Comment l'oxygène arrive t-il dans nos muscles pour oxyder les nutriments ? En quoi la FC est elle un bon indicateur de ce fonctionnement, et comment peut on l'utiliser pour l'entraînement ?

1. Les systèmes respiratoires et cardiovasculaires

Nous avons vu que les muscles devaient utiliser l'oxygène pour dégrader les nutriments et extraire de l'énergie (voir sport et filières énergétiques). Cette capacité à utiliser l'oxygène est le principal facteur limitant de l'exercice aérobie, et elle revêt donc une importance capitale sur toutes les épreuves d'endurance.

L'air est composé de 21% d'oxygène et de 79% d'azote (+ environ 0.03% de CO2). L'organisme ne sait consommer que de l'oxygène, il n'y a pas de consommation d'azote. Au repos, chaque inspiration amène environ un demi-litre d'air dans les poumons et ceci en moyenne 16 fois par minute, afin d'approvisionner les muscles en oxygène et d'évacuer le CO2. A l'effort, la demande d'oxygène étant supérieure, ces valeurs augmentent considérablement.

Lorsque l'air arrive aux poumons, les gaz vont diffuser librement à travers les alvéoles pulmonaires pour rejoindre la circulation sanguine. Une fois dans le sang, l'oxygène se fixe sur l'hémoglobine, une protéine contenue dans les globules rouges du sang. La circulation du sang dans l'organisme se fait ensuite grâce au système cardiovasculaire.

Le sang qui s'est chargé en oxygène au niveau des poumons va rejoindre la partie gauche du cœur. Une fois cette partie gauche remplie de sang, le cœur va se contracter et va éjecter le sang dans une grosse artère, l'aorte, pour qu'il rejoigne les autres vaisseaux sanguins : le sang va alors passer de gros vaisseaux comme les artères à des vaisseaux plus petits pour arriver aux niveaux des cellules musculaires à des très petits vaisseaux appelés capillaires sanguins. Comme ces derniers vaisseaux sont très fins, le sang circule plus lentement, et l'oxygène va avoir le temps de se détacher de l'hémoglobine. Il va pouvoir ensuite pénétrer librement dans la cellule car les parois des capillaires sont très fines. Tout l'oxygène ne peut pas entrer, une partie reste toujours dans le sang, accroché à l'hémoglobine.

Une fois à l'intérieur de la cellule, l'oxygène est transportée par la myoglobine, une sorte d'hémoglobine intramusculaire. C'est celle-ci qui va amener l'oxygène dans la mitochondrie. En plus de son rôle de transporteur, la myoglobine est capable de stocker une petite quantité d'oxygène, ce qui lui permet lors d'un effort de fournir la mitochondrie sans attendre que le système cardiovasculaire ait atteint sa pleine mesure. Une fois dans la mitochondrie l'oxygène va être utilisé pour libérer de l'énergie nécessaire à la resynthèse de l'ATP.

Après avoir approvisionné les muscles en O2, le sang récupère le CO2 produit durant les réactions d'oxydations, puis il remonte jusqu'à la partie droite du cœur. Le sang est alors pauvre en O2 et riche en CO2. Une fois dans la partie droite du cœur, il va être expulsé vers les poumons où il va pouvoir rejeter le CO2 et se ré approvisionner en O2. Le sang aura ainsi fait le tour de l'organisme.

Au repos, la totalité du sang de l'organisme (5 litres en moyenne) fait le tour en 1 minute. On dit alors que le débit cardiaque est de 5 litres par minutes. A l'exercice, il peut être multiplié par 8, c'est-à-dire que le sang fait 8 fois le tour de l'organisme en 1 minute.

Ce débit cardiaque correspond en fait à la multiplication de 2 valeurs :

le volume de sang éjecté à chaque contraction par la partie gauche du cœur

le nombre de fois par minute où la partie gauche du cœur se contracte et éjecte le sang qu'elle contient : c'est la fréquence cardiaque


Pour augmenter le débit cardiaque à l'effort et donc apporter davantage d'oxygène aux muscles, l'organisme éjecte un plus grand volume de sang à chaque contraction et augmente sa fréquence cardiaque, c'est-à-dire le nombre de ses contractions.

La fréquence cardiaque est donc un très bon indicateur de l'effort, et elle est très facile à mesurer en utilisant un cardiofréquencemètre. C'est pour cela qu'elle est régulièrement utilisée pour le suivi de l'entraînement.


2. Evolution de la fréquence cardiaque à l'effort

La fréquence cardiaque est proportionnelle à l'intensité de l'effort et sa mesure permet donc de se rendre compte de l'impact d'un exercice sur notre organisme.

- Lors d'un effort d'intensité croissante, elle augmente régulièrement jusqu'à atteindre un maximum.

