Afin de faciliter la compréhension de ce qui suit il ne serait pas inutile de consulter
l'introduction et le premier paragraphe de la Fiche 8.

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L'activité physique, par la dépense énergétique qu'elle occasionne, contribue à contrer la sédentarité que connaît l'homme des sociétés industrielles, sociétés dans lesquelles diverses machines ont éliminé le travail musculaire qui pendant des siècles avait été le principal moteur de nos activités. La sur-utilisation  des énergies fossiles se paie par la pollution et par une forme physique trop souvent fort approximative... bien que nous ayons une espérance de vie à la naissance qui s'accroit sans cesse. La baisse d'activité physique est souvent accompagnée  d'un régime alimentaire plus copieux qui ne correspond pas forcément à une amélioration de la diète, souvent mal équilibrée et surabondante, d'où une augmentation des maladies cardio-vasculaires souvent liées à l'obésité. Continuer de faire marcher ''la machine musculaire'' devient alors une activité vitale indispensable au maintien d'une bonne santé.
L'activité des cellules musculaires dépend de la respiration c'est la raison pour laquelle nous donnerons aussi un aperçu de la respiration cellulaire.

1. Quelques rappels fondamentaux.
1.1. Les unités de mesures. La calorie continue d'être utilisée comme unité énergétique pratique bien qu'elle soit  abandonnée aujourd'hui dans le Système International (SI).  Rappelons que la calorie est la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température de 1 g d'eau de 15 à 16^o C sous pression normale. Cette unité étant très petite on utilise la kilocalorie (kcal) qui vaut 1000 calories. Pour ce qui est de la nutrition on utilise souvent l'abréviation Cal (avec une majuscule) pour désigner une kcal. À tort, dans la plupart des écrits où l'on traite de nutrition et de régimes alimentaires, le mot calorie (avec un ''c'' minuscule) est utilisé pour signifier kilocalorie. Il faut s'adapter à cette erreur... Quand on dit qu'un homme de 70 kg faisant un travail modéré, a besoin de 2500 calories par jour, il s'agit en fait de 2500 kcal (= 2500 Cal = 2 500 000 calories). De même un gramme de glucide donne en brûlant complètement 4 calories... en fait 4 kcal. 
L'unité d'énergie du Système international (SI) est le Joule (Abréviation : J toujours avec une majuscule car le nom de l'unité dérive d'un nom propre, le physicien anglais Joule).
                            1 cal = 4,18 J d'où 1 kcal = 4,18 kJ (kilojoules)
1.2. Dépenses énergétiques.  L'homme au repos, en neutralité thermique (20^oC faiblement vêtu) et à jeun depuis 12 heures continue cependant de dépenser de l'énergie car certains travaux physiologiques ne peuvent être suspendus: travail cardiaque, pulmonaire, rénal,  renouvellement de la matière vivante (= turn over), tonus musculaire, etc; ceci constitue le métabolisme* de base (MB). Par contre, des dépenses, telles l'activité physique,  les travaux liés à l'alimentation (digestion et absorption),  notre lutte contre le chaud ou contre le froid, peuvent être provisoirement suspendues: ce sont les dépenses contingentes.  L'homme tire  l'énergie dont  il a besoin pour son MB et pour ses dépenses contingentes  de l'oxydation de certaines matières organiques contenues dans les aliments. Ces matières  appartiennent à trois grands groupes de substances, les protides, azotés; les lipides et les glucides. Toutes ces substances sont combustibles et fournissent, entre autres, l'énergie dont l'organisme a besoin. Par contre, notre organisme ne peut tirer aucune énergie des substances minérales. Par exemple, le gaz hydrogène (H2) pourtant hautement énergétique n'est d'aucun secours pour notre métabolisme. De même on ne tire aucune énergie du sel (Chlorure de sodium - NaCl - que l'on ajoute à nos aliments), pas plus que le l'eau, aliment indispensable.
1.3. Aperçu des méthodes de mesure des dépenses énergétiques des organismes.
La méthode directe qui consistait à mettre un individu dans un grand calorimètre pendant au moins 24 h n'est plus guère utilisée aujourd'hui (Cf. La chambre d'Atwater et Benedict). Actuellement on emploie une méthode dite de calorimétrie indirecte basée sur le coefficient thermique de l'oxygène (CTO)  et sur le quotient respiratoire (QR).  
 
