La physiologie du sport

 Le muscle

     On distingue les fibres musculaires striées, qui forment la musculature squelettique, et les fibres musculaires lisses qui sont le principal composant des viscères et assurent, en particulier, les contractions de l'intestin, sous le contrôle du système nerveux végétatif.

     Nous nous intéressons ici surtout aux fibres striées, ainsi nommées à cause de leurs particularités anatomiques, comme nous allons le voir. Ces fibres forment les muscles de la locomotion, de la statique et du mouvement, qui sont en grande partie sous le contrôle du système nerveux volontaire.

     Le muscle est constitué d'un groupement de faisceaux, formés eux-mêmes d'un ensemble de fibres musculaires, serrées les unes contre les autres. Chacune de ces fibres est une cellule musculaire de très grande taille, qui comprend plusieurs noyaux. Une fibre musculaire peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres dans les grands muscles du dos ou des membres inférieurs.

     À l'intérieur de la fibre sont alignés des faisceaux de myofibrilles, protéines contractiles qui donnent au muscle le pouvoir de se contracter, puis de se décontracter.

     Les myofibrilles sont constituées de filaments, parmi lesquels on distingue deux types : les filaments fins d'actine et les filaments épais de myosine. Ces types de filaments sont disposés dans la myofibrille de façon alternée, et les filaments d'actine sont réunis entre eux par une ligne verticale appelée la ligne Z. La disposition des filaments d'actine et de myosine donne à la myofibrille un aspect strié, aisément identifiable au microscope électronique, caractéristique qui permet de comprendre comment et pourquoi le muscle se contracte.

La contraction du muscle

     Que se passe-t-il au moment de la contraction ? Les filaments d'actine et de myosine glissent les uns contre les autres, de façon à raccourcir le muscle. Les molécules de myosine, plus épaisses, sont équipées de têtes spéciales, qui viennent s'accrocher aux molécules d'actine. Ce phénomène suscite une réaction chimique qui nécessite la présence de calcium et consomme de l'énergie. Cette dernière est fournie par la dégradation d'une molécule spéciale, l'ATP (Adénosine Tri Phosphate), présente dans la cellule musculaire. Plus la contraction est forte, plus le nombre d'accrochages entre les filaments est grand, et la consommation d'ATP importante.

  Les muscles sont constitués d'un nombre donné de fibres, et la musculation n'a pas pour effet de multiplier ce nombre. Les fibres ne peuvent que grossir ou diminuer de volume en fonction de leur utilisation : un muscle atrophié est un muscle non employé, tandis qu'un muscle surentraîné, comme chez un adepte du culturisme, par exemple, est un muscle dont chaque fibre augmente considérablement de volume. En cas de traumatisme, la zone lésée est remplacée par un tissu cicatriciel.

     Les faisceaux de fibres, à chaque extrémité du muscle, se réunissent en tendons qui s'accrochent solidement aux os. Tout muscle est entouré d'une gaine fibreuse, l'aponévrose, qui permet aux muscles de glisser les uns contre les autres.

     Le mouvement musculaire, au cours de l'exercice sportif, met en jeu de façon répétée les mécanismes décrits ci-dessus et entraîne un certain nombre de phénomènes, qui sont encore loin d'être tous expliqués.

     En effet, le sport provoque de nombreux bouleversements, au niveau du muscle et dans l'organisme entier, concernant les réactions métaboliques, énergétiques, cardiaques et respiratoires, hormonales et nerveuses. L'entraînement sportif modifie sensiblement la fibre musculaire, tant au niveau de la force de contraction et de décontraction que de la récupération.