- Lors d'un exercice continu à intensité constante, on observe tout d'abord une augmentation rapide de la fréquence cardiaque, qui correspond à une phase d'adaptation du système cardiovasculaire, puis à une stabilisation tout au long de l'exercice. Néanmoins, plus l'exercice est intense et plus la FC dérive légèrement vers le haut, et ne se stabilise donc jamais totalement. A l'arrêt, la FC chute rapidement puis revient doucement à sa valeur de repos. Plus l'exercice a été intense, plus la FC met du temps pour revenir à sa valeur de repos.

- Lors d'un exercice fractionné, on assiste à la répétition pour chaque fraction d'effort de ces 3 phases caractéristiques : phase d'adaptation, état stable avec légère dérive vers le haut si l'intensité est importante, et une chute à l'arrêt de l'effort.

- Durant des efforts longs et difficiles, on peut également observer une dérive vers le bas de la fréquence cardiaque. La plupart du temps, ce phénomène se produit lorsque la vitesse de course diminue, bien que le sportif cherche à la maintenir. En fait, le coeur pourrait apporter davantage de sang et donc plus d'oxygène aux muscles, mais les fibres sont fatiguées ou manquent de glycogène et elles ne peuvent donc pas utiliser l'oxygène. La limite est donc musculaire, et l'organisme s'adapte en apportant moins de sang aux muscles puisqu'ils n'en n'ont pas besoin : la FC diminue, et la vitesse également. Cette observation est courante sur les derniers km d'un marathon par exemple.


3. Utilisation de la FC pour l'entraînement

On peut utiliser la FC pour observer ses progrès ou bien pour fixer son effort (par exemple en s'obligeant à rester dans une fourchette cible de valeurs qui correspond à l'allure que l'on souhaite travailler). Cependant, elle doit toujours être mise en relation avec ses sensations et si possible avec la vitesse de course.

Les valeurs que l'on peut relever durant un entraînement sont :

La FC atteinte à chaque vitesse de course et la FC moyenne : permet de voir dans quelles zones on a travaillé, et d'évaluer l'impact de la séance sur l'organisme.

La dérive cardiaque : elle compare les niveaux max et min de FC à chaque fraction lors d'un entraînement intermittent. Plus l'écart entre ces valeurs augmente durant la séance, plus l'entraînement a été difficile. Au contraire, une stabilité montre que la séance a facilement été encaissée.

La rapidité de la récupération : plus la FC redescend vite et plus on récupère bien.

=> Si entre deux entraînements similaires à même intensité, on observe des valeurs de FC plus basse lors du 2ème, c'est certainement que l'on a progressé et que l'entraînement va dans le bon sens.

En général, des valeurs de FC faible signifient que l'exercice a eu un moindre impact sur l'organisme. Cela peut révéler un très bon état de forme, ou un exercice trop facile. Cependant, un sportif peut aussi être très fatigué, manquer de motivation et donc ne pas réussir à élever sa FC.

--> L'analyse doit donc toujours être mis en relation avec la vitesse de course et les sensations de l'athlète.

La FC peut également être mesurée au repos, afin d'observer les effets d'un programme d'entraînement. Pour pouvoir être comparée,lLa FC de repos doit toujours être prise au même moment de la journée et dans les mêmes conditions. C'est au milieu de la nuit qu'elle est la plus basse, donc le meilleur moment est de la mesurer au réveil.

Avec l'entraînement, la FC de repos diminue car le cœur est devenu plus gros : il est capable d'éjecter davantage de sang à chaque contraction, donc n'a pas besoin de se contracter souvent pour approvisionner l'organisme.

Attention cependant car une FC basse peut également être le signe d'un surentraînement et d'une fatigue générale.


4. La consommation d'oxygène (VO2)

Lors d'un exercice d'intensité croissante, la consommation d'oxygène augmente proportionnellement à l'intensité jusqu'à un certain point. Au-delà, toute nouvelle augmentation de l'intensité n'entraîne plus d'augmentation de la consommation d'oxygène : on dit que le sportif a atteint sa VO2 max. Cette valeur correspond à la plus grande quantité d'oxygène qu'un individu peut consommer par unité de temps au cours d'un exercice. Au-delà de la VO2max toute énergie supplémentaire provient exclusivement de la filière anaérobie lactique.

Lors d'un exercice d'intensité constante, la VO2 augmente très rapidement au début de l'exercice, puis plus lentement jusqu'à atteindre un état d'équilibre ou son niveau maximal.

Cette VO2max est le plus important facteur des performances aérobies. Elle s'exprime en litre par minute (l/min), ou millilitre par minute et par kilogramme de poids corporel (ml/min/kg). Un sédentaire a une VO2 d'environ 40 ml/min/kg, alors qu'un sportif d'endurance de haut niveau peut atteindre des valeurs comprises entre 70 et 90 ml/min/kg.

