La respiration n’est pas la seule voie métabolique fournissant l’énergie nécessaire à la contraction musculaire. Pendant les premières minutes d'un exercice physique exigeant, les rythmes respiratoire et cardiaque ne sont pas encore assez élevés pour fournir suffisamment de dioxygène aux muscles et ceux-ci vont en manquer.
Le pyruvate obtenu par glycolyse ne pénètre donc pas dans la mitochondrie et subit une fermentation, dite fermentation lactique car elle aboutit à la production d’acide lactique. Cela consiste en la transformation des deux pyruvates grâce aux composés RH2 produits par la glycolyse et ce, sans production d’ATP. Le but est de restaurer les accepteurs R (c’est-à-dire le NAD+) dans le hyaloplasme, étant donné que la chaîne respiratoire ne fonctionne pas. Ceux-ci serviront pour de nouvelles glycolyses à l’origine de la production d’ATP.
Finalement, le bilan en termes d'ATP formé à partir d’une molécule de glucose se limite aux 2 ATP issus de la glycolyse. C’est un métabolisme transitoire qui s’effectue le temps que l’apport en dioxygène se régule et que la respiration puisse se mettre en route. Ce métabolisme ne peut donc perdurer, d’autant plus que l’acide lactique s’accumule dans les cellules musculaires, abaisse leur pH, ce qui occasionne de la douleur, de la fatigue et parfois même des crampes.
La phosphocréatine ou phosphate de créatine est une molécule riche en énergie utilisée dans les muscles pour régénérer l'ATP au départ de l'ADP lors des 2 à 5 secondes qui suivent un effort intense. On constate que dès le début de l’effort, la phosphocréatine est consommée et qu’en parallèle apparaît de l’ATP. Au cours d’un exercice, le stock de phosphocréatine est épuisé en moins de 20 secondes. On parle de métabolisme anaérobie alactique (sans dioxygène et sans acide lactique).
Au cours d’un exercice, les réserves d’ATP et de phosphocréatine, instantanément mobilisées, permettent de réaliser immédiatement le travail musculaire. Ainsi après un délai de quelques secondes, la dégradation des glucides a lieu par voie aérobie. La respiration permet de produire davantage d'ATP que la fermentation lactique et on parle de métabolisme aérobie. Il est à l'origine des contractions de plus longue durée et permet également de régénérer l'ATP après un effort. L’ensemble des réserves énergétiques de l’organisme peut être mobilisé et le rendement en ATP est très élevé.
Les voies métaboliques diffèrent tant dans leur processus chimique que dans leurs conséquences. L’intensité de la coloration traduit la présence de myoglobine, protéine voisine de l’hémoglobine et de couleur rouge. Les fibres de type I ont un métabolisme principalement aérobie adapté à un effort long mais de faible puissance comme l’endurance. Elles ont une structure adaptée à ce type de métabolisme, riches en mitochondries et en myoglobine, ce qui leur confère une grande réserve d’oxygène.
Les fibres de type II sont utilisées pour des efforts courts et intenses. Elles sont très puissantes mais peu résistantes à la fatigue et manquent de mitochondries et de myoglobine, régénérant principalement leur ATP par fermentation lactique. Leur forte réserve en glycogène leur permet de renouveler rapidement leur taux cytoplasmique de glucose. La proportion de ces fibres dépend des individus et de l’activité physique pratiquée.
La consommation d’ATP est variable au cours du temps et l’apport alimentaire l’est aussi, sans qu’il n’y ait de relation stricte entre les deux. L’ATP lui-même est une réserve d’énergie pour les cellules, mais son poids moléculaire est élevé et il ne peut donner qu’une liaison riche en énergie. Le glucose est un meilleur substrat énergétique que le glycogène ou les triglycérides dans certaines conditions, et ses bilans énergétiques illustrent les rapports entre substrats et besoins basaux.
Le glycogène, polymère de glucose, est une forme de réserve énergétique. Il peut donner 39 liaisons riches en énergie par mole. Le glucose peut délivrer 36 liaisons riches en énergie par mole et le glycogène en aérobiose peut suffire à respecter le métabolisme basal dans certaines conditions. Les triglycérides, sources majeures d’énergie, peuvent fournir 432 liaisons riches en énergie par mole, et leur utilisation lors du métabolisme basal indique des besoins importants en graisse tissulaire.
Des suppléments alimentaires de créatine permettent d’augmenter les réserves de créatine-phosphate et de prolonger un peu un effort intense et très court. La créatine est efficace surtout pour ce type d’exercice, sans amélioration marquée dans les sports d’endurance où les réserves s’épuisent rapidement.
Les stéroïdes anabolisants, aussi appelés stéroïdes androgéniques, augmentent la synthèse des protéines et la masse musculaire mais comportent des risques graves pour la santé et sont interdits par les grandes instances sportives. Leurs effets indésirables incluent des troubles du cholestérol, de l’acné, une perte de cheveux, de l’hypertension, des lésions hépatiques et des effets sur les tendons et les os.
Les levures utilisées dans l’étude du métabolisme montrent que la respiration et la fermentation peuvent coexister selon les conditions d’oxygène et que la glycolyse est commune aux deux voies. Les équations bilan rappellent que la respiration produit beaucoup d’énergie en présence d’O2, alors que la fermentation lactique ou alcoolique se contente d’un rendement beaucoup plus faible.
En résumé, le métabolisme cellulaire se déploie sous deux grandes voies complémentaires et interconnectées : la respiration cellulaire (aérobie) et la fermentation (anaérobie). La glycolyse, étape commune, se déroule dans le cytoplasme et prépare soit l’entrée dans les mitochondries pour le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, soit la réduction des pyruvates en lactates ou en éthanol selon la disponibilité d’oxygène.
Ce cadre explique pourquoi l’organisme peut mobiliser des sources d’énergie allant du substrat rapide et ponctuel (phosphocréatine et ATP) jusqu’aux réserves à plus long terme (glucides sous forme de glycogène, lipides sous forme de triglycérides) et pourquoi l’intensité de l’activité physique détermine le mélange des voies énergétiques utilisées.
Pour les lecteurs souhaitant approfondir, un schéma fonctionnel montre les transferts d’énergie lors des différentes phases et l’interconnexion des flux de matière entre glycolyse, fermentation et respiration dans les cellules.
Au coeur des organes : La respiration cellulaire
En pratique, l’étude des levures en condition d’oxygène limité illustre le passage de la respiration à la fermentation alcoolique et lactique, ce qui permet d’anticiper les réponses métaboliques humaines lors d’un effort intense et bref par bascule vers la fermentation lorsque le O2 n’est pas encore suffisant.
Mettre en œuvre une compréhension des rythmes énergétiques aide à optimiser l’entraînement et la récupération en tenant compte des limites physiologiques et des capacités des fibres musculaires. Le métabolisme cellulaire est au cœur des performances humaines et des choix nutritionnels qui soutiennent la dépense énergétique nécessaire à l’activité physique.
- Les deux types principaux de métabolisme: respiration et fermentation.
- Rôles des substrats énergétiques et des réserves: ATP, phosphocréatine, glucose, glycogène, lipides.
- Différences entre fibres musculaires Type I et Type II et leurs préférences métaboliques.
- Impact des compléments et des substances interdites sur les performances et la santé.
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