  Les carburants du muscle

     La contraction des filaments des myofibrilles nécessite la présence d'un carburant spécial, l'ATP. Mais celui-ci s'épuise très vite, en une ou deux secondes. Si l'effort musculaire continue, il faut que l'organisme puisse fournir immédiatement de l'ATP, à partir d'autres voies métaboliques, donc d'autres sources d'énergie. La première réserve est constituée par une molécule présente dans le muscle, la créatine-phosphate, qui se dégrade facilement en ATP, et constitue en quelque sorte le deuxième réservoir. Mais celui-ci va s'épuiser vite également, en cinq ou six secondes. C'est cette réserve que l'athlète consomme lors des efforts violents et courts, comme un sprint.

     Si l'effort continue, il faut que le muscle ait accès à une source d'énergie plus durable. Celle-ci est constituée par le glucose et le glycogène, qui est la forme sous laquelle est stockée le glucose à l'intérieur de l'organisme, notamment dans le foie. Lorsque l'effort persiste, le muscle a recours au glycogène, qui, à la suite de nombreuses réactions enzymatiques (la glycolyse), se dégrade et forme une nouvelle source de carburant, et donc d'énergie, pour le muscle. En se dégradant, le glycogène donne naissance à deux composés, l'acide pyruvique et l'acide lactique. Cette voie métabolique s'ouvre très rapidement, car il ne faut que quelque secondes pour que les précédentes s'épuisent. Ce deuxième réservoir est utilisé pour les effort de moyenne durée, par exemple une course de quatre cents mètres.

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L'aérobie et l'anaérobie

     Ces deux premières sources d'énergie (ATP et  la créatine-phosphate), employées pour les efforts courts et intenses, n'ont pas besoin d'oxygène pour se mobiliser. On dit qu'elles sont anaérobies. Un effort plus prolongé, qui dure plus de quarante secondes, use d'une troisième voie métabolique, qui, elle, exige de l'oxygène, et est appelée, pour cette raison, aérobie.

     Ce troisième réservoir, auquel l'on recourt pour les efforts longs, comme les courses de fond ou le marathon, naît de la combustion de l'acide pyruvique (qui, comme nous l'avons vu, provient de la dégradation du glycogène) et des acides gras, en provenance des graisses accumulées dans l'organisme. Les acides aminés et les protéines sont très peu utilisés comme source d'énergie.

     Le muscle dispose ainsi d'un équipement énergétique sophistiqué, adapté à la nature de chaque effort musculaire, fonctionnant un peu comme une automobile qui aurait en permanence à sa disposition des carburants différents selon l'effort demandé (démarrage, course en ville, parcours long, etc.)

     Pour utiliser ces carburants, les fibres musculaires sont équipées différemment : on distingue en effet les fibres lentes, dites de type 1, qui emploient surtout la voie aérobie. On les reconnaît au microscope, car elles ont de nombreuses mitochondries, micro-organismes intracellulaires où se réalise la réaction de combustion aérobie des graisses de l'organisme. Et, en second lieu, on distingue les fibres rapides, dites de type 2B, qui utilisent essentiellement la voie anaérobie. Les fibres de type 2A ont des caractéristiques intermédiaires et recourent aux deux méthodes d'approvisionnement en énergie.

     La répartition de ces types de fibres varie d'un muscle à l'autre. Les fibres lentes, plus vascularisées et qui contiennent davantage de graisses (triglycérides) et de myoglobine (une molécule qui fixe l'oxygène du sang et donne au muscle sa couleur rouge caractéristique), sont par exemple plus nombreuses dans les muscles extenseurs du pied comme le soléaire (dans le mollet) que dans les muscles fléchisseurs. Il y a également une variation importante selon les individus et le type de sport pratiqué. Un sprinter développera davantage ses fibres rapides, anaérobies, tandis qu'un marathonien, habitué des efforts de longue durée, développera surtout ses fibres lentes.

Le moteur cardio-respiratoire 

    
     L'effort musculaire s'accompagne aussi de profonds changements hormonaux, participant eux aussi à la réalisation de la performance.