                                                      QR = Vol. CO2 (rejeté)/Vol. O2 (absorbé)   
                               (Mêmes unités, même pression et même temps)

Exemple: L'oxydation complète du glucose, dans les cellules musculaires et nerveuses, par exemple, peut se résumer ainsi:
    C6H12O6  +  6 O2 ---→Substances intermédiaires ---→ 6 CO2 + 6 H2O + 680 kcal
                                                                                             ↓                                                                                (2842 kJ)                               Il faut 6 moles d'O2 c'est-à-dire 134,4 L  (22,4 L X 6) pour oxyder complètement 1 mole de glucose (180 g)

Lorsqu'un litre d'O2 est utilisé à l'oxydation totale du glucose, il y a libération de
                                                       
                                                                         680/134,4 = 5,05 kcal/L
 
5,05 kcal (# 5 kcal) est le coefficient thermique de l'oxygène  pour le glucose c'est-à-dire la quantité d'énergie qui est libérée quand un litre d'O2 est utilisé à l'oxydation complète du glucose. Pour ce qui est de l'oxydation complète du glucose on a:
                                                                       
                                                                             QR = CO2 rejeté (6 x 22,4) / O2 absorbé (6 x 22,4) = 1

Si au cours d'un exercice physique on mesure,  pendant le même temps,  le volume de O2 absorbé et le volume de CO2 rejeté et si le rapport VCO2/VO2 est égal à 1 on en déduit que le sujet a consommé du glucose pendant son exercice ce qui permet  de calculer immédiatement l'énergie dépensée à savoir:
E = (VO2 x 5) kcal.  Au cours d'un exercice aérobie, un individu normal consomme essen- tiellement du glucose lequel provient de l'hydrolyse du glycogène musculaire et hépatique et/ou de l'amidon  ou du saccharose; une partie du glucose peut également provenir de la dégration de certaines protéines. Une ingestion de glucose a l'avantage de donner quasi instantanément le ''combustible'' dont les cellules ont besoin.

                                         (C6H10O5)n  +  n H2O --------→n C6H12O6
                                          Glycogène                                      Glucose

De la même manière on a pu calculer le CTO pour les lipides et pour les protides ainsi que les quotients respiratoires (QR) correspondant. On peut résumer comme suit les données dont on se sert pour faire les mesures de dépenses d'énergie:

Lors du catabolisme respiratoire, les lipides et les glucides sont complètement oxydés et donnent finalement CO2 et H2O, énergétiquement vides pour l'organisme. Dans le cas de la fermentation lactique (Ac.lactique: CH3CHOHCOOH), les quantités d'énergie libérées sont inférieures à celles de la respiration car l'acide lactique contient encore de l'énergie potentielle chimique.
Au cours du catabolisme respiratoire, les protides sont incomplètement oxydés et génèrent, entre autres, de l'urée CO(NH2)2 qui est rejetée bien que contenant encore de l'énergie: l'urée constitue une fuite énergétique. Les protides libèrent donc dans l'organisme seulement 4 kcal/g  alors que dans un calorimètre où l'oxydation est poussée jusqu'à CO2 et H2O (+ déchets azotés minéraux), les  protides donnent 5,6 kca/g. Comme source d'énergie, les protides sont moins intéressants que les glucides car, d'une part ils génèrent de l'urée, qui en excès dans le sang demande un travail rénal supplémentaire et, d'autre part, une partie de leur énergie potentielle est perdue pour l'organisme (urée).
Remarque: les lipides sont une bonne source d'énergie (9kcal/g), toutefois, leur utilisation excessive n'est pas sans danger car, lors de leur catabolisme, ils génèrent des corps cétoniques qui acidifient le sang ce qui risque de provoquer un coma. Le coma des diabétiques insulino-sensibles a pour cause une augmentation de la teneur du sang en corps cétoniques

2.Dépenses énergétiques  de quelques activités physiques

Exemples:
- Dépenses d'un individu de 75 kg pratiquant le jogging à 7 km/h pendant 1h 20 :   0,120 x 80 x 75 = 720 kcal.
À supposer que le mélange (protides, lipides, glucides) utilisé  pour couvrir cette dépense ait un pouvoir calorifique d'environ 4,5 kcal/g, la perte de masse correspondant à cet exercice serait de 720/4,5 # 160 g, . Si l'organisme ne ''brûlait'' que des lipides, la perte de masse ne serait que de 720/9 # 80 g. À ces pertes de masse il faut ajouter une partie des pertes d'eau d'origine non métabolique. Rappelons que l'eau métabolique est celle qui résulte de l'oxydation des substances organiques que nous dégradons (=catabolisme). Cette eau est dite endogène
Remarque: les vers de farine qui vivent dans un milieu particulièrement sec sont cependant constitués de 60 à 65 % d'eau, eau qui ne provient que du catabolisme. Dans le cas de l'homme une partie de l'eau dont nous sommes constitués vient de l'extérieur, c'est de l'eau d'origine exogène.

