Découverte de la notion de bioénergétique : Introduction à la physio

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Introduction à la physio

Découverte de la notion de bioénergétique

INDEX

BPJEPS ACTIVITE DE LA FORME

Promo HM - 2024/2025

IV. Organes et tissus

V. Transformation de l'énergie

VI. Métabolique énergétique

VII. Les différents systèmes

INTRODUCTION

III. Métabolisme énergétique

INDEX

II. Complémentarité entre mondevégétal et monde animal

I. La notion d'energie

ntroduction

Illustration d'une mitochondrie

Définition

En bioénergétique l’unité de mesure de l’énergie est le joule (J) ou le kCal : 1kCal= 4,18 kJ

La bioénergétique est consacrée à l’étude des échanges et transformations d’énergie chez l’homme.

Découverte de la bioénergétique

citations

"Rien ne se perd, rien ne se crée. Tout se transforme…"

Les lois de la thermodynamique : (Lavoisier)

"Il n’y a pas de vie sans échanges et transformations d’énergie…"

II. Complémentarité entre monde végétal et le monde animal

I. La notion d'énergie

Energie mécanique

Energie thermique

Energie chimique

L'énergie, sous multiples formes est la clé fondamentale qui anime et gouverne les processus physiques et chimiques de notre monde, que ce soit sous la forme de réactions chimiques, de transferts de chaleur ou de mouvements physiques.

i. la notion d'energie

C’est la forme de sortie d’énergie la plus apparente chez l’homme : c’est l’énergie consommée pour le maintien de la posture, la réalisation des gestes et des mouvements.

A. energie mécanique

La majorité des êtres vivants tolèrent mal les variations de température corporelle (ex: halètement du chien). C’est pourquoi l’énergie thermique doit être échangée avec l’environnement

Les mammifères (donc l’homme) sont des endothermes (c’est-à-dire que nous produisons nous-même notre chaleur)

Toutes les transformations énergétiques de l’organisme s’accompagnent du dégagement d’une certaine quantité de chaleur

B. energie thermique

VOIR CNRS 2001

L’Homme est un hétérotrophe car il utilise comme source d’énergie, seulement l’énergie chimique constitutive d’un certain nombre de molécules organiques complexes : les lipides,les glucides,et les protides d’origine animale ou végétale.

C. Energie chimique

CRNS 2001

2000

2200

2500

2700

Femme 41-60 ans 60 kg

Femme 20-40 ans 60 kg

Homme 41-60 ans 70 kg

Homme 20-40 ans 70 kg

Pour les glucides : 1g = 4kCalPour les lipides : 1g = 1kCalPour les protides : 1g = 4kCal

C. Energie chimique

Les réactions aboutissant à l’assemblage de petites molécules en molécules plus volumineuses que la cellule utilise pour construire des éléments structuraux : c’est l’anabolisme.

Les réactions qui aboutissent à la dégradation de molécules organiques (comme les glucides, lipides, protéines) : c’est le catabolisme.

« Le métabolisme » désigne l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent dans un organisme vivant. Il comprend des milliers de réactions chimiques complexes, coordonnées, efficaces d'une cellule.

Définition

Le saviez-vous ?

III. Fonctionnement chez l'homme

I. La notion d'énergie

II. Complémentarité entre monde végétal et le monde animal

Echanges gazeux

CO

+ déchets organiques

Oxygène = O

Sels minéraux

CO

Energie lumineuse

II. Complémentarité entre monde végétal et le monde animal

Echanges gazeuxeau/air

Le principe de la photosynthèse

Sels minéraux

Dioxyde de carbone = CO

GlucidesLipides Protéines

Chlorophylle Energie chimique

Oxygène = O

Energie lumineuse

CO

La photosynthèse

Cette notion de transformation de l'énergie est vraie à l'échelle de la cellule, de l'organe, de l'organisme, mais aussi à l'échelle de la Planète, entre l'environnement et les êtres vivants.

Bilan énergétique : 6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse → C6H12O6 (glucose) + 6 O2

La photosynthèse a pour but de créer de l'énergie (sous forme de glucide) à partir de l'énergie lumineuse provenant du soleil.