 Le métabolisme de l'eau et du sel : la première modification hormonale a pour rôle de diminuer les pertes en eau et en sel. L'effort entraîne une sudation importante, il est donc indispensable de supprimer partiellement les pertes au niveau du rein, ce qu'aide à réaliser la répartition différentes des flux sanguins, sous l'influence du système nerveux sympathique, mais aussi sous l'influence de facteurs hormonaux, comme l'aldostérone (hormone sécrétée par la glande surrénale) et la vasopressine, ou hormone antidiurétique, sécrétée par l'hypophyse, glande située dans le cerveau. Au cours de l'effort, ces deux hormones sont sécrétées en plus grande quantité et limitent les pertes en eau et en sel.

 De multiples hormones interviennent, soit pour faciliter la mobilisation des stocks de glycogène du foie, soit pour favoriser sa dégradation au niveau de la fibre musculaire, comme le glucagon, l'adrénaline, l'hormone de croissance ou encore le cortisol. La testostérone, hormone masculine, sécrétée en plus grande quantité au cours de l'effort, ne participe pas à la dégradation des molécules destinée à fournir de l'énergie, mais à la construction de protéines qui vont constituer les muscles.

 Les endorphines : un aspect nouveau des changements hormonaux provoqués par le sport a été mis en évidence au début des années quatre-vingts avec la découverte des endorphines. Il s'agit d'hormones sécrétées par le cerveau, dont le nom évoque la morphine parce qu'elles auraient un rôle anti- douleur et parce qu'elles induiraient, comme la véritable morphine, un phénomène de dépendance. Ces endorphines expliqueraient par exemple pourquoi le sportif de haut niveau supporte facilement la douleur au cours de l'exercice, et pourquoi l'exigence d'entraînement est une véritable toxicomanie : les sportifs surentraînés ont souvent un besoin irrépressible de faire du sport, avec une escalade fréquente dans la " dose " qu'ils s'octroient chaque jour. En fait, il y aurait une véritable dépendance au sport due à l'endorphine, qui obligerait le sportif à rechercher jour après jour l'état dans lequel il peut obtenir la meilleure sécrétion de cette hormone cérébrale.

     D'autre part, ces endorphines joueraient un rôle sur la régulation d'autres hormones de l'organisme, l'hormone de croissance, et la testostérone, dont la concentration sanguine tend à s'abaisser, ainsi que les hormones hypophysaires, responsables chez la femme du cycle menstruel.

Effort musculaire : d'où vient la fatigue ?

     L'effort musculaire conduit à plus ou moins long terme à un état particulier, la fatigue. On ne connaît pas encore exactement toutes les origines de la fatigue musculaire, mais elle est sans doute due à l'association de plusieurs facteurs.

En effet, l'effort musculaire entraîne :

 une utilisation accrue de glycogène, qui peut susciter un état d'hypoglycémie ;

 une consommation accrue de lipides, qui conduit à l'accumulation de produits de dégradation, les corps cétoniques ;

 une perte importante d'eau et d'électrolytes, par la sueur, entraînant une forte baisse du volume sanguin ;

 une baisse du pH sanguin ;

 des lésions microscopiques des fibres musculaires. La fatigue est le résultat de tous ces phénomènes, en particulier dans les efforts de longue durée (marathon, cyclisme, natation).

     Dans les efforts de courte durée, ceux qui font intervenir surtout la voie anaérobie, l'origine de la fatigue serait différente. Elle serait due à l'accumulation d'acide lactique dans les fibres, ce qui ralentirait la glycolyse et donc la production d'ATP. Cette accumulation d'acide lactique pourrait être à l'origine de crampes, de sensations de fatigue, de douleurs abdominales ou encore de troubles digestifs.

     Mais la fatigue pourrait provenir d'autres sources. Elle pourrait être due aussi à l'accumulation d'ammoniaque, issue de la dégradation des protéines, et toxique pour le système nerveux central, ou encore à l'accumulation de produits de dégradation de l'ATP lui-même. Enfin, l'effort entraîne des modifications des globules blancs, phénomène dont la signification nous est encore inconnue.

