Les systèmes et filières énergétique

Beaucoup de littérature sur les filières énergétique sont disponible. D’après-nous, la plus part des explications simplifie et isolent trop les différentes utilisations de chaque filière énergétique, surtout pour la mise en pratique dans les sports d’endurance type triathlon, marathon, semi-marathon, 10km, etc… Nous essayons ici d’apporter, de manière surement encore imparfaite, une valeur ajouter pour permettre de mieux comprendre le réel fonctionnement des filières énergétique.

L’énergie chimique et mécanique

Lorsque le sportif produit un effort, son corps active trois « moteurs » énergétiques instantanément et simultanément. Ils sont tous les 3 toujours actifs, mais ils sont plus ou moins prédominant. L’utilisations de ces 3 moteurs simultanément avec plus ou moins de prédominance est appelé le continiuum énergétique.

Le rôle de ces 3 moteurs est de « convertir » l’énergie issu de substrats énergétique (alimentation et autre) en énergie chimique à l’intérieur du muscle. Cette énergie chimique active la contraction musculaire pour créer un mouvement et donc de l’énergie mécanique. Le terme « convertir » évoque le fait que l’énergie n’est en réalité jamais « créé », mais plutôt transformé d’un état à un autre.

L’énergie chimique est contenue dans une molécule d’ATP (Adénosine TriphosPhate). Elle est libérée lors de la « cassure » de l’ATP. Cette décomposition s’appel l’hydrolyse de l’ATP.
L’ATP devenu ADP (Adénosine Diphosphate) a besoin de substrats énergétique pour se re-synthétiser en ATP et se décomposer à nouveau afin de fournir de l’énergie en continu. La re-synthétisation de l’ADP en ATP s’appel la phosphorylation.
Le lieu de la production d’énergie dans le muscle est la mitochondrie.

ATP (Adénosine TriphosPhate -> 3)
 ↪️  Catabolisme : décomposition par Hydrolyse de l’ATP = production d’énergie  ⤵️ 
ADP + P (Adénosine Diphosphate -> 2 + Phosphate -> 1)
↪️  Anabolysme : recomposition par Phosphorilation de l’ADP  ⤵️ 
ATP

Remarque : Une molécule d’ATP est déjà présente dans le muscle au moment de la première contraction musculaire de l’effort. Elle est « cassée » pour créer de l’énergie instantanément (hydrolyse). Cela permet un effort violent et instantané, elle est ensuite re-synthétisée pour fournir de l’énergie en continue (la phosphorylation).

Les 3 systèmes énergétiques

Les systèmes énergétique (processus de transformation d’énergie) sont : ATP-PCr, Glycolitique et Oxydatif.
Leur nom et leur prédominance dans le processus de production d’énergie pendant l’effort dépend de 3 grands critères :

•  ⏳  Le délai avant d’être prédominant :
  Il dépend du substrat utilisé (carburant), en fonction de sa proximité (réservoir) avec le muscle (lieu de production d’énergie).
  Il dépend également de la vitesse (vélocité du moteur) à la quelle le moteur est capable de décomposer et re-composer l’ATP. Cette vitesse est lié au nombre de réaction chimique nécessaire à la re-synthétisation de l’ATP.
  Il dépend aussi du besoin ou non en oxygène (combustible) car le temps que l’oxygène arrive dans le processus de production d’énergie est relativement long.
• 💥 Le débit maximal d’énergie produit :
  Il dépend de la puissance énergétique du moteur (les chevaux) qui détermine la quantité maximale d’énergie produite par unité de temps. Il induit le degré d’intensité disponible pour l’effort du sportif (vitesse du véhicule).
• 💰 Le rendement énergétique :
  C’est la capacité énergétique ou le nombre d’ATP produit pour une molécule de substrat (consommation).
• ⏱️  Sa durée maximum de production d’énergie à un % du débit maximum :
  Elle dépend des réserves de substrat et de notre faculté à en fournir de nouveau une fois les réserves vide (réserve et réassort).
  Elle est aussi atterré par l’accumulation de produit final du catabolisme, qui devient un facteur limitant.

