Comprendre la physiologie humaine et ses filières énergétiques pour parfaire sa pratique sportive est un principe de base fondamental et très stimulant sur le plan intellectuel. Compte tenu de la complexité des mécanismes en jeu et n’étant pas forcément destiné à des scientifiques aguerris, l’article qui va suivre est une vulgarisation accessible au commun des mortels : il vise à décrire de manière simple et surtout pratique les voies métaboliques qui sous tendent la production énergétique, sans rentrer dans le détail des réactions chimiques complexes, ni des mécanismes inhérents aux efforts courts et intenses (de type sprint) qui concernent moins la thématique phare de ce blog. Ces clés de compréhension pratico-pratiques des voies aérobies serviront de base de réflexion pour in fine bien remplir ses bidons et ses poches de maillot.
Le rôle majeur des mitochondries dans la physiologie aérobie
Les organes qui assurent nos fonctions vitales et nous donnent la possibilité de travailler notre cardio (ce qui revient à la même chose d’un point de vue holistique) nécessitent de l’énergie. A l’échelle de la cellule, les organites producteurs d’énergie s’appellent les mitochondries. Présentes dans le cytoplasme de toutes les cellules, ce sont des petites usines qui vont produire une molécule « carburant », l’Adénosine tri-Phosphate (ou ATP) à partir d’une molécule de base commune à toutes les voies énergétiques, l’acétyl-coA.
Si l’origine des mitochondries est encore discutée (il s’agit sans doute des vestiges d’une bactérie ayant intégré nos cellules), il ne fait plus aucun doute qu’il s’agit d’un élément central de la physiologie humaine. Ses dysfonctionnements participent à de nombreuses pathologies chroniques (maladies neurodégénératives, cardiovasculaires…etc). [1]
Notre organisme a donc la capacité de transformer les macronutriments (stockés ou apportés par l’alimentation) que sont les glucides, lipides et protéines en molécules d’ATP dont la dégradation va libérer de l’énergie notamment au niveau musculaire.
En fonction du substrat de départ utilisé (glucide, lipide ou protide), il existe plusieurs voies de production utilisées dans des contextes différents (suivant le degré d’urgence de la production d’énergie, la quantité d’énergie demandée, la quantité d’oxygène disponible..etc) et dont les efficacités sont variables. Par soucis de simplification, nous nous limiterons aux voies qui interviennent en conditions aérobies (c’est à dire en présence d’oxygène) inhérentes aux efforts de la longue distance, au cours desquelles les réactions chimiques en cascade aboutissent toutes au cycle de Krebs de la mitochondrie:
Les glucides: une source disponible mais éphémère
Première source de macro-nutriment majeure, les glucides sont des molécules composés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Ils sont présents dans la Nature sous forme de sucres simples (c’est-à-dire 1 molécule de glucose, fructose…etc) ou complexe (exemple du saccharose = di-saccharide composé d’1 glucose + 1 fructose). Les glucides fournissent de l’ATP au niveau de la mitochondrie suite à la dégradation du glucose (glycolyse aérobie) qui survient juste en amont, dans le cytoplasme des cellules. C’est un processus rapide à démarrer, qui fonctionne en présence mais aussi en absence d’oxygène (on parle alors de glycolyse anaérobie, filière qui intervient par exemple dans les sprint). Son rendement est de l’ordre de 30 molécules d’ATP/molécule de glucose dégradée. Cette source d’énergie facilement mobilisable est utilisée en priorité pour les efforts intenses et courts (mais attention, elle ne s’arrête pas à basse intensité!). [2]
Les glucides présents dans notre organisme sont majoritairement apportés par l’alimentation puis stockés, sous forme de glycogène (un polymère de glucose présent au niveau des muscles et du foie). Nos réserves en glucides sont faibles et facilement épuisables (elles représentent environ 2000kcal soit moins de 2h d’effort intense). Le faible volume de ce réservoir constitue le facteur limitant de la production d’énergie basée sur les glucides. Il est donc indispensable de consommer des glucides à l’effort pour subvenir aux besoins de notre organisme qui aura tôt fait d’épuiser le stock si l’on ne le supplémente pas.
Les lipides: un source puissante mais lente
Aussi appelés « graisses », les lipides constituent le deuxième macronutriment majeur pour la production d’énergie (mais leurs rôles ne s’arrêtent pas là, ce sont aussi des précurseurs hormonaux, des éléments structurels de nos cellules…etc). Les lipides fournissent de l’ATP au niveau de la mitochondrie via la beta oxydation majoritairement. Ce processus est très efficace (rendement d’une centaine de molécules d’ATP/molécule d’acide gras dégradée) mais plus lent à mettre en oeuvre que la glycolyse (plus de transport cellulaire, régulation hormonale plus complexe…etc) et nécessite de grande quantité d’oxygène (la beta oxydation est un processus strictement aérobie). La capacité oxydative de la voie métabolique est le facteur limitant de la production d’énergie à partir des lipides. Cette inertie fait de la beta-oxydation la filière privilégiée des efforts longs et peu intenses.
