FATIGUE MUSCULAIRE

Younss AIT MOU

Le muscle strié squelettique INTRODUCTION

Reflexe myotatique et inhibition réciproque

FNMsensible étirement du muscleAfférence Ia => réflexe myotatique

INTRODUCTION

Le fuseau Neuromusculaire

INTRODUCTION

Organe tendineux de Golgi (OTG)

Sensible étirement des tendons et aponévroses -Activé avec contraction du muscleAfférence Ib=> Réflexe myotatique inverse

INTRODUCTION INTRODUCTION

Le sarcomèreINTRODUCTION

The crossbridge cycle

A .M A + M .ATP

A .M .ADP A+M.ADP.Pi

ATP

Actin

myosin

Pi

ADP

INTRODUCTION

Définition :

la fatigue est une altération des capacités d'un

Individu qui induit une augmentation du coût (psychologique,énergétique)

nécessaire à la réalisation d'une tâche

et/ou l'incapacité de réaliser cette tâche.

La fatigue musculaire

LES CITES DE LA FATIGUE Dépense énergétique du muscle peut

être multipliée par + de 100 fois

Grande puissance musculaire

développée

Composante périphérique

Fréquence de décharge des unités

motrices très élevéeComposante centrale

LA FATIGUE PÉRIPHÉRIQUE

1. Diminution de la Fmax

1

2. Ralentissement du développement de la Fmax

2

3. Ralentissement de la relaxation

3

Different types de fatigues

“fatigue à intensité faible”– Endurance (+ 60 mn).

– Reccretement d’unité motrices lentes

– Métabolisme aérobique

– Pas de changement du pH

• “fatigue à haute intensité”– Courte durée (<20 min), haute

intensité

– Reccretement de tous les types

d’unité motrice

– Métabolisme anaérobique

– Diminution du pH,

– augmentation de Pi

Different types de fatigues

myocardial ischemia/hypoperfusion– Atherosclerosis of coronary artery

– Anaerobie metabolism

– Decreased left ventricular performance

Different types de fatigues

Aspects négatifs

- Diminution de la force- Incapacité à maintenir une intensité- Inconfort généralisé

Aspects positifs

- Prévention de dommages sévères (musculaires, cardiaques, respiratoires)

FATIGUEfatigue

La fatigue et ses principaux déterminants*échelle de Borg (1962) = mesure subjective

�Facteurs psychologiques*« devoir », humeur, tolérance à la douleurExpériences précédentes,Ajustement à la demandeRépétition mentaleHypnose - Placebo

Modifications neurobiologiques∆ métabolisme cérébral (hypoglycémie)

�Variations des ratio de neurotransmetteurs (sérotonine, dopamine)Ammonium, endorphinesT° centrale

Facteurs périphériques musculaires

[Substrats] et [métabolites], ∆pH, ∆ [ions]Stress oxydantAltération de la mécanique contractileDommages musculairesFeed back musculaires, tendineux (signaux afférents)

Commande motricePropagation PAFréquence de décharge

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

2-La piste ionique

3-La piste des radicaux libres

4-Les dommages structuraux

Différentes explications physiologiques

de la fatigue périphérique

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

2-La piste ionique

3-La piste des radicaux libres

4-Les dommages structuraux

Différentes explications physiologiques

de la fatigue périphérique

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

ATP + H2O ADP + Pi + H+ + energy

(Pyruvate + NADH lactate + H+ + NAD+)

ADP + PCr ATP + CrCréatine kinase

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

ADP + PCr ATP + CrCréatine kinase

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)

ATP + H2O ADP + Pi + H+ + energy

Exercices à haute intensité

Épuisement en quelques secondes (15s)

Metabolic changes during fatigue

50%100%20%100%Force

(% of max)

84203Pi (mM)

1824726PCr (mM)

884.45.7 ATP(mM)

7.17.16.857.3pH

Cardiac muscle

(hypoxia)

Cardiac muscle

(rest)

Skeletal muscle

(fatigue)

Skeletal muscle (rest)

Skeletal muscle data from Baker, et al. Muscle and Nerve17:1002-1009, 1994Cardiac muscle data from He, et al.Am J Physiol272(41): H1333-H1341, 1997

1-La piste métabolique (déplétion des substrats) 1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Exercices à moyenne intensité

(Pyruvate + NADH lactate + H+ + NAD+)

30 %

60 %120 %

Déplétion glycogénique maximale pour exercice à

75% VO2 max

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

(Pyruvate + NADH lactate + H+ + NAD+)

Centre de la réspiration

Le bulbe rachidien

Augmentation de la fréquence

respiratoire

Foie :reconversion en acide pyruvique

Récupération

Dosage du lactate!