Exemple :

IV. Organes et tissus

II. Complémentarité entre monde végétal et le monde animal

III. Fonctionnement chez l'homme

Assemblée Générale du 16 Mai 2017 - Exercice 2016

Déf : « Ensemble des organes qui constituent un être vivant »

La physiologie étudie le rôle, le fonctionnement et l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants. La physiologie étudie également les interactions entre un organisme vivant et son environnement.

III. Fonctionnement chez l'homme

III. Fonctionnement chez l'homme

Diaphragme

Bronchiole

Bronche

Poumon

Trachée

Bouche

Nez

Le système respiratoire

Il assure en permanence l’oxygénation du sang (O2) et l’élimination du gaz carbonique qu’il contient (CO2).

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Vaisseaux sanguins

Veines

Artères

Coeur

Le système cardiovasculaire

Il achemine continuellement à toutes les cellules de l'organisme le sang oxygéné contenant des nutriments.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Muscle long péronier

Muscle vaste externe

Muscle vaste interne

Muscle grand oblique de l'abdomen

Muscle grand dentelé

Muscle petit oblique

Muscle grand droit

Muscle brachial

Muscle deltoïde

Muscle sterno-cléido-mastoïdien

Muscle sterno-cléiodo-hyoïdien

Muscle trapèze

Muscle sterno cléido mastoïdien

Muscle Orbiculaire de la bouche

Muscle Orbiculaire de l'oeil

Muscle frontal

Le système musculaire

Il est composé de l’ensemble des muscles du corps. Il permet les manipulations d’objets dans l’environnement, la locomotion et l’expression faciale.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Côtes

Vertèbres lombaires

Coccyx

Sacrum

Radius

Cubitus

Humérus

Sternum

Omoplate

Manubrium

Colonne vertébrale :

Clavicule

Vertèbres Cervicales

Mandibule

Crâne

Le système osseux (squelettique) 1/2

Il protège et soutient les autres organes.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Phalanges

Métacarpes

Carpes

Tarses

Phalanges

Métatarses

Tarses

Péroné

Tibia

Rotule

Fémur

Le système osseux (squelettique) 2/2

Il constitue une charpente sur laquelle les muscles agissent pour produire les mouvements.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Système nerveux périphérique

Nerfs

Système nerveux central

Moelle épinière

Cervelet

Cerveau

Le système nerveux

Il régule les différentes activités du corps. Il analyse des informations. Il active les muscles appropriés.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

Ovaire (chez la femme)

Rein

Foie

Thymus

Glande thyroïde

Glande pinéale

Glande pituitaire

Hypothalamus

Une hormone est une molécule (chimique) messager sécrété par une cellule endocrine.

Le système endocrinien

Il régule par les hormones circulant les différentes activités du corps comme la croissance et la reproduction.

Les différents systèmes

III. Fonctionnement chez l'homme

V. Transformation de l'énergie

IV. Organes et tissus

Estomac

Epitelium

Sang

Tissu nerveux

Tissu conjonctif

Tissu musculaire

vI. Organes et tissus

"Les tissus sont des groupes des cellules semblables qui remplissent une même fonction. "

"L'organe est une partie d’un organisme vivant qui remplit une fonction particulière et il est composé d’au moins deux types de tissus"

3 types de tissus : Tissu musculaire squelettique Tissu musculaire lisse Tissu musculaire cardiaque

Le tissu musculaire est composé des cellules musculaires qui produisent le mouvement ou la contraction musculaire. Il est bien vascularisé (sang).

A. Tissu musculaire

vI. Organes et tissus

des tailles diverses; des formes diverses; des fonctions diverses.

Dans l’organisme humain, on trouve 200 types de cellules :

Elle est l’unité de construction des êtres vivants. Elle est un élément microscopique.

B. La cellule

vI. Organes et tissus

Lymphocyte

Hématie

Cellule glandulaire

Cellule nerveuse

Cellule musculaire

Cellule dermique

Cellule osseuse

Cellule conjonctive

Ovocyte

Spermatozoïde

Divisions cellulaires

B. La cellule

vI. Organes et tissus

schéma vierge :

B. La cellule

vI. Organes et tissus

Titre : Schéma simplifié d'une cellule

Cytoplasme

Noyau

Membrane

1. Membrane plasmique : elle forme la limite extérieure de la cellule. 2. Cytoplasme : c’est le liquide intracellulaire rempli d’organites. 3. Noyau : il régit toutes les activités de la cellule.

