Chapitre 2 : La dépense énergétique liée à l’effort physique

Les cellules musculaires ont besoin d’énergie pour se contracter.

Quels sont les besoins des muscles pour produire leur énergie, comment sont-ils amenés aux muscles ?

a) L’origine de l’énergie musculaire

Activité 1 : les besoins des muscles lors d’un effort

Un muscle est irrigué par une artère qui se ramifie en nombreux capillaires (surface d’échange) puis les capillaires s’unissent pour former une veine.

Exercice d’introduction : quelques rappels du collège Document : effet d’un effort musculaire sur la consommation de dioxygène et de nutriments. Teneur en dioxygène, en dioxyde de carbone et en nutriment du sang entrant et sortant d’un muscle, au repos et lors d’un effort intense. Les mesures sont données pour 100 mL de sang. (D’après Hatier p186 2nde.) Exploiter les documents de manière chiffrée pour montrer que l’énergie nécessaire à l’effort musculaire est produite par le métabolisme respiration cellulaire.

Analyse des documents:

Dans le tableau au repos, je vois que:

• la quantité d’O2 diminue en passant dans le muscle (de 20ml à 16ml) donc le muscle a consommé 4ml d’O2
• la quantité de glucose diminue en passant dans le muscle (de 90 mg à 87mg) donc le muscle a consommé 3mg de glucose
• la quantité de CO2 augmente en passant dans le muscle (de 50ml à 53ml) donc le muscle a produit 3 ml de CO2.

J’en conclus que le muscle au repos consomme du glucose et de l’O2 et rejette du CO2.

Dans le tableau du muscle à l’effort, je vois que:

• la quantité d’O2 diminue en passant dans le muscle (de 20ml à 2ml) donc le muscle a consommé 18ml d’O2
• la quantité de glucose diminue en passant dans le muscle (de 90 mg à 50mg) donc le muscle a consommé 40mg de glucose
• la quantité de CO2 augmente en passant dans le muscle (de 50ml à 67ml) donc le muscle a produit 17 ml de CO2.

J’en conclus que le muscle à l’effort consomme beaucoup plus glucose et de l’O2 qu’au repos  et rejette beaucoup plus de CO2.

O2 + nutriments → CO2 + H20 + énergie

C’est la respiration cellulaire.

Lors d’un effort les muscles consomment plus de dioxygène et de nutriments. Ces deux éléments sont utilisés par les muscles pour réaliser la respiration cellulaire qui produit l’énergie nécessaire à la contraction des muscles. Cette réaction produit des déchets dont de l’eau et du dioxyde de carbone.

Où l’O2 est-il prélevé par le muscle ? D’où provient-il ?

→ L’O2 provient de l’air, il passe de l’air au sang au niveau de la surface d’échange pulmonaire, les alvéoles pulmonaires. Ainsi il sera apporté aux muscles par le sang, transporté par les hématies (globules rouges).

b) Variation de la consommation d’02 lors d’un effort

TP n°2-les besoin des muscles sont modifiés lors d’un effort physique

Partie 1 : évolution de la consommation d’O₂ lors de l’effort

Lors d’un effort l’activité des muscles augmente. Cette activité nécessite de l’énergie qui est produite par une réaction chimique appelé respiration cellulaire qui consomme du glucose et de l’O2.

On cherche à montrer l’effet de l’effort musculaire sur la consommation d’O2 de l’organisme.

Vous avez à votre disposition une sonde à O2 permettant de mesurer la teneur en O2 de l’air (on rappelle que la teneur d’O2 de l’air ambiant est de 21%) et un débitmètre permettant de mesurer des volumes d’air ventilé.

1- Proposer une démarche pour répondre au problème ci-dessus.

Nous allons comparer la consommation d’O2 au repos et à l’effort en réalisant des flexions. La mesure de la consommation d’O2 se fait grâce à la sonde 02 et au débitmètre.

Pour déterminer la consommation d’O2 il faut :

• le volume d’air inspiré = expiré (débit mètre)
• la concentration en 02 de l’air inspiré/expiré (inspiré : 21% constante ; expiré : sonde)

Calcul réalisé par le logiciel : (Ventrant x taux O2 Air inspiré) – (Vsortant x taux 02 Aire expiré) = V O2 restant dans les poumons (consommé)

Quelles sont les attentes ?

Hypothèse : Je pense que la consommation d’O2 augmente avec l’effort.

2- Suivre le protocole expérimental

1- Pour répondre au problème nous avons mesuré à l’aide d’EXAO notre consommation d’O2 au repos, puis à l’effort modéré, puis à l’effort intense et enfin pendant la phase de récupération.