Même si l’énergie disponible au niveau lipidique est très importante:

la fatigue survient lorsque les quantités de glycogène hépatique

et dans les muscles sollicités sont fortement réduitesDonc pour perdre du poids il faut métabo aérobie.

I > 70 % VO2max : glucides restent le substrat majoritaire

• Supplementation en CHO retarde apparition de la fatigue

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène) 1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

La déplétion glycogénique participe à la fatigue périphérique mais aussi à la fatigue centrale

[glucose] sanguin seule source d’énergie pour le SNC

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

glycolyse

Acide lactique

NADH + H+

NAD+

LDH

LDH : Lactico-déshydrogénase

Le pKa de Acide lactique est inférieur à celui de la cellule, il perd donc son proton pour faire du lactate et acidifier le milieu.

Potential benefits of lactic acid

control

+20mM lactic acid

Lactic acid added after 90 min

Nielsen, et al. J. Physiol.536(1): 161-66, 2001

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Pour répondre à cette question, il est nécessaire d’avoir recours à des études ex vivo (fibres isolées) afin de distinguer les effets respectifs des différents acteurs …

Extrapolations et vérifications par d’autres situations expérimentales chez l’athlète

Mesures : pH, PCr, ATP, Pi, lactate, glucose, glycogène …Inconvénient : cinétique difficiles à réaliser !!!!

News Physiol. Sci, 2002Potential benefits of lactic acid

•Mediate vasodilation (not as important as K+, O2 or adenosine)

•Stimulate increased ventilation

•Substrate for gluconeogenesis

•Lactic acid clearance may alkalinize blood

1-1) Métabolisme anaérobie (absence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Nielsen, et al. J. Physiol.536(1): 161-66, 2001

Entraînement augmente la mobilisation des lipides maisseulement pour intensités modérées < 40% VO2max => Pas d’épargne glycogénique pour intensités élevées

1-2) Métabolisme aérobie (présence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

1-2) Métabolisme aérobie (présence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Devenir du pyruvate :

4H+

+O2

=H2O

Rendement des glucides :

17 KJ/g

1-2) Métabolisme aérobie (présence d’oxygène)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Devenir des acides gras : Activation :

Acyl (lipide) + CoA = Acyl-CoA

Une fois dans la mitochondrie dégradation

totale !

Rendement :

38 KJ/g

1-2) conclusion (l’explication métabolique de la fatigue)1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

Exercices à haute intensité : fatigue au bout de 1 min max.

utilisation de PC et de glycogène (une partie).

Exercices à moyenne intensité : fatigue au bout de 10 min max

épuisement du stocke de glycogène.

Exercices à faible intensité VO2max : fatigue à partir de 10 min .

épargne de glycogène et épuisement des A.G

1-La piste métabolique (déplétion des substrats)

2-La piste ionique

4-Les dommages structuraux

Différentes explications physiologiques

de la fatigue périphérique

Bilan des variations au niveau musculaire avec fatigue :2-La piste ionique

Ca 2+ ; K+; Na+; Mg 2+

H+ ; Pi

Intracell.➡

Membrane

Extracell. ➡

NB: entrainement➚ pompes Na+/K+ =>important lors de la récupération catécholamines => ➚ K+ plasmatique

a- le pH

↑ H+ (↓ pH)

2-La piste ionique

2.1- les protons (H+)

Exercices intenses => force contractile <=> fatigue musculaire

Hypothèse la plus répandue : [acide lactique] + pH (acidification)

-L’acidification du muscle joue t’elle un rôle dans la baisse de la force ?