3 régions principales :

Modèle simplifié

B. La cellule

vI. Organes et tissus

Double couche lipidique

Protéines

1.Elle délimite la cellule. 2.Elle forme une barrière à perméabilité sélective. 3.Elle intervient dans le transport de substances

Membrane plasmique

B. La cellule

vI. Organes et tissus

C’est la région de la cellule située entre le noyau et la membrane plasmique.

le cytoplasme

B. La cellule

vI. Organes et tissus

1. Le cytosol : un liquide visqueux 2. Les organites cytoplasmiques

Il est formé de deux principaux éléments :

Crêtes

Matrice

Membrane mitochondriale interne

Membrane mitochondriale externe

C’est « la centrale énergétique de la cellule. » C’est un organite cellulaire situé dans le cytosol.

la mitochondrie

B. La cellule

vI. Organes et tissus

En présence d’O2, elle convertit efficacement en ATP l’énergie contenue dans les nutriments. Les « déchets produits » sont H2O et CO2.

Nucléole

Membrane plasmique

Mitochondrie

Cytoplasme

Réticulum endoplasmique lisse

Centrosome

Appareil de Golgi

C’est le centre de régulation de la cellule. Il contient l’ADN et donne les instructions pour la fabrication des protéines. Cellules musculaires = multi nucléés Globules rouges = anucléées

le noyau

B. La cellule

vI. Organes et tissus

En présence d’O2, elle convertit efficacement en ATP l’énergie contenue dans les nutriments. Les « déchets produits » sont H2O et CO2.

Myofibrille

Actine

Myosine

Sarcomère

Vaisseaux sanguins

Fibres musculaires

Fascia

Muscle

Grosse consommatrice d’énergie.Caractéristique principale de cette cellule : Elle transforme une énergie chimique en une énergie mécanique, lors de la contraction musculaire et produit une énergie thermique !

la cellule musculaire

B. La cellule

vI. Organes et tissus

Cette transformation se fait grâce à des réactions chimiques, au sein de la cellule.

VI. Métabolisme énergtique

IV. Organes et tissus

V. Transformation de l'énergie

pERTES D'énergie sous forme de chaleur

(=forme finale)

énergie mécanique

(= forme intermédiaire)

pERTES D'énergie sous forme de chaleur

ATP

Source initiale

énergie potentielle des aliments

A. dans la cellule musculaire

V. Transformation de l'énergie

L’énergie utilisée pour toutes les fonctions cellulaires est celle contenue dans la molécule d’ATP (= Adénosine Tri Phosphate).

B. Au sein de l'organisme

V. Transformation de l'énergie

C’est la seule forme d’énergie directement utilisable !

L'organisme, ainsi que la cellule musculaire, possèdent des réserves d'énergie non directement utilisables : Phosphocréatine, Glucides, Lipides.

Il est donc impératif de renouveler en permanence l’ATP, à la même vitesse qu’il est dégradé ! (Turnover)

L'ATP est la seule source d'énergie directement utilisable.Très peu de réserve d’ATP dans nos cellules.

C. Au sein de l'organisme

V. Transformation de l'énergie

On parle de « Turnover de l'ATP ».

« Nécessité vitale de maintenir en permanence un équilibre, à l'échelle de l'organisme, entre apport et dépense d'énergie, … ce qui se traduit, à l'échelle de la cellule, en un équilibre entre production et utilisation de l'ATP ».

Production d’ATP

Consommation d’ATP

D. notion d'homéostatie énergétique

V. Transformation de l'énergie

En fonction des caractéristiques de l’exercice : Durée, Intensité, fréquence des contractions...… Le maintien de l’homéostasie énergétique se fera en sollicitant différentes voies métaboliques = « filières énergétiques »

ADP + Pi

Energie pour les fonctions cellulaires.

ATP

Dégradation des substrats énergétiques (=nutriments)

La vitesse du turnover détermine la puissance !