- Dépense du même individu pratiquant la natation (brasse) pendant 30 minutes:  0,106 x 30 x 75 # 238 kcal
Pendant 1h20 on aurait une dépense de 635 kcal. Lutter contre la viscosité de l'eau coûte cher bien que nous soyons libérés de la pesanteur.

3. Aperçu de la respiration et de la fermentation lactique
                                        (du point de vue énergétique)

3.1. Dans la respiration comme dans  la fermentation lactique l’énergie potentielle chimique contenue dans les substances organiques (ici lipides et glucides) est libérée par ''petits paquets’’ (e1, e2, e3, en). Comme l’a fait remarquer le physiologiste hongrois Szent-Györgyi, les cellules ont besoin de ''petite monnaie énergétique''. Rappelons que toutes les réactions chimiques du métabolisme sont enzymatiques ce qui a pour effet d’abaisser les énergies d’activation. Les réactions chimique peuvent donc se produire à une température quasi constante (# 37^oC) compatible avec la vie. 

3.2. La transformation Glucose → Acide lactique via l’acide pyruvique est anaérobie mais libère cependant de l’énergie. Le glucose est oxydé en ac.pyruvique et ce dernier est réduit en ac.lactique.

                                            C6H12O6 → 2 CH3COCOOH + 4 H + E1        E1 > E2
                                                                                                           ↓                     ↓
                 2 CH3COCOOH + 4 H + E2 → 2 CH3CHOHCOOH
                  (ac. Pyruvique)                             (ac.lactique)

3.3 Le glycogène (C6H10O5)n est présent dans le foie et les muscles et constitue la source essentielle de glucose; quant aux lipides, les muscles y ont recours dès que les réserves de glycogène s’amenuisent. Bien qu’étant beaucoup plus énergétiques que les glucides, les lipides  présentent deux inconvénients majeurs : d’une part ils nécessitent beaucoup plus d’oxygène pour être dégradés et, d’autres part, leur catabolisme génèrent des corps cétoniques intermédiaires qui, à forte dose, sont toxiques, pouvant aller jusqu’à provoquer un coma. Le coma de certains diabétiques est dû à une surconsommation de lipides qui deviennent, avec les protides, les seuls ''combustibles'' utilisables (Ici il s’agit du diabète insulino-sensible)
Oxydation totale comparée du glucose et d’un acide gras saturé  ayant autant d’atomes de carbone.

3.4. Quand il y a un déficit d’oxygène dans le muscle, le catabolisme anaérobie lactique (=la fermentation lactique) devient prépondérante et il y a accumulation dudit acide d’où une baisse du pH (acidification) entraînant des crampes pouvant aller jusqu’au tétanos physiologique qui se traduit par une paralysie. Au repos l’excès d’acide lactique est reconverti en acide pyruvique lequel est alors soit complètement oxydé (respiration) soit transformé en glucose puis en glycogène; il y a également une partie de l’acide lactique qui est éliminée par les urines. Après un effort physique important l'intensité respiratoire demeure supérieure à ce qu'elle serait  au repos (sans avoir fait d'effort) car l'organisme emprunte davantage d'oxygène au milieu pour ''brûler'' une partie de l'acide lactique en excès, on parle de dette en oxygène.
Respiration et fermentation lactique ne s'excluent pas, la respiration est prépondérante dans les exercices de longue haleine (course de fond) alors que la fermentation est presque exclusive dans les exercices intenses et de courtes durée (Ex: course de 100m). Quand la respiration l'emporte nettement sur la fermentation on parle d'exercices aérobiques, dans le cas contraire on est dans le domaine anaérobique. Notons qu'un exercice violent et de courte durée est essentiellement anaérobique, il y a rapidement accumulation d'acide lactique d'ou l'impossibilité de continuer à un tel rythme.