Fibres isolées stimulées :

pH -0,5 unités

Idem V max raccourcissement peu affectée par acidification

Arguments en faveur en défaveur

Conclusion l’acidification n’affecte directement ni la force, ni la Vmaxpour des t° physiologiques…

à 12°C : ➘pH => ➘ F (-30%)

à 32°C : ➘pH => ➘ F (-10%)

Westerblad and Allen News in Physiol Sci. 17(1): 2002

Bonne corrélation entre pH et Fmais non systématique …

Récupération de force précède pH

- Variation du pH en fonction de l’intensité de l’exercice :

30 W

50 W

70 W

Corrélation entre l’intensité de l’exercice

et le pH du milieu interstitiel

Carsten Juelet al, the journal of physiology 2001

- Variation de l’intensité de l’exercice en fonction du pH :

Intensité de l’exercice

PLA/CITCarsten Juel et al, the journal of physiology 2005

Citrate de sodium

- Variation de l’intensité de l’exercice en fonction du pH :

L’exercice physique à haute intensité induit une

augmentation des ion H+ et provoque une diminution de

la force

L’acidification affecte elle les mouvements ioniques ?

Carsten Juel et al, the journal of physiology 2005

L’acidification affecte elle les mouvements ioniques ?

Carsten Juel et al, the journal of physiology 2005

L’acidification affecte elle les mouvements ioniques ?

Carsten Juel et al, the journal of physiology 2005

L’acidification affecte elle les mouvements ioniques ?

Carsten Juel et al, the journal of physiology 2005

L’acidification affecte elle les mouvements ioniques ?

Carsten Juel et al, the journal of physiology 2005 Juel, C. et al. Am J Physiol Endocrinol Metab.2003

Training-induced changes in the lactate/H+ monocarboxylate cotransporterproteins MCT1, MCT4, and the Na+/H+ exchanger protein

NHE1 determined by Western blotting

L’acidification affecte elle les enzymes du métabolisme énergétique ?

Activités des enzymes de la glycolyse et de la glycogénolyse

pH

Pas de réduction du rapport glycogénolyse/glycolyse chez l’homme en situation d’acidose

L’acidification affecte elle le re-largage du calcium à partir du RS ?

Elle n’est pas due à une pH

une [Ca2+] pourrait expliquer la force contractile= moindre activation de la contraction

Bien que l’on observe une [Ca2+] sarcoplasmique dans un muscle soumis à des stimulations tétaniques successives …

Bruton et al. J. Appl. Physiol. 85(2): 478-83, 1998

H+ inhibits Ca 2 + reuptake by the sarcoplasmic reticulum

L’acidose n’a pas / peu d’effet sur la force isometric et sur le raccourcissement des cellules cardiaques et

squelettiques à des température physiologiques

CONCLUSIONL’exercice physique à haute intensité induit une

augmentation des ion H+ et provoque (indirectement) une diminution de la force

•Les ions H+ pourraient stimuler afférences III-IV (nocipepteurs)

⇒Stratégie des athlètes endurants : introduire «entraînement lactique » pour augmenter leur tolérance à la douleur sans affecter le système musculaireinsensible à la variation du pH …

acidose et fatigue sont concomitantesMAIS sans relation causale au niveau périphérique * …

ATP ⇔ ADP + Pi HPO42- + H+ ↔↔↔↔ H2PO4

-

à pH = 7.0 1/3 2/3à pH = 6.5 2/3 1/3

2-La piste ionique

2.2- le phosphate inorganique (Pi)

L’accumulation du Pi est dû à la PCr

ATP + CrADP + PCrCréatine kinase

ATP + H2O ADP + Pi + H+ + energy

Effects of Pi on isometric forceare not temperature dependent

Coupland, et al. J Physiol536(Pt 3):879-91, 2001

H+ and Pi affect cardiac muscle force at 15° C

Vandervelden et al. Circulation 104: 1140, 2001

H+ and Pi decrease cardiac myofilamentsensitivity to Ca 2 + at 15° C

Hajjar et al. Circulation 101: 1679-1685, 2000

Control

15 mM Pi

Calcium release is impaired during fatigue

Allen and Westerblad J. Physiol. 536(3): 657-665, 2001

✔ l’ ➚ de Pi participe à la pérturbation de la disponibilité du calcium

Comment fait le Pi pour induire la fatigue musculaire ???

