) (Pbaro = 236 mmHg) (PO2 = 150 mmHg) (PO2 = 50 mmHg) Vie permanente impossible Très haute altitude 5500m Haute altitude 3500m Effets ressentis au repos Moyenne altitude 2000m Effets ressentis à l’exercice Basse altitude 1000m Effet sur la performance max 0m Pas d’effet

81 L’environnement d’altitude
La Pression Atmosphérique: Diminue en fonction de l’altitude Varie en fonction de la latitude La Température: Diminue d’environ 1° C tous les 150 m Diminue en fonction du vent L’humidité de l’air: Diminue avec l’altitude Les rayonnements: Augmentent avec l’altitude (UV: +4% par 300m)

82 Effets psychologiques
Environnement à risques Isolement Inconfort Alimentation Inactivité physique …

83 Effets de l’hypoxie sur l’organisme
Poumons Cœur Vaisseaux Muscle Cerveau ….

84 Effet sur la performance
100 Hypoxie chronique 80 Hypoxie aiguë Mt Blanc 60 VO2max (%) 40 20 Everest Altitude (km)

85 EVEREST (8848m) 3600 ascensions depuis 1953 Printemps 2007:
600 summiters 2 summiters SANS O2 +1000m en 18 heures!

86 2012

87 Dissociation de l’oxyhémoglobine
100 Niveau De la mer 80 60 Saturation d’O2 (%) Everest 40 20 Pression d’O2 (mmHg)

88 Mécanismes compensatoires
Immédiats Augmentation de la ventilation Augmentation de la fréquence cardiaque A court terme (24h) Diminution du volume de plasma A moyen terme (2 semaines?) Augmentation du nombre de globules rouges

89 Intérêt de la tachycardie
Augmentation du débit cardiaque Amélioration du transport de l’oxygène

90 Hyperventilation et tachycardie: inconvénients
Mécanismes coûteux en énergie Mise en place de mécanismes non coûteux (baisse du volume plasmatique, polyglobulie)

91 En conclusion L’homme s’acclimate bien à l’environnement d’altitude
Optimisation de la respiration Modifications hématologiques favorisant le transport de l’O2

92 Environnement froid Records de température:
-89°C (Antarctique) +55°C (Lybie) Homme = homéotherme (37 ± 4°C) Régulation de la température = dépense d’énergie

93 Echanges thermiques Radiation (ondes calorifiques)
Conduction (contact) Convection (contact renouvelé) Evaporation

94 Réponses physiologiques normales au froid
Frisson Vasoconstriction périphérique

95 Acclimatation au froid
Etudes de cas: Diminution de la température centrale (JL Etienne) Augmentation du métabolisme de repos (plongeuses Ama ,eau à 10°C) Débit sanguin cutané augmenté (Inuits)

96 Acclimatation au froid
Non prouvée chez l’homme Facteurs génétiques ? Facteur indirect: augmentation de l’appétit entraînant une augmentation du tissu adipeux

97 Influence du vent Température mesurée (°C) Vitesse du vent (km/h)

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99 Gelures Les gelures sont majoritairement la résultante d’un manque d’attention Il est ainsi nécessaire de vérifier souvent ses extrémités. Les parties à risque sont principalement les extrémités. Les gelures ne sont pas l'apanage des températures extrêmes. Quelques degrés en dessous de zéro, accompagnés de vent, peuvent suffire.

100 Hypothermie L'hypothermie est déclarée  lorsque la température du corps descend en dessous de 35o. L’hypothermie légère est caractérisée par: une sensation de froid et une envie de se réchauffer, un pouls faible et rapide L’hypothermie sévère est caractérisée par une température corporelle en-dessous de 33o, un état de confusion, des idées peu claires

101 Environnement froid: en pratique
Tenue vestimentaire (intérêts et limites): Gore tex doudoune Fourrure Types de textiles Vêtements humides Equipement tête-cou Rechange! (fond de sac)

102 Nutrition par temps froid
Action dynamique spécifique des aliments: (% de l’énergie contenue dans l’aliment transformée en chaleur lors de la digestion) Glucides: 9% Lipides :12% Protides: 20%

103 Hydratation par temps froid
Déshydratation induite par la « diurèse du froid » L’hydratation doit être maintenue (boisson chaude nécessaire)

104 Observation nivo-météo: va-t-il faire froid?
Bulletin météo du jour: Y a-t-il du vent en altitude? Y a-t-il un voile nuageux qui arrive? Y a-t-il une inversion de température?