3.5. L'ATP source immédiate d'énergie pour les cellules musculaires

Remarques:
- Signalons un autre intermédiaire énergétique, l'acide créatine phosphate (ACP)
- Souvent on agrémente la liaison qui unit les deux derniers phosphores (P) de l'ATP d'une ''liaison riche en énergie'' (P ~ P) en prétendant que la rupture de cette liaison  libère de l'énergie. Il n'en est rien. En chimie c'est quand une liaison est établie que de l'énergie est libérée. La rupture de la liaison  P ~ P non seulement ne libère pas d'énergie mais en demande ! En fait la transformation ATP →  ADP est bien exergonique (= libère de l'énergie) mais c'est le réarrangement des molécules dans les produits finals qui libère de l'énergie. En fait la liaison P ~ P est faible en énergie d'où la nécessité d'une énergie d'activation très faible pour amorcer la réaction ATP →  ADP, ceci explique la très grande instabilité de l'ATP.
Rappelons que lors de la formation d'eau à partir d'un mélange   1/2 O2   +   H2  l'énergie d'activation (la petite étincelle qui détermine l'explosion) rompt des liaisons  0-0  et  H-H et que c'est l'établissement des liaison H-O-H qui dégage une énergie énormément supérieure à l'énergie d'activation, d'où explosion.

4. Activité physique et perte de masse  (on parle souvent, à tort, de poids)
4.1. Indice de masse corporelle (IMC). Au XIX, le Belge Adolphe Quételet a établi une formule qui conduit à l'indice de masse corporel (IMC) considéré aujourd'hui encore comme une donnée essentielle pour avoir une idée de la masse idéale.

Maigre Normal Surpoids Obèse Femme           18     19              24 25              29 30 Homme  19 20              25 26              29 30  Ex: T = 1,78m  P = 80 kg  IMC = 25,25  (léger surpoids)

Attention ! Là où l'on met d'habitude une virgule (,) il faut mettre un point (.)
Exemple: un mètre quatre vingt un s'écrira:  1. 81 (et non 1, 81).                               

4.2. Poids et activité physique   
La perte de masse résultant de la pratique d'un seul exercice physique long et soutenu est faible voire  insignifiante. Ainsi, pour un individu de 75 kg venant de faire une douzaine  de  km  en 2 h  (ce qui correspond à une marche très active) la perte sera-t-elle d'environ 657 kcal soit une perte de masse d'environ 146 g de matières organiques mixtes et même encore moins s'il s'agit exclusivement de lipides auquel cas la perte  ne sera que de 73 g. On arrive à des pertes inférieures à 0,1 %  qui échappent à l'appareil qui nous permet de mesurer notre masse !
Doit-on alors conclure que les exercices physiques ne permettent pas de perdre de masse? Certainement pas. En fait l'exercice physique peut contribuer à une perte de masse dans la mesure où il est pratiqué régulièrement, avec suffisamment d'intensité et pendant un temps suffisamment long, d'au moins 7 à 8 semaines. Par exemple 12km en deux heures cinq fois par semaine  pendant deux mois. A long terme cet exercice physique aérobie entraînera:
- Une augmentation de la teneur en myoglobine des cellules musculaires. Rappelons que la myoglobine est une hémoglobine propre aux muscles et qu'elle facilite le transport de l'oxygène.
- Une augmentation de la taille et du nombre des mitochondries contenues dans les cellules musculaires, les mitochondries étant '' les centrales énergétiques'' qui produisent l'ATP, source immédiate de l'énergie des cellules.
- Une augmentation de l'amplitude cardiaque; au repos, le débit cardiaque c'est-à-dire le volume de sang expulsé dans l'aorte lors de chaque systole du ventricule gauche sera de 70 à 90 mL chez le sujet sédentaire alors qu'il sera de 100 à 120 mL chez le sujet entraîné. Durant l'effort on aura respectivement des débits de 100 à 120 contre 150 à 170 mL chez le sujet entraîné; de plus, au repos, le coeur de l'individu entraîné battra plus lentement ( 50 à 60/min contre 65 à 70 chez l'individu non entraîné ) tout en étant plus efficace à cause de ses amplitudes plus grandes.
- Une augmentation de la capacité pulmonaire vitale; un sujet moyen non entraîné aura une capacité de l'ordre de 3,5 à 4 L alors que le même sujet entraîné pourra atteindre plus de 6 L. Ceci a pour effet d'augmenter l'oxygénation au niveau des cellules.
- La vascularisation des muscles squelettiques et cardiaque (vaisseaux coronaires) sera améliorée grâce à la prolifération des capillaires ce qui entraînera un renouvellement plus rapide du sang.
- En dehors des questions de masse auxquelles on peut répondre partiellement par l'activité physique il faut noter que l'exercice physique diminue les risques d'excès de cholestérol et d'athérosclérose ainsi que les risques de diabète.
- Toute activité physique intense et de longue durée ne facilitera la perte de masse que dans la mesure où l'on surveillera son régime alimentaire. En bref régime alimentaire et activité physique sont les deux facteurs pouvant conduire à une perte de masse durable.
En résumé, à long terme, l'exercice physique aura pour effet d'augmenter considérablement l'apport d'O2 aux cellules ainsi que l'évacuation du CO2, d'où une bien meilleure ''combustion'' du glucose et des lipides qui, ne l'oublions pas, demandent beaucoup plus d'O2 que les glucides pour être totalement oxydées. L'individu entraîné ''tapera'' dans ses graisses dès le début de l'exercice sans attendre l'épuisement du glycogène. À long terme l'organisme verra donc ''fondre'' ses graisses et, même si la perte de poids n'est pas énorme, le poids dépendra beaucoup moins de la teneur du corps en lipides.
Notons enfin que les avantages de l'exercice physique au niveau du système cardiovasculaire se manifesteront non seulement pendant l'exercice mais aussi au repos y compris pendant le sommeil. Le MB aura tendance à augmenter ce qui fait qu'avec un apport calorique alimentaire identique on aura tendance à ''brûler'' davantage de substances organiques et, par suite, à perdre du poids.

