Les différentes filières énergétiques

Nouchka SIMIC - Diététicienne du sport

Les différentes filières énergétiques

les 3 filières énergétiques

Lors d’un effort musculaire, le corps humain sollicite différentes filières énergétiques pour fournir de l’énergie aux muscles. Ces 3 filières ne se succèdent pas mais agissent de façons complémentaires et simultanées en fonction de la durée et de l’intensité de l’effort.

L’adénosine triphosphate (ATP) est la seule forme d’énergie chimique utilisable par les protéines contractiles. Sa dégradation permet de fournir de l’énergie disponible pour la contraction musculaire. En effet, le muscle ne peut en aucun cas utiliser directement l’énergie fournie par les aliments.

L’ATP est présente en faible concentration dans le muscle (environ 20 mmol par kilo de muscle sec) et de ce fait, ne permet pas d’assurer les contractions musculaires sur plus de quelques secondes (environ 2 secondes à 70% de la VO2 max). La dégradation de l’ATP (par hydrolyse) fournit de l’énergie mécanique grâce à la rupture de la liaison phosphate, libérant 7 calories directement utilisables par la cellule. Mais l’ATP doit être rapidement resynthétisé afin de pouvoir continuer à fournir de l’énergie aux muscles : c’est le rôle des filières énergétiques.

Les 3 filières énergétiques de l’effort

Les 3 filières énergétiques assurent donc la resynthèse d’ATP au niveau musculaire afin de répondre à la demande énergétique au cours de l’effort. On retrouve :

  • La filière anaérobie alactique (ou voie ATP-PCr)
  • La filière anaérobie lactique
  • La filière aérobie

La voie anaérobie alactique (ou ATP-PCr)

Cette voie métabolique s’effectue sans oxygène et sans production de lactate (d’où son nom). C’est la filière dominante dans les exercices explosifs de très courte durée (max 20 secondes) comme les sprints ou les exercices de musculation explosifs.

En plus d’une faible réserve d’ATP, le muscle possède des réserves en phosphocréatine (PCr) 3 à 4 fois plus importantes que celles d’ATP dans ces conditions. La rupture de la liaison phosphate de la phosphocréatine libère de l’énergie qui sera utilisée pour resynthétiser de l’ATP.

La masse musculaire conditionne (entre autres) la disponibilité en ATP et PCr.

La capacité de production d’énergie via cette voie est très faible. Pour un effort maximal, les réserves en PCr sont épuisées en moins de 10 secondes. Cette filière permet par contre de soutenir des hauts niveaux de force et d’intensité sur des laps de temps très courts (100m piste, haltérophilie…) avec un délai de récupération intéressant puisque 50% des réserves d’ATP-PCr sont reconstituées après 30 secondes de repos et la totalité au bout de 3 minutes en bonnes conditions (avec une bonne disponibilité en oxygène).

La voie anaérobie lactique

Cette filière ne nécessite pas d’oxygène et s’accompagne de la formation de lactate. L’énergie provient de la glycolyse (formation d’acide pyruvique + 2 ATP à partir de la dégradation du glucose sanguin) ou de la glycogénolyse (hydrolyse du glycogène musculaire permettant la formation de 3 ATP). Le rendement énergétique est donc plus important que la voie anaérobie alactique qui ne permet la formation que d’un ATP. Ces deux filières agissent simultanément lors d’efforts intenses et de courte durée (2 à 3 minutes).

Il y a production d’acide pyruvique via la glycolyse qui ne peut s’accumuler dans l’organisme. En condition aérobie (présence d’oxygène), il est facilement oxydé. Mais en condition anaérobie il est réduit en lactate.  Le lactate n’est pas à considérer comme un simple déchet ou une toxine mais plutôt comme un élément positif ayant un fort potentiel énergétique.

Cette voie métabolique permet la production d’importants niveaux de puissance musculaire. La capacité de production d’énergie est faible car l’acidose liée à l’accumulation d’ions H+ limite la durée de l’effort. En effet l’organisme ne tolère qu’une certaine quantité d’ions H+, la diminution du pH impactant directement les mécanismes contractiles au niveau des myofibrilles et ralentissant l’activité enzymatique dans la cellule.

Le délai de récupération est assez rapide et s’effectue de façon non linéaire : 50% des réserves reconstituées en 15 minutes et 100% au bout d’une heure. Les délais de récupération entre les phases d’exercice devront couvrir une plage environ deux fois supérieure au temps actif.

Chez le sportif, le facteur limitant à cette voie est la teneur en glycogène musculaire.

La voie aérobie (ou glycolyse aérobie)

Cette voie nécessite comme son nom l’indique un apport en oxygène. En présence d’oxygène, l’acide pyruvique provenant de la glycolyse (dégradation du glucose) est facilement converti en acétyl-CoA la matrice mitochondriale avant d’intégrer le cycle de Krebs. Contrairement à la voie anaérobie lactique, où seul les glucides peuvent servir de substrat énergétique, la voie aérobie permet la métabolisation des acides gras et des acides aminés à des fins énergétiques lors d’efforts prolongés ou en situation de jeûne.