2- Mesures

3- Analyse des résultats

Le graphe ci-dessus représente la consommation cumulée de dioxygène lors du repos et d’effort d’intensité variable mesurée sur un élève de seconde 4.

1. En utilisant les droites tracées pour chaque situation expérimentale, déterminer pour chacune de celles-ci la consommation de dioxygène en litres par minute et compléter le tableau suivant :

Condition expérimentale	Repos 1	3 flexions/min	6 flexions /min
Consommation d’O2 en mL/min	0,5	8,8	19,2

Tableau de résultats de la mesure de la consommation de dioxygène lors d’un effort

2. Déduire des résultats l’effet de l’exercice musculaire sur la consommation d’O₂ de l’organisme ? Au repos, la consommation d’02 est de 0,5 ml/min alors qu’à l’effort intense elle est de 19,2 ml/min. Il y a augmentation de la consommation d’O2.La consommation d’02 augmente à l’effort car nos muscles ont besoin d’02 pour la production d’énergie.
3. Surligner en couleur la droite correspondant à la consommation de l’élève s’il était resté au repos.courbe verte

4. Déterminer le volume de dioxygène consommé par l’organisme (surconsommation par rapport au repos) pour l’ensemble de l’exercice musculaire réalisé par cet élève.

Consommation au repos= 8×0,5ml/min=4mld’O2

Consommation réelle= 4×0,5+2×8,8+2×19,2= 58ml d’O2

La surconsommation = conso réelle- conso repos = 54ml d’O2

Bilan :

L’augmentation de la consommation de l’oxygène par les muscles se traduit par une augmentation du VO2 (consommation d’oxygène de l’organisme). Plus l’effort est intense plus le VO2 augmente.

Partie 2 : La VO2 max

L’augmentation de la consommation d’O2 par l’organisme lors d’un effort est limitée: cette limite est appelée VO2 max. Elle est exprimée en ml/Kg/min, ou alors en ml/min.

A l’aide de la ressource justifier de manière chiffrée cette affirmation et déterminer les facteurs pouvant faire varier la VO2max. Ressource  : les limites de la consommation de dioxygène.

La consommation d’02 d’un homme sédentaire augmente avec l’effort. La VO2 passe en effet de 0,5 L/min au début de l’effort (puissance 20W) et passe à 3,8 L/min pour un effort de 280W. Il en est de même pour le cycliste (0,2L/min pour un effort de 20w et 5,3L/min pour un effort de 420W).

Cependant, pour les deux hommes, il y a une consommation maximale (VO2max) qui ne peut pas être dépassée. Elle est de 3,8 L/min chez l’homme sédentaire et de 5,3L/MIN chez le cycliste.

Un homme entraîné a une VO2 max supérieure à un homme sédentaire.

Certains sports favorisent l’augmentation de la VO2max tout comme le ski de fond et la course de demi-fond. L’âge et le sexe font également varier la VO2max d’un individu.

Exercice supplémentaire : La VO2max peut aussi être exprimée en mL/min/kg. 

Consigne : Calculer la V02max pour ces deux hommes.

VO2max sédentaire = 3800/98=40 ml/min/kg

VO2max cycliste = 5300/81=64 ml/min/kg

Quand la puissance de l’effort augmente, on arrive au bout d’un moment à l’épuisement = quantité maximale d’02 que l’on peut utiliser par min et par kg.

Bilan :

Il y a une limite à l’augmentation du volume d’O2 consommé au cours d’un effort appelée VO2max. C’est la consommation maximale d’oxygène que peut réaliser un individu (elle s’exprime en ml/min/kg).

Une fois cette limite atteinte, c’est l’épuisement, l’individu ne peut plus augmenter l’effort et très vite ne peut plus produire l’effort.

La VO2max varie en fonction du sexe, de l’âge et de l’entraînement.

Nous avons vu les besoins en O2 des muscles, nous allons maintenant nous intéresser au deuxième élément nécessaire à la respiration cellulaire des muscles : les nutriments.

c) Variation de la consommation de nutriments et conséquences

Comment évolue la quantité de nutriments consommés lors d’un effort physique ?

Exercice sur la consommation de nutriments par le muscle

On a vu que lors d’un effort, les besoins en nutriments des muscles étaient augmentés. Il existe différents types de nutriments (le glucose et les acides gras principalement) qui peuvent provenir soit du sang, soit de réserves intramusculaires. Dans le muscle, le glucose est stocké sus forme de glycogène.