Pour terminer: l'activité physique est donc essentiellement de nature musculaire; on peut améliorer le rendement de la ''machine musculaire'' par l'entraînement, c'est ainsi qu'un individu peu actif aura un rendement de l'ordre de 18 à 20%  tandis  qu'un  individu bien  entraîné  pourra  atteindre  les 25 à 30%. Grosso modo le rendement de la ''machine musculaire'' est supérieur à celui de la machine à vapeur (# 10%); il se compare à celui du moteur à explosion (de l'ordre de 20 à 25 %)
On a longtemps cru que la respiration cellulaire était assimilable à une combustion (lente !) du carbone et de l'hydrogène contenus dans les nutriments organiques; en réalité il s'agit d'une combustion lente du seul hydrogène, le CO2 produit étant arraché au substrat par des décarboxylases et ne produisant pas d'énergie. En fait il y a de très nombreuses réactions intermédiaires fort complexes et si l'on veut avoir une idée du phénomène, pour le glucose par exemple, on doit avoir recours à un petit artifice qui permet de donner l'équation globale et théorique suivante:
                    2C6H12O6  +  6O*2  →→→ C6H12O6  +  6CO2  +  6H2O* + Énergie
Si, lors d'un exercice (aérobie), on inhale de l'oxygène marqué (= oxygène radioactif) on constate que seul l'oxygène de l'eau formée est marqué. En bref la respiration consiste en une oxydation progressive de l'hydrogène contenu dans les nutriments organiques et notamment dans le glucose. La ''machine musculaire'' se comporte comme une espèce de moteur à hydrogène mais sans aucune explosion grâce aux enzymes qui abaissent les énergies d'activation ce qui nous permet de récupérer de la ''petite monnaie'' énergétique indispensable à la recharge des molécules d'ADP.

Un bon rythme garantissant un bon travail cardiaque dans un exercice aérobie de longue durée ne doit pas dépasser:
                                                       Rythme de ''croisière'':[(200 - âge)]

                                                                             © Les Fiches à Berca. Fiche revue en 10/09/2009

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Si vous voulez calculer votre dépense énergétique en rapport avec une activité physique, compte tenu de vos caractéristiques physiques et de votre âge, allez au site ci-dessous:

                                                                                              http://caloriesperhour.com
 

Métabolisme: ensemble des réactions chimiques qui se produisent chez un être vivant. Ces réactions sont toutes enzymatiques et se font dans des conditions de température et de pression compatibles avec la vie. Le métabolisme comprend:
- l'anabolisme où mécanisme de construction moléculaire (synthèse). L'anabolisme  consiste en une mise en ordre de la matière et est endergonique c'est-à-dire qu'il demande de l'énergie. La croissance, est typiquement un phénomène où domine l'anabolisme. Le grand phénomène anabolique de la biosphère est la photosynthèse. L'anabolisme est typiquement néguentropique c'est-à-dire qu'il lutte contre l'entropie ou désordre.
- le catabolisme ou phénomène de destruction moléculaire qui augmente le désordre (ou entropie) et qui libère de l'énergie. Les phénomènes cataboliques sont la digestion, la respiration et les fermentations.

Dans tout être vivant il y a simultanément des phénomènes anaboliques et des phénomènes cataboliques. Si le catabolisme l'emporte sur l'anabolique on aboutit à une déstructuration conduisant à la mort. On se ''dé-compose'' c'est-à-dire que l'on retourne au désordre.
                               '' Poussière nous étions, poussière nous retournerons!''

                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Retour