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Physiologie des Grandes
Fonctions
INSERM, U1039
1
Consommation d’O2 et dépense
énergétique chez l’homme -
Adaptations respiratoires et circulatoires
à l’exercice
2
1. Etudier les adaptations respiratoires (VO2) et circulatoires (FC)
de l’organisme à l’activité physique,
2. Comparer les caractéristiques des filières énergétiques
mobilisées pour l’accomplissement de deux exercices
physiques différents.
Objectifs
3
~1014 cells (~10 – 100 µm) in the human body [and 1015 bacteria (1-10 µm)]
Identical genotype – varying phenotypes
Physiologie humaine
4
Metabolism
Set of chemical reactions that happen in the cells of living organisms to sustain life.
Roles: growth and reproduction, preservation of structures, and response to changes.
Catabolism breaks down organic matter. Anabolism uses energy to construct components.
5
Cellular source of energy
Adenosine triphosphate - ATP
6
7
8
Macroscopic & cellular respiration
9
Basal Metabolism: 24 hr- energy need of a resting organism (kjoules or kcal)
Basal Metabolism
• Heart • Brain • Respiration • Digestion • Preservation of constant body temperature
Black et al. 1996
Women
Men
• BM in kCal • P in kilograms • T in meters • A in years
• ATP ADP : -30.5 kJ/mol = -7,3 kCal/mol • si MB = 1500 kCal/jour : ~200 moles d’ATP • ATP : 507,2 g/mol • MB 104 kg ATP / jour !!!
10
Evolution of basal metabolism over childhood
11
Muscle – Fibre - Filament
12
Muscular contraction
13
Molecular muscular contraction
14
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
15
Exercice 1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
Fréquence cardiaque de repos : on prend la précaution de maintenir au moins quelques minutes de relaxation et de détente pour retrouver une fréquence cardiaque de repos. Consommation d’oxygène de repos : le sujet est assis confortablement, jambes non croisées, et respire par l’intermédiaire du tuyau relié au système de mesure. L’expérience dure 5 minutes. Valeurs déterminées ou estimées : Fréquence cardiaque de repos en BPM Consommation d’oxygène de repos en mL/min/kg Dépense énergétique de repos en KCal/jour (1 kCal = 4.18 kJ)
Black et al. 1996
Women
Men
• BM in kCal • P in kilograms • T in meters • A in years
16
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
Le test de Sargent permet de déterminer la puissance anaérobie alactique d'après le score du saut vertical et le poids du sujet. L’exercice est répété 5 fois en prenant quelques dizaines de secondes de récupération entre chaque saut. La puissance anaérobie alactique s’obtient à partir de la formule : PMAA = 2.2*poids (kg)* (D(cm)) (1 cheval-vapeur = 736 watts) 18
Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
Le sujet règlera la hauteur de selle pour obtenir un confort de pédalage correct même en fin d’épreuve. Le recueil de la fréquence cardiaque est réalisé à l’aide d’un cardiofréquencemètre. L’épreuve est réalisée avec une incrémentation constante de 20 watts et pour une fréquence de pédalage fixe de 60 RPM. La durée de chaque palier est de 2 à 3 minutes pour obtenir une fréquence cardiaque stable pour une durée d’épreuve ne dépassant pas 15 minutes. Le graphique représentant la puissance développée en fonction de la fréquence cardiaque permettra de déterminer la PMA en utilisant l’estimation de la FC maximale du sujet selon la formule de Tanaka H. et al. (J Am Coll Cardiol. 2001 ;37:153-56). FCmax = 208-0.7*âge La VO2max sera estimée considérant que : 1 Watt = 1 J.sec-1 1 litre O2 = 21 kJ Rendement brut = 18.6% Valeurs déterminées ou estimées: Fréquence cardiaque maximale en BPM PMA en Watts Consommation d’oxygène max (VO2max) en mL/min/kg
20
Temps (min)
FC (min-1)
~4 – 5 min 0
60 W
90 W
120 W
150 W
180 W
FC1?
FC2?
FC3?
FC4?
21
P (W)
FC (min-1)
FC1
FC2
FC3
FC4
FCmax
60 90 120 150 180 PMA? VO2 max?