Westerblad and Allen. News Physiol Sci. 17(1): 17-21, 2002

Phosphorylation du RyR, amélioration du phénomène calcium

induced calcium release

Pas observé chez les CK-/-

How Pi reduces Ca+2 transients

Westerblad and Allen. News Physiol Sci. 17(1): 17-21, 2002

- Inhibition des SR-CaATPase

How Pi reduces Ca+2 transients

Westerblad and Allen. News Physiol Sci. 17(1): 17-21, 2002

- Precipitation du calcium dans le SR

How Pi reduces Ca+2 transients

-Pérturbation de la machineriecontractile

Conséquences de l’accumulation du Pi

✔ action directe du Pi au niveau des ponts Actine -Myosine

Bascule de la tête de myosine⇒Génératrice de la forceSe fait avec libération du Pi

Accumulation Pi⇒Moindre production

de forceCause : désensibilisation

Des myofilaments au calcium

Conclusion

Accumulations de Pi et d’ADP participent à la diminution progressive

de la force et à l’apparition de la fatigue musculaire périphérique

Remarque

Actuellement, pas de stratégie pour limiter accumulation de Pi …

Increased inorganic phosphate causes decreased force production

H+ and Pi can decrease sensitivity to Ca which may be important during fatigue

CONCLUSION

•Phosphate can inhibit Ca release by a number of potential mechanisms

•Directly inhibiting release•Preventing reuptake•Preciptaing Ca

•H+ can inhibit Ca reuptake by the SR-Ca ATPase

Westerblad & Allen, J Physiol 1993

Phase I Phase II Phase III

• primary causes of fatigue– ↑[Pi] i 1° factor during Phases 1 and 2 (Westerblad et

al. )

– ↓ Ca2+ release 1° factor during Phase 3

SUMMARY

•Fatigue results from impaired force or slowed velocity of shortening

•Fatigue is correlated with low pH and elevated Pi

•H+ does not affect force or velocity at physiological temperatures.

•Inorganic phosphate inhibits force production

SUMMARY•Pi inhibits calcium release

•H+ inhibits calcium reuptake

•Lactic acidosis may have a beneficial effect of force when extracellular K+ is elevated

2-La piste ionique

2.3- le potassium (K+)

- Maintient le potentiel de membrane (Vm)

[K+ ] joue un rôle dans le maintien du potentiel de membrane

⇒Diminution de la fréquence de contraction (<=> protection de la fibre ?)⇒Car si la [Ca2+] augmente : risque d’activation des protéase et des Phospholipases, ce qui va provoquer la destruction de la cellule !⇒MAIS force réduite !

Si [K+] =>dépolarisation de la fibrede 10 à 20 mV

⇒Moindre excitabilitéExcitabilité musculaire en fonction

du temps de contraction

Au repos : potentiel = -81mV (fibres rapides) et -73mV (fibres lentes)

Les canaux KATP

-Inhibition par l’ATP.-Facilitation par les ions H+

La fatigue provoque une augmentation des ion H+, doncl’effet pH s’ajoute à celui du K+ pour aggraver la fatiguependant un exercice à haute intensité.

L’accumulation du Ca2+ provoque l’activation des canauxK+ sensibles au calcium

Application d’E.G.T.A

Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N’,N’-Tetraacetic Acid

[K+]0[Na+] i

Pompe Na/K

La pompe Na/K ATPase

- Ouabaïne.+ Adrénaline

Les pertes en K+ dépendent des modalités d’exercice

Exercice dynamiqueExercice statique perte + faible avec intensité >

Pendant la récupération le potassium s’équilibre au bout de quelque minute ! (repolarisation de la membrane plasmique)

Responsable de la fatigue aiguë

Démonstration➘ K+ a un effet plus marqué sur la ➘ de la force que la ➘ de pH

Potentielmembrane

vaisseauxSNC COEUR

� extracellulaire

DéchargeMN�

PerfusionMuscle �

Vasodilatation �PA � FC �

favorisent préviennent

Couplage E-C �

Conduction PA �

Le potassium est impliqué directement dans la fatigue musculairemais il participe à d’autres mécanismes physiologiques qui protègent le muscle …