La limite à la consommation d'oxygène n'est pas liée à la ventilation : on peut toujours amener plus d'air aux poumons.

En revanche, la VO2 est limitée par le transport de l'oxygène dans le sang (nombre de globules rouges) et par l'utilisation de cet oxygène au niveau des muscles. A ce niveau, c'est par le nombre et la taille des mitochondries, ainsi que par la vitesse des réactions du cycle de Krebs (liées à l'activité des enzymes) que la VO2 est limitée. En parallèle, les réactions anaérobies vont beaucoup plus vite et provoquent l'acidité du muscle.


5. La Puissance et la Vitesse Maximale Aérobie : PMA et VMA

La puissance à laquelle est atteinte la VO2max lors d'un test d'intensité croissante est la PMA : Puissance Maximale Aérobie. Elle s'exprime en Watt. En course à pied, on parle de VMA (vitesse maximale aérobie) qui est la vitesse de course à laquelle est atteinte la VO2max.

Cette VMA dépend donc de la VO2max mais aussi de la technique dans l'activité. En effet, un cycliste de haut niveau par exemple aura une très bonne VO2max, mais une VMA relativement faible par rapport à ses capacités aérobies car il n'est pas habitué à courir. Il ne pourra pas réaliser de bonnes performances en course à pied. Une bonne VO2max est donc une condition nécessaire mais pas suffisante pour réaliser de bonnes performances en course à pied.

En course à pied, les performances sont fortement corrélées à la VMA, notamment sur les distances qui vont de 3000m à 10km. Néanmoins, pour des distances très courtes ou très longues, la corrélation entre la VMA et la performance est moins évidente : sur 800m, les qualités anaérobies seront également un facteur majeur ; sur marathon, ce sera surtout la capacité à maintenir longtemps un certain pourcentage de VMA qui sera déterminant.


6. Le seuil anaérobie

Lors d'un test d'intensité croissante, le volume d'air expiré (VE) augmente linéairement avec l'intensité et la VO2. Puis il s'élève de manière plus prononcée à partir d'un certain point, augmentant plus rapidement que la VO2. Ce point de décrochage pour lequel VE augmente plus rapidement que la VO2 est le seuil anaérobie. A ce point, le volume de CO2 rejeté (VCO2) devient plus important que la VO2. Le quotient respiratoire (VCO2 / VO2) devient donc supérieur à 1. Ce point est nommé seuil anaérobie.

Cependant, il est bien souvent très difficile de définir précisément un point, et on parle donc maintenant davantage de zone de transition aérobie - anaérobie.

L'allure de course dans cette zone correspond grossièrement au footing rapide, mais le temps de soutien à cette allure ainsi que le pourcentage de VMA auquel elle est située, est extrêmement variable selon les sportifs. Ce qui est clair, c'est qu'au dessus de cette zone, les lactates commencent à s'accumuler de façon plus importante et qu'il devient difficile de maintenir sa vitesse pendant longtemps.


7. Les effets de l'entraînement aérobie

L'entraînement aérobie a pour but d'améliorer le transport de l'oxygène par le sang et son utilisation par les muscles. Il amène des modifications physiologiques observables au repos et durant l'exercice.


7.1 Modifications au repos


Au niveau du système cardiovasculaire, on observe une augmentation :


- de la surface d'échange entre le poumon et le sang (plus grand nombre d'alvéoles perfusés)
- du nombre de globules rouges et du volume sanguin
- du nombre et de la densité des capillaires sanguins entourant les fibres musculaires
- de l'épaisseur et du poids du coeur


Au niveau des muscles sollicités par l'activité physique, on observe une augmentation :


- de la quantité de myoglobines
- du nombre et de la taille des mitochondries
- de la quantité et de l'activité des enzymes du cycle de Krebs
- de l'activité de la chaîne respiratoire
- de la quantité de glycogène stockée
- du taux de triglycérides intramusculaire (réserves de lipides situés dans le muscle)
- de la quantité et de l'activité des enzymes assurant l'oxydation des lipides


7.2 Modifications durant l'exercice

Pour une même intensité d'effort, l'exercice devient moins sollicitant après une période d'entraînement.

On observe pour la même intensité sous maximale :

- une baisse de la fréquence cardiaque associée une hausse du volume de sang éjecté à chaque contraction.
- une plus grande quantité d'oxygène extrait par les muscles
- une économie du glycogène musculaire associée à une utilisation accrue des lipides
- une baisse de la production de lactates

Pour des efforts d'intensité maximale, on observe une augmentation :

- de la VO2max et de la VMA
- du débit cardiaque par élévation du volume de sang éjecté à chaque contraction
- du débit sanguin au niveau des muscles actifs.