La dégradation des acides gras permet une récupération d’énergie plus importante (7 kcal par gramme de tissu adipeux contre 1 kcal par gramme pour les réserves en glycogène musculaire). Or, le débit maximal de la lipolyse est plutôt faible. En effet, la métabolisation de ceux-ci nécessite 20 à 30 minutes (contre 3 à 5 pour les glucides) et plus d’oxygène. La métabolisation des acides gras augmente à mesure que les réserves en glycogène s’amoindrissent et diminue lorsque la lactatémie (concentration plasmatique en lactate) augmente.

Le bilan énergétique offre un excellent rendement car la glycolyse aérobie permet la resynthèse de 38 molécules d’ATP par molécule de glucose et 39 à partir du glycogène.

Plusieurs facteurs optimisent ou limitent le débit de production d’ATP :

  • Le débit ventilatoire.
  • Le débit cardiaque maximal et le volume d’éjection systolique (déterminant la VO2max).
  • La teneur en hémoglobine sanguine : la programmation de stages sportifs en altitude est d’ailleurs un facteur d’augmentation de la capacité d’oxygénation.
  • La pression artérielle.
  • La masse musculaire : la VO2 max augmente lorsque la masse musculaire (surtout la densité capillaire) est suffisante. Le développement des capillaires augmente la circulation et les échanges, permettant un effort aérobie sur une période plus longue.

Les paramètres qui conditionnent la VO2max :

  • La génétique
  • L’entraînement
  • L’alimentation

Le glycogène musculaire est un facteur limitant la capacité maximale aérobie (quantité maximale d’énergie disponible à partir de l’oxydation des réserves énergétiques mobilisables à l’exercice). Plus sa teneur est importante, plus la capacité est augmentée. La teneur en glycogène musculaire est améliorée par les régimes de surcharge glucidique (souvent pratiqués 3-4 jours avant l’échéance). La disponibilité des réserves de tissu adipeux et l’apport en glucides exogènes pendant l’effort permettent de préserver le glycogène musculaire.

Interaction et synergie des voies métaboliques

Il existe une synergie entre ces trois voies métaboliques et elles sont plus ou moins impliquées selon la durée de l’exercice et l’intensité. En effet, elles ne se juxtaposent pas dans le temps comme on l’a longuement pensé mais agissent en même temps à des niveaux différents et sont intimement reliées. La production d’ATP provient des trois voies, mais chaque voie prédomine selon le type d’activité.

Les efforts courts avec un haut niveau de puissance impliqueront plutôt les voies anaérobies, alors que les exercices d’endurance demanderont une production d’énergie sur de longues durées.

Au début d’un exercice musculaire, c’est L’ATP disponible qui fournit l’énergie mécanique (< 15 ms), puis la PCr prend le relai, puis ensuite chaque filière participe selon la durée et l’intensité de l’exercice et de façon complémentaire à la resynthèse d’ATP.

Durée de l’exercice (en sec.)% anaérobie% aérobie
0-10946
0-158812
0-208218
0-307327
0-456337
0-605545
0-754951
0-904456
-1203763
-1802773
-2402173
Tableau : estimation de contribution de l’énergie d’origine anaérobie et aérobie en fonction de la durée de l’exercice. (Gastin 2001)

L’utilisation des différents substrats dépend de la durée et de l’intensité de l’exercice :

  • Lipides : utilisés lorsque l’exercice est de faible intensité, continu et prolongé. Les réserves lipidiques sont presque inépuisables (il faudrait courir 120h d’affilée pour les épuiser).
  • Glucides : ils interviennent dans des proportions croissantes variables selon l’intensité de l’effort. Lorsque l’on s’approche de la VO2max, l’utilisation des glucides est presque exclusive.
  • Protéines : elles peuvent participer à fournir de l’énergie lors d’efforts prolongés ou en situation de jeûne (lorsque les stocks de glycogène sont épuisés ou fortement amoindris).

À retenir : lorsque l’intensité de l’effort est supérieure à 90% de VO2max, le glycogène est le substrat préférentiel, alors que pour les efforts de plus basse intensité (< 50% VO2max), les lipides peuvent couvrir plus de la moitié de l’énergie nécessaire, permettant une épargne du glycogène.

Tableau récapitulatif des 3 filières

Anaérobie alactiqueAnaérobie lactiqueAérobie
SubstratsATP
Phosphocréatine
GlucoseGlucose
Acides gras
Bilan énergétique par molécule de substrat1 ATP2-3 ATP38 ATP
Délai d’interventionImmédiat< 5 sec3 à 5 min
Durée couverte0 à 20 sec20 sec à 2 min2 min à plusieurs heures
Durée de récupérationTrès rapide
(entre 30 sec et 3 min)
Assez rapide
(15 min à 1h)
Longue
(12 à 72h)
Capacité (quantité d’énergie)15 à 30 kJ100 à 200 kJJusqu’à 400 MJ
Puissance4 à 12 Kw3 à 8 Kw0.8 à 1.7 Kw
Réserves d’énergieMuscleMuscleMuscle + tissus adipeux
Type de fibres musculaireIIA et IIB rapidesIIA et IIB rapides – blanches – glycolitiquesIA et IIA – rouges – lentes
Type d’effortForce / vitesseResistanceEndurance
Prédominance
(Exemples d’exercices)
100 m piste
Haltérophilie
Sauts
400m piste
100m natation
km piste (vélo)
Marathon
Aviron
Triathlon

Nouchka SIMIC

 

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