Il existe un impératif dans la cellule : Renouveler en permanence l’ATP, à la même vitesse qu’il est dégradé

E. le turnover de l'ATP

V. Transformation de l'énergie

L’énergie se trouve dans les liaisons entre les atomes

PAS RENTABLE (lipides/glucides/protéines)

ATP stocké : 10 kCal / 500g

Nous n’avons pas ou peu de réserves d’ATP dans nos cellules musculaires. ATP stocké : 10 kCal / 500g

F. leS SUNSTRATS éNERGéTIQUES

V. Transformation de l'énergie

Rôle : Structure (cellulose et chitine) Energie (glycolyse)

Glucose = C6H12O6

Polysaccharides (amidon/glycogène)

Disaccharides (saccharose/maltose/lactose)

Monosaccharides (glucose/fructose/galactose)

Les glucides

Nous n’avons pas ou peu de réserves d’ATP dans nos cellules musculaires. ATP stocké : 10 kCal / 500g

G. Caractéristiques des substrats énergétiques

V. Transformation de l'énergie

Gras saturés : gras animal (solide à température ambiante) Gras insaturés = gras végétal (liquide à température ambiante)

Stéroïdes (cholestérol/testostérone…)

Phospholipides

Triglycérides (1 glycérol + 3 Acides gras)

Les lipides

G. Caractéristiques des substrats énergétiques

V. Transformation de l'énergie

Rôle : Structure / transport des molécules / régulation des hormones / métabolisme des enzymes …

Etc.

EAA

BCAA (leucine/isoleucine/valine)

Les protéines = groupement d'acides aminés

G. Caractéristiques des substrats énergétiques

V. Transformation de l'énergie

Grâce à l'intervention de l'oxygène (02), cette transformation de l'énergie est complète et permet donc de retirer un maximum d'énergie de la source initiale pour produire de grandes quantités d'ATP !

Ce que l’on appelle « métabolisme » correspond à une succession de réactions chimiques entre des molécules, afin de transformer une source d’énergie initiale (= nutriments) en une forme qui soit utilisable directement par la cellule, l'ATP.

Conclusion

V. Transformation de l'énergie

Le trajet de l'oxygène

Groupe musculaire

Système cardio-circulatoire

Système respiratoire

Air ambiant

Utiliser

Transporter

Prélever

Conclusion

V. Transformation de l'énergie

... Et de manger !

Ne pas oublier de respirer

Conclusion

V. Transformation de l'énergie

V. Transformation de l'énergie

VII. Les différents systèmes

VI. métabolisme énergétique

Introduction

Glycose et lipolyse aérobies

Glycose anaérobie

Dépense énergétique totale

Dépense énergétique

ATP - CP

2 h

10 mins

2 mins

1 mins

10 s.

Temps

Vi. Métabolisme énergétique

Graphique : Les filières énergétiques et leur délai d'intervention. D'après Howald, 1974.

Hydrolyse de l’ATP (dégradation par l’eau) :

H+ (proton) est responsable de l’acidose cellulaire Le Mg permet de transporter les molécules de Pi Intervention de l’H2O d’où la notion d’hydrolyse

ATP = ADP+Pi oui mais : Mg.ATP +H20 <=> Mg.ADP + HPO4 + H+

VI. métabolisme énergétique

Chacune des 3 filières est définie par : - son inertie = le « délai » de mise en route - sa puissance = le « débit » de production d'énergie (= vitesse du turnover et de la resynthèse de l'ATP) - sa capacité = la quantité totale d'énergie qu'elle est capable de fournir

Production d'énergie

Les réactions ont lieu dans le cytoplasme (système 1 et 2) et mitochondrie (système 3) La glycolyse est par définition qu’anaérobie (glucose -> pyruvate)

3 systèmes imbriqués : Anaérobie alactique / Phosphorylation (ou pool des phosphagènes) Anaérobie lactique ou glycolyse anaérobie Aérobie ou voie oxydative

VI. métabolisme énergétique

*Energie

Capacité = "volume" ou réserve totale d'énergie utilisable

Puissance = "débit" quantité d'énergie fournie par unité de temps

Contraction

E*

Anaérobie alactique

Anaérobie lactique

Aérobie

Notion de robinet et réservoir

VI. métabolisme énergétique

VI. Métabolisme énergétique

Vii. les différents systèmes

L’enzyme myokinase permet de resynthétiser à partir de 2 ADP

Utilisation de la PhosphorylCréatine (PCr) pour resynthétiser l’ATP grâce à l’enzyme CPK (créatine phosphokinase)

[ATP] diminue lorsque le muscle est en activité

système 1 : Anaérobie alactique

Vii. les différents systèmes

Autre exemple

Très élevée, 100kcal/min, 3 à 5s; Capacité : 30sEx : sprints, lancés, sauts, RM …

Quelque soit le niveau de l’intensité du travail musculaire, prévient la chute de l’ATP.