Système ATP-Pcr

Source d’énergie : ATP déjà présent dans le muscle, puis Phosphocréatine
Lieu de stockage : ATP lui même, puis dans le muscle
Oxygène présent : non
Délai avant d’être prédominant : instantané
Fibres musculaires utilisées : type IIa
Vitesse de décomposition/recomposition d’ATP : Très élevé
Puissance : Très élevé
Rendement : faible (1 ATP pour une 1 Pcr)
Durée max : 7 secondes environ
Produit final du catabolisme :
Facteur limitant de durée : épuisement des réserves de substrat

Système Glycolitique anaérobie

Source d’énergie : Glycogène
Lieu de stockage : dans le muscle
Oxygène présent : non
Délai avant d’être prédominant : 7 à 10 secondes
Fibres musculaires utilisées : type IIa
Vitesse / intensité de décomposition/recomposition d’ATP : élevé
Puissance : élevé
Rendement : assez faible (2 ATP pour une 1 glycogène)
Durée max : 1min
Produit final du catabolisme : pyruvate (lactate)
Facteur limitant de durée :
– Epuisement des réserves de substrat.
– Acidification dans le muscle : baisse du pH (dû à la désagrégation du glycogène).

Système Glycolitique + Oxydatif (glycolyse aérobie)

Source d’énergie : Glycogène
Lieu de stockage : dans le muscle
Oxygène présent : oui
Délai avant d’être prédominant : 1 minute
Fibres musculaires utilisées : type IIb & I
Vitesse de décomposition/recomposition d’ATP : moyenne
Puissance : moyenne
Rendement : moyen (36 ATP pour une 1 glycogène)
Durée max : 6min
Produit final du catabolisme :
– Pyruvate puis lactate
– Pyruvate puis acétyl-CoA (réutilisé grâce à la présence d’oxygène pour la recomposition de l’ATP, dans le cycle de KREPS)
– eau, co2
Facteur limitant de durée :
– Epuisement des réserves de substrat
– Acidification dans le muscle : baisse du pH (dû à la désagrégation du glycogène = lactate).
– VO2max (la présence de l’oxygène permet la réutilisation d’une quantité de lactate en guise de substrat pour re-composer l’ATP).

Système Oxydatif

Source d’énergie : Graisse (Lipide, triglycérides) transformé en acétyl-CoA (grâce à la présence d’oxygène pour la recomposition de l’ATP, dans le cycle de KREPS)
Lieu de stockage : Foie, tissu adipeux
Oxygène présent : oui
Délai avant d’être prédominant : 1 minute
Fibres musculaires utilisées : type I
Vitesse de décomposition/recomposition d’ATP : moyenne
Puissance : basse
Rendement : bon (129 ATP pour une 1 glycogène)
Durée max : quasi-illimité
Produit final du catabolisme : eau, co2
Facteur limitant de durée :
– VO2max et qualité d’utilisation de l’oxygène (Quantité d’oxygène mis à disposition)
– Structure musculaire, tendineuse, osseuse (le régime de contraction musculaire excentrique est le plus marquant)

Certains paramètres lié au délai, au débit, et à la durée maximum de l’effort évoluent parfois de manière brutale (consommation d’oxygène, production de lactate,…) ce qui permet de mettre en évidence des seuils d’intensité. Ces seuils servent de référence à iDO pour proposer les 7 zones d’intensité par défaut.

Tu peux lire notre article sur la répartition des zones d’intensité sur iDO.