1. Relever la quantité d’acides gras sanguins utilisée par minute lors d’un effort de 30 minutes à 60% de la PM.
2. Comment évolue la quantité d’acides gras sanguins utilisée par minute lorsque la durée d’exercice augmente ?
3. Comment évolue la quantité de glycogène musculaires utilisée par minute lorsque la durée d’exercice augmente ?
4. Comment expliquer la différence entre l’évolution de la quantité utilisée d’acides gras sanguins et la quantité de glycogène musculaire ?

1. La quantité d’acides gras sanguins utilisée par minute lors d’un effort de 30minutes à 60% de la PM est de 12KJ/min.

2. Lorsque la durée de l’exercice augmente, la quantité d’acides gras sanguins utilisée par minute à 60% de la PM augmente : elle passe de 12KJ/min (effort 30min) à 22KJ/MIN pour un effort de 120min.

3. La quantité de glycogène musculaire utilisée lorsque l’effort est plus long diminue : elle passe de 32KJ/min pour 30 min d’effort à 20KJ/min pour 120min d’effort.

4. Cela s’explique car le glycogène est plus facile d’accès pour les muscles, il le consomme donc en premier puis quand cette ressource se tarit, il utilise les Ag-sanguins (provenant de la graisse).

   Conclusion :

   Donc on peut choisir son effort pour avoir un effet sur la santé et notamment le surpoids même si cela ne suffit. Il faut en plus une alimentation équilibrée…

   Un effort long aura plus d’impact car les graisses seront éliminées.

Comment la consommation accrue de nutriments peut agir sur la masse corporelle ?

TP3 Les effets de l’exercice physique sur la santé Nous avons vu les besoins des muscles lors de l’exercice physique. Comment la consommation accrue de nutriments lors de l’effort peut-elle agir sur la masse corporelle ? Lors d’une visite chez son médecin, en plus d’un rééquilibrage alimentaire, un jeune homme de 17 ans pesant 86 kg pour 1,75m se voit conseillé d’augmenter son activité physique. Celui-ci veut comprendre pourquoi c’est important et quels types d’activités sont les mieux adaptées pour l’aider à remédier à son problème d’obésité. Répondez aux interrogations de cette personne. Votre argumentation s’appuiera sur les documents ci-joints et sur votre culture.

Je dois montrer qu’il est important pour ce jeune homme de perdre du poids et je dois lui conseiller un type d’activité physique.

Le jeune homme de 18 ans pèse 86 kg pour 1,75m : avec la ressource 1, on peut calculer son Indice de Masse Corporelle (IMC) : 86/(1,75)² = 28,08 On reporte son IMC sur la courbe qui concerne le sexe masculin : à 18 ans, pour un IMC de 28, ce jeune homme est en surpoids (obésité de degré 1)

L’obésité diminue l’espérance de vie et peut entraîner des problèmes de santé (hypertension, maladies cardio-vasculaires, diabète de type 2…) Elle est aussi la cause de mal être (difficulté d’insertion sociale pouvant entraîner une dépression):

il est donc important que ce jeune homme perde du poids en faisant davantage d’activité physique.

En effet, on voit dans la ressource 3 que lorsqu’on est au repos, l’organisme consomme du glycogène musculaire et du glucose sanguin. Lorsqu’on fait un effort, on consomme en plus des acides gras. Ce sont les acides gras qui sont stockés dans les tissus adipeux (en bas de la ressource 2).

Dans la ressource 2, on remarque que plus l’effort est long, plus la quantité d’acides gras sanguins utilisée est grande : 10 kJ/min pour un effort d’une ½ heure contre un peu plus du double pour un effort d’une durée de 2h . D’autre part, c’est pour un effort d’intensité moyenne (40 à 55% de sa puissance maximale) que l’on consomme le plus d’acides gras (20 kJ/min), alors que pour un effort plus intense, la consommation en acides gras diminue (elle passe à 15kJ/min pour un effort à 75% de la PM). (ressource 3)

Faire du sport va aider le jeune homme à perdre de la graisse, stockée sous forme d’acides gras.

CONCLUSION:

Le jeune homme est en surpoids (obésité de degré 1). Pour préserver sa santé, il est nécessaire qu’il perde du poids. Il faut pour cela qu’il réalise un effort d’intensité moyenne  sur une longue durée : en effet, c’est pour un effort de 120 minutes à une puissance moyenne qu’il consommera le plus de graisse. On peut donc lui conseiller un sport d’endurance (course à pied, natation…)

Bilan :

L’exercice physique est un des facteurs qui aident à lutter contre l’obésité.

La pratique d’un sport augmente la consommation par l’organisme des nutriments évitant ainsi le stockage d’excédent alimentaire dans les tissus adipeux

Pratiquer un exercice de longue duré et d’intensité moyenne est le plus efficace pour lutter contre l’obésité car cela oblige l’organisme à aller puiser dans les réserves graisseuses.