L'entraînement sportif

     L'entraînement vise à améliorer la puissance du muscle et son endurance, sa capacité à effectuer des exercices de longue durée. En d'autres termes, l'entraînement consiste à reculer les limites de la fatigue et à faciliter la récupération.

PUISSANCE OU ENDURANCE

Il existe deux grands types d'entraînement sportif.

 L'entraînement en endurance exige la réalisation d'efforts prolongés, d'intensité moyenne, plusieurs fois par semaine. Il favorise la voie aérobie, c'est-à-dire l'utilisation des graisses. On observe dans le muscle une augmentation de la vascularisation, du nombre de mitochondries, et une modification des protéines contractiles, qui évoluent des formes rapides vers les formes lentes. Ces modifications s'établissent rapidement, au bout de quelques semaines d'entraînement, mais peuvent disparaître aussi vite s'il est interrompu.

 L'entraînement en puissance, qui vise, lui, à améliorer la force et la vitesse, repose sur des bases différentes. Il ne s'agit pas, dans ce cas, d'effectuer des efforts longs et répétés, mais, au contraire, des exercices courts, rapides et intenses, comme la musculation ou le sprint. Ces exercices doivent également être pratiqués plusieurs fois par semaine, et ils entraînent une augmentation de la force musculaire, ainsi qu'une hypertrophie des muscles. On sait que cette hypertrophie est due à la multiplication des myofibrilles et à un accroissement du diamètre des fibres rapides. Mais l'on s'explique mal encore comment l'exercice conduit à ce phénomène physiologique et anatomique. Au niveau biologique, l'on observe une augmentation du taux de certaines hormones comme l'hormone de croissance ou la testostérone, qui sont nécessaires à la synthèse des protéines, donc à l'accroissement de volume des muscles. On observe également, dans les muscles constitués surtout de fibres rapides, une diminution de la vascularisation et des mitochondries, ce qui témoigne donc en faveur d'un développement de la voie énergétique anaérobie.

LES AVANTAGES

Le sport a maints effets positifs, aussi bien sur l'organisme que sur le " mental ", car il est un facteur d'harmonie dans la " gestion " de son propre corps, à de nombreux points de vue.

 En améliorant les performances musculaires et la coordination des gestes, le sport aide à la constitution d'une meilleure image de soi-même. Il permet de prendre conscience de ses capacités et de ses limites.

 Il a un effet relaxant bien connu, et participe à la régulation des grandes fonctions de l'organisme : le sportif dort mieux, s'alimente correctement et est souvent obligé, s'il veut rester à un bon niveau, d'éliminer au moins partiellement de mauvaises habitudes comme le tabagisme.

 Pratiqué de façon modérée mais continue, tout au long de la vie, il a un effet remarquable sur le système cardio-vasculaire et respiratoire. Le cœur sportif est plus lent, plus fort, et présente moins de risque d'insuffisance cardiaque. Le sportif est également moins sujet à l'hypertension artérielle. Toutefois, après l'âge de quarante ans, il est indispensable de contrôler, par des électrocardiogrammes d'effort, que le cœur est effectivement en bon état .

LES INCONVÉNIENTS

     Le mauvais entraînement ou le syndrome du surentraînement est bien connu des sportifs, car il conduit à des contre-performances parfois étonnantes, que l'on met souvent sur le compte d'une " mauvaise forme ". Tout entraînement de longue durée, a fortiori s'il doit conduire un jour à la compétition de haut niveau, doit être réalisé sous la conduite d'un entraîneur spécialisé, car il est très facile de commettre des erreurs, qui empêchent parfois de continuer l'exercice sportif, ou représentent un danger pour l'organisme.

LE SURENTRAÎNEMENT

     Le phénomène de surentraînement est dû à sa pratