en classe de tpe, nous souhaiterions savoir pourquoi lors de l’effort, la consommation d’O2 augmente jusqu’à un certain seuil ou elle plafonne et connaître les paramètres qui stoppent l’évolution de cette consommation.Pourriez nous nous proposer une expérience nous permettant de trouver les paramètres limitants ?
MERCI


REPONSE

Clairette,
Le travail musculaire est une production d’énergie par le muscle dont hélas près de 75 % est perdue en chaleur. Le reste est utilisé pour créer du travail musculaire.
D’où vient cette énergie ?
Les nutriments qui se trouvent dans notre alimentation, mais surtout les glucides et les lipides qui sont des sources d’énergie, ont été fabriqués par les plantes et les animaux dont nous mangeons la viande. Par exemple, pour faire les amidons (glucides) du blé, la graine a grandi, donné une plante avec des épis et de nouveaux grains qui seront moulus pour donner la farine. La plante a puisé du sol et de l’air le carbone, l’oxygène et l’azote, l’eau et les aliments minéraux, et s’est « fabriquée » en prenant l’énergie au soleil. Cet ordre que la plante a créé pour elle, en fabriquant des molécules végétales, grâce à l’énergie solaire, notre corps va le détruire par la digestion, en recréant du désordre, et ainsi notre corps récupère une partie de l’énergie que la plante avait trouvée en se construisant.
Il faut de l’énergie pour construire, et l’homme récupère une partie en détruisant ce que les plantes et les animaux ont construit !
Les lipides et les glucides sont la source essentielle d’énergie. Dans les mitochondries cellulaires, le glucose et les acides gras subiront une série de dégradations, transformations multiples successives qui consistent à arracher de l’hydrogène atomique de ces molécules et par des transferts d’électrons les mitochondries vont apporter l’électron de l’hydrogène vers l’oxygène moléculaire (O2 respiré et apporté par les globules rouges du sang) vu que l’oxygène est avide d’électrons.
Le résultat est que l’hydrogène et l’oxygène vont donner naissance à de l’eau H2O. Ces transferts d’électrons d’un transporteur à l’autre, se font de telle sorte qu’il y a des pertes d’énergie entre deux transporteurs et que certaines de ces pertes d’énergie sont récupérables (on dit énergie utilisable, non dégradée en chaleur) servant à la réalisation d’une réaction capitale qui est la formation d’ATP, molécule clé de la contraction musculaire.
En résumé, glucides et lipides + oxygène donne énergie
Cette énergie sert à faire ADP + P donne ATP
ATP est nécessaire à la contraction musculaire et à la plupart des autres travaux des cellules nécessaires à sa survie et au maintien de son intégrité.
Cette utilisation du glucose et des lipides nécessitant l’oxygène de l’air pour faire H2O dans les mitochondries, est dite glycolyse ou lipolyse aérobie (avec oxygène)
Ce métabolisme aérobie est donc lié l’oxygène présent dans les fibres musculaires.
1 MET est la dépense métabolique de base par kg et par minute d’un sujet éveillé, au repos et assis. 1 MET = 3,5 ml O2/kg/mn. 1 cal = 4,185 joules.
Si un sujet pédale sur une bicyclette ergométrique, qu’on lui impose des puissances d’effort croissantes, tout ira bien tant que les muscles recevront assez d’oxygène pour « brûler » glucides et lipides et permettre ainsi de faire de l’ATP. Mais plus on force et plus il faudra d’oxygène !
Comment les muscles se procurent-ils de plus en plus d’oxygène ?
L’oxygène vient de l’air inspiré, il traverse la paroi des alvéoles pulmonaires, passe dans le sang où il se fixe provisoirement (réversiblement) sur l’hémoglobine des globules rouges, est transporté vite vers les muscles qui en ont besoin.
Une première limitation est le débit ventilatoire, c’est à dire l’efficacité de la respiration, son amplitude, sa fréquence…ainsi que le contenu en oxygène de l’air inspiré (qui diminue avec l’altitude)
Une deuxième limitation sera le contrôle du débit sanguin qui fait intervenir le diamètre des artères (difficile à modifier) et surtout le fonctionnement du cœur qui agit comme une pompe (augmentation de fréquence cardiaque, augmentation du volume systolique, musculation de ses parois, la pression augmente dans les artères.…)
Il faut aussi penser que ce sang doit traverser le muscle (ouverture de capillaires fermés au repos) et que les cellules musculaires doivent extraire correctement l’oxygène du sang pour qu’il soit libéré de l’hémoglobine et rentre dans les mitochondries par diffusion car l’oxygène moléculaire, comme tous les gaz, diffuse du milieu où sa pression partielle est forte vers le milieu où sa pression partielle est plus basse.
Je vous donnerai plus tard des détails pratiques sur ces différents paramètres, quand vous aurez avancé dans votre travail.
L’effort exigé étant de plus en plus important, le sang apporte de plus en plus d’oxygène. Mais il arrive un moment, à une certaine puissance en watts imposée, il arrive donc que la respiration et le débit sanguin atteignent leur limite. Si le sportif continue à cette puissance, sans augmenter son effort, toute l’énergie continue à provenir de la destruction des lipides et des glucides dans les mitochondries avec l’oxygène apporté, formation d’eau et d’ATP par métabolisme aérobie. La consommation d’oxygène ne peut plus varier, tout l’oxygène arrivant au muscle est utilisé. Cette consommation maximale d’oxygène est appelée VO2 max., ou puissance aérobie maximale (capacité maximale d’un individu à resynthétiser son ATP en aérobiose)
En réalité il faut aussi savoir que la fonctionnement des mitochondries avec oxygène est limité à certaines fibres musculaires dites rouges, lentes, aérobies et peu fatigables. De nombreuses enzymes sont indispensables au métabolisme aérobie.
Cette consommation maximale d’oxygène varie selon l’âge, le sexe, le type d’exercice, l’hérédité, le niveau d’entraînement, la composition corporelle. Pour vous donner un ordre de grandeur, la VO2 max. est voisine de 45 ml d’O2 par Kg et par minute chez un sédentaire et elle avoisine 80 ml d’O2 par Kg et par minute chez un skieur de fond.
Il existe une relation correcte entre la fréquence cardiaque et la consommation d’oxygène.
Quand un sujet est arrivé à sa consommation maximale d’oxygène, peut il augmenter la puissance en watts de son effort ?
Oui, mais il faudra qu’il tire l’énergie d’ailleurs. Il trouvera un supplément d’énergie en utilisant au maximum d’autres fibres dites blanches, anaérobies et fatigables, qui n’ont pas de mitochondries et qui brûlent le glucose et seulement lui, par un métabolisme sans oxygène (anaérobie) Hélas, c’est un gaspillage de glucose pour peu d’énergie, et ce glucose mal « brûlé » produira de l’acide lactique qui limitera l’effort, car l’acidité est nuisible aux fibres musculaires.
Le sportif restera à sa VO2max, son effort augmentera, et on verra monter la concentration d’acide lactique dans le sang, le pH du sang va diminuer, la fatigue va se manifester rapidement, et s’il insiste, il va briser des cellules et aura des lésions musculaires.
Alors, à partir de ces renseignements, essayez de construire votre sujet et nous en reparlerons plus tard, quand vous aurez à nouveau besoin de moi.
Bon travail
Cyber@lbert.

Question du samedi 5 juillet 2014