1 Watt = 1 J.sec-1 1 litre O2 = 21 kJ Rendement brut = 18.6%
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Mesures expérimentales (cf. poly)
1. Mesure de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène de repos
2. Mesure de la puissance maximale anaérobie alactique (PMAA) – test de Sargent
3. Mesure de la puissance maximale aérobie (PMA) et de la consommation d’oxygène maximale (VO2max) – test d’Astrand
4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
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Exercice 4. Mesure de la régulation de la fréquence cardiaque – test de Ruffier-Dickson
Après être resté allongé environ 5 minutes au calme: • Prendre son pouls (P1)
• Réaliser 30 flexions complètes sur les jambes, bras tendus et pieds bien à plat sur
le sol, en 45 secondes et à allure régulière. Il est à noter que une fréquence de montées et descentes trop rapides ou trop lentes modifierait la valeur finale du test. Prendre son pouls juste après (P2)
• Se rallonger et reprendre son pouls 1 minute après la fin de l'exercice (P3)
Indice Dickson = ((P2-70) + 2(P3-P1))/10
24
Exercise intensity as a function of time
3 components
3 metabolic pathways
25
Three metabolic pathways
Non lactic, anaerobic Lactic, anaerobic Aerobic
26
The non lactic, anaerobic pathway • No oxygen – no waste
• ATP : 5 mmol/kg muscle - 2 to 3 sec – 85 g total
• CP : 15 mmol/kg muscle – ~10 sec
•Phosphagens re-synthesis : 70% / 30 sec, 100% / 3 to 5min
27
The lactic, anaerobic pathway
Balance : 2 (glucose) or3 (glycogène) ATP molecule / glucose molécule 28
The lactic, anaerobic pathway
children vs. adults
29
Relative contributions of metabolic pathways to energy production over the time course of exercise
30
The aerobic pathway
Contraction musculaire 31
Reminder
32
VO2 repos
VO2 max
FC repos
FC « max »
PM anaérobie
PM aérobie
Exercise physiology
Contraction musculaire
Contraction musculaire
33
Pulmonary oxygen exchange
34
Cellular energy production
glucose
glucose
glycogen
pyruvate
acyl-CoA
KREBS
acyl-CoA
acetyl-CoA NADH
FADH2
Respiratory chain
~30 ATP *
3-4 ATP *
2 ATP *
ADP
P-cr AMP
Creatine
ATP / P-Cr
intracellular pool
O2
* /glucose molecule
myofibril contr action
lactate
Fatty acids
O2
CO2
35
36
• 375 à 475 g of carbohydrate in the human organism.
• Muscular glycogen: 325 g (~ 15g/kg muscle)
• Liver glycogen: 90 -110 g
• Blood glucose: 15 -20 g.
• 4 Kcal /g of glycogen, i.e. ~ 1600 Kcal / individual (marathon: 700 Kcal/h)
Energy storage: carbohydrates (sugars)
37
Energy storage: lipids (fat)
Localization : adipose tissue
Amount : ~10 kg for a 70 kg male, i.e. ~90 000 kCal (= limitless)
38
Course à pied Kcal/h
Vitesse 500
Demi-fond 930
Fond 750
Marathon 700
Cyclisme
Sur piste 220
Derrière entraîneur
330
Sur route 360
Sur route avec vent debout
600
Energy expenditure
Substances Densité d’énergie
kJ/g kcal/g
Lipides 37 8,9
Ethanol (alcool)
29 6,9
Protéines 17,5 4,2
Glucides 16,5 4,0
Acides gras 13 3,1
Polyols 10 2.4
Fibres 8 1,9
Energy potential of food components
39
• Capacité sudatoire enfant (thermorégulation) < adulte
• Mobilisation + rapide de la filière aérobie chez l’enfant
• Capacités anaérobie alactique et aérobie chez l’enfant similaires
à l’adulte
• Capacité anaérobie lactique enfant < adulte (LDH)
• Métabolisme basal enfant > adulte (x 2,5 relativement au poids)
• Fréquence cardiaque basale et max enfant > adulte
Children vs. adults
Summary
40