Physiologie des Grandes Fonctions - Académie de Grenoble · test de Ruffier-Dickson . 15. Exercice...

Physiologie des Grandes

Fonctions

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INSERM, U1039

1

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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

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 !!!

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Evolution of basal metabolism over childhood

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Muscle – Fibre - Filament

12

Muscular contraction

13

Molecular muscular contraction

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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 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

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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






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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

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Temps (min)

FC (min-1)

~4 – 5 min 0

60 W

90 W

120 W

150 W

180 W

FC1?

FC2?

FC3?

FC4?

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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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23

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

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Exercise intensity as a function of time

3 components

3 metabolic pathways

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Three metabolic pathways

Non lactic, anaerobic Lactic, anaerobic Aerobic

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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

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The lactic, anaerobic pathway

Balance : 2 (glucose) or3 (glycogène) ATP molecule / glucose molécule 28

The lactic, anaerobic pathway

children vs. adults

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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

• 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

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