Très faible, voire nulle !

Puissance :

Lactate

Inertie :

SANS oxygène et SANS production de lactate

Métabolisme Anaérobie Alactique (A.A)

Vii. les différents systèmes

Démarrage très court, Puissance très élevée, Distance parcourue très faible

ATTENTION ! Pas de présence d’O2 dans les réactions, mais un muscle sous occlusion ne peut synthétiser la PCr ! L'énergie issue de la mitochondrie est essentielle. Cette réaction consomme des H+ (réduit PH) et refait les stocks d’ATP !

AMP

ATP

MK

ADP

ADP

Cr

ATP

CPK

PCr

ADP

ATTENTION ! Nécessité d’O2 pour la régénération des stocks (durée de récup = environ 6min)

Facteur limitant : réserves en PCr (25µmol/g de muscle)

bILAN

Vii. les différents systèmes

*NAD = Nicotinamide Adénine Dinucléotide

Oxydo-réduction des NAD* qui permet la production de lactate

Glycogénolyse = 3 ATP Glycolyse = 2 ATP

Utilise la glycolyse pour la resynthèse d’ATP. 1 glucose = 2ATP 1 glycogène = 3 ATP (passage du glucose sous « forme active » demande 1 ATP)

système 2 : Anaérobie lactique

Vii. les différents systèmes

Exemple

Elevée, (durée de 10 à 40s)Capacité : Faible, entre 2 et 3min

Faible (mise en route environ 10s)

Puissance :

Lactate

Inertie :

SANS oxygène et AVEC production de lactate

Métabolisme Anaérobie lactique (A.l)

Vii. les différents systèmes

Démarrage court, Puissance élevée, Distance parcourue moyenne

2 ATP

CH

OH

2 ADP + 2 PI

2 lactates

2 pyruvates

Glucose

2 NADH + 2H

2 NAD

Glycolyse

Récupération passive : 1h30 / active : 20min pour retour à la lactatémie basale

Facteur limitant : Vitesse de transport du lactate à travers la membrane des mitochondries par le MCT. Cadence des enzymes LDH (passage du pyruvate au lactate) qui gère le cycle de Krebs.

2 ATP

CH

OH

2 ADP + 2 PI

2 lactates

2 pyruvates

Glucose

2 NADH + 2H

2 NAD

Glycolyse

Métabolisme Anaérobie Alactique (A.A)

VI. métabolisme énergétique

Citrate

Corps cétoniques

CYCLE DE KREBS

Lactate

ValineLeucineIsoleucine

Urine

Urée

Ammoniac

Acétyl-CoA

Alamine

Oxaloacélate

Pyruvate

DESAMINATION

Acides aminés

Glucose / Glycogène

GLYCOLYSE

BÊTA-OXYDATION

PROTEINES

HYDRATES DE CARBONE

LIPIDES

Acide gras + glycérol

Système 3 : Aérobie

VI. métabolisme énergétique

Bilan : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 31 ATP → Dégradation complète avec CO2 et H2O

Durée de régénération des stocks de glycogène = 24 à 32h

Utilise la glycolyse aérobie pour la resynthèse d’ATP. 1glucose = 31ATP

Système 3 : Aérobie

Capacité : très élevée (dépend du % de VO2max), théoriquement illimitée.

même si les réactions oxydatives fonctionnent en permanence

Exemple

Faible à moyenne (en fonction de VO2max), environ 5 à 7min (PMA)

Moyenne (2 à 3min)

Puissance :

Inertie :

En présence d'oxygène

Métabolisme Anaérobie Alactique (A.A)

Vii. les différents systèmes

Démarrage lent,Puissance faible à moyenne, Distance parcourue très élevée

Facteur limitant : VO2max, épuisement des réserves de glycogène et enzyme du cycle de Krebs, motivations…

Etape 3 : Acéthyl CoA entre dans le cycle de Krebs et s’enchaîne 8 réactions chimiques qui vont donner du CO2 et H2O en grande quantité !

Etape 2 : pyruvate devient acéthyl-CoA afin de pouvoir commencer une série de réactions : cycle de Krebs.

Etape 1 : entrée du lactate dans la mitochondrie marque le début du processus aérobie

Métabolisme Anaérobie Alactique (A.A)

Vii. les différents systèmes

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