Les lipides présents dans notre organisme (apportés par l’alimentation ou synthétisés) sont stockés au niveau du tissu adipeux sous forme de triglycérides. Contrairement à celui des glucides, le réservoir lipidique est énorme et correspond à environ 90 000kcal soit théoriquement des centaines d’heures d’effort! Dans le cadre de la production énergétique, la beta oxydation fait appel aux lipides stockés en priorité (au niveau des adipocytes et musculaires) et non à ceux qui se retrouvent dans la circulation sanguine après absorption intestinale. Dans la mesure où la quantité de substrat disponible n’est pas le facteur limitant de la production énergétique basée sur les lipides, consommer ce macro-nutriment à l’effort n’a que peu d’intérêt d’un point de vue strictement biochimique (désolé pour les aficionados des aliments de boulangerie riches en graisses tels que les viennoiseries au beurre ou les quiches lorraines!).
Les protéines: une voie d’urgence à épargner
Les protéines sont des polymères de molécules appelées acides aminés. Ils sont au nombre de 20 et certains sont dits essentiels car apportés par l’alimentation. Les protéines présentes dans notre corps n’ont pas pour vocation première à servir de substrat énergétique, mais elles sont capitales pour notre survie : ce sont des éléments structurels de première ordre (elles assurent le renouvellement des muscles, des os, de la peau…etc) et rentrent en jeu dans d’innombrables réactions chimiques (elles constituent par exemple l’hémoglobine qui transporte l’oxygène, les anticorps qui participent à l’immunité…etc). [3]
Les protéines sont utilisées comme substrat énergétique dans des situations particulières de stress. Un déficit glucidique prolongé va par exemple entraîner la conversion des acides aminés en glucose (voie de la néo-glucogénèse), au dépend des fonctions premières des protéines telles que le remodelage musculaire. [4]
A l’instar des lipides, même si les raisons sont différentes, apporter des protéines durant un effort d’endurance est donc théoriquement peu utile.
La voie annexe des corps cétoniques
Lorsque l’effort se prolonge, la déficit glucidique se creuse si l’on n’y prend pas garde et se répercute sur d’autres voies métaboliques. On touche ici du doigt la passerelle qui existe entre voie glucidique et voie lipidique que trop d’athlètes occultent :
Lorsque les glucides manquent, les produits de la beta-oxydation lipidique ne sont plus utilisés de manière optimale pour produire de l’ATP car le cycle de krebs de la mitochondrie ralentit. Dans le même temps, par soucis d’épargne des protéines, notre organisme va faire intervenir une voie annexe du métabolisme lipidique pour produire de l’ATP: la voie des corps cétoniques.
Leur synthèse survient au niveau du foie, à partir des lipides issus de la beta-oxydation qui n’ont pas la possibilité de poursuivre leur cheminement classique en raison du déficit en glucose. Les composés formés appelés corps cétoniques conduisent alors à la production d’ATP par des voies qui leur sont propres (cétolyse). Le rendement est assez faible : une vingtaine de molécules d’ATP est produite à partir d’une molécule de Beta-hydroxybutyrate par exemple (l’un des 3 corps cétoniques), contre, rappelons le, une trentaine de molécules d’ATP par molécule de glucose (cas de la glycolyse aérobie) et une centaine de molécules d’ATP par acide gras (cas de la beta oxydation empruntant le cycle de krebs).
Dans le prochain article, nous verrons comment utiliser ces connaissances pour construire sa stratégie de nutrition à l’effort!
Bibliographie :
[1] Institut Pasteur. (s.d.). Maladies mitochondriales. https://www.pasteur.fr/fr/centre-medical/fiches-maladies/maladies-mitochondriales
[2] Cahill, G. F. (2006). Fuel metabolism in starvation. Annual Review of Nutrition. https://doi.org/10.1146/annurev.nutr.26.061505.111258
[3] Brooks G.A., Fahey T.D., Baldwin K.M. (2005). Exercise Physiology: Human Bioenergetics and Its Applications. McGraw-Hill.
[4] Phillips S.M., Van Loon L.J.C. (2011). Dietary protein for athletes: From requirements to optimum adaptation. Journal of Sports Sciences. https://doi.org/10.1080/02640414.2011.619204