Les filières énergétique

Les 3 filières énergétiques sont définie en fonction de la prédominance des systèmes énergétique :

• ATP PCr : Anaérobie alactique
• Glycolitique : Anaérobie lactique
• Oxydatif : Aérobie

Nous ne rentreront pas dans le détails de chaque filière maintenant, puisque les systèmes énergétiques ont déjà été bien détaillés. Dans chaque filière il faut savoir que l’on peut développer la puissance ou la capacité. La puissance étant le débit d’énergie produit (intensité), et la capacité le temps de soutient (durée).

Le tableau ci-dessous reprend les 7 zones d’intensité iDO par défaut (paramétrables à volontés en nombre et répartition). Il donne la filière, le système, ainsi que les différentes consommations d’oxygène et productions de lactate pour chaque intensité.

Vous le savez où l’avez compris, dans les sports d’endurance, la filière aérobie est dominante. Sa particularité est de produire de l’énergie avec utilisation de l’oxygène, et à partir de plusieurs substrats différents. Elle permet des efforts long (de 1min à plusieurs heures) à une intensité de basse à haute.
On observe donc dans cette même filières différentes sources d’énergie, méthodes de productions d’énergie, fibres musculaires utilisées, etc…

Informations complémentaires scientifique

La Glycolyse

Les  glucides que nous consommons font augmenter le taux de sucre sanguin (glycémie). Le sucre sanguin est ensuite capté lors de la sécrétion de l’insuline pour former du glycogène (chaîne de molécules de glucides). Ce glycogène se retrouve dans les muscles, dans le foie ou dans les cellules adipeuses. Lorsque le corps en à besoin, une réaction transforme le glycogène en ATP.
Glycolyse = sucre de l’alimentation > sucre sanguin > glycogène musculaire et hépatique > transformation du glycogène en ATP.

Glycolyse anaérobie vs glycolyse aérobie : en milieu anaérobie (absence d’oxygène O₂), le pyruvate issu de la glycolyse subit une fermentation, tandis que, en milieu aérobie (présence d’O₂), le pyruvate issu de la glycolyse est converti en acétyl-CoA, à partir duquel il est dégradé par le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale pour donner une molécule de CO₂ et permettant la formation de trois molécules de NADH, une molécule de FADH₂ et une molécule de GTP, équivalent à une molécule d’ATP. Le NADH et le FADH₂ peuvent être oxydés par la chaîne respiratoire pour produire davantage d’ATP.

Le cycle de Krebs est un processus en dix étapes impliquant huit enzymes et diverses coenzymes.

L’ATP

L’adénosine triphosphate, ou ATP, est un nucléotide formé à partir d’un nucléoside associé à un triphosphate.

• Décomposition de l’ATP : Afin de libérer cette énergie, la molécule d’ATP est clivée, par hydrolyse, en adénosine diphosphate (ADP) et en phosphate par phosphorylation oxydative dans le cadre de la respiration cellulaire,…
• Re-composition de l’ATP : Les cellules régénèrent ensuite l’ATP à partir de l’ADP essentiellement de trois manières différentes : par photophosphorylation dans le cadre de la photosynthèse, et par phosphorylation au niveau du substrat au cours de certaines réactions chimiques exergoniques, par exemple au cours de la glycolyse ou du cycle de Krebs.

Ainsi, le corps humain ne contient à chaque instant qu’environ 250 g d’ATP mais consomme et régénère chaque jour de l’ordre de son propre poids en ATP.

Le Pyruvate

L’ion pyruvate est le produit final des voies de dégradation du glucose (glycolyse).

• En anaérobie, la réduction du pyruvate en lactate ou éthanol (fermentations) assure la réoxydation du NADH en NAD⁺ consommé lors de l’oxydation du glycéraldéhyde 3-phosphate en 1,3-bisphosphoglycérate (réaction 6 de la glycolyse). Cette régénération du NAD⁺ permet à la glycolyse de se maintenir en absence d’oxygène.
• En aérobie, le NAD⁺ est régénéré par la chaîne respiratoire.

Source : BEJEPS TRI 2021, J. Hawley 2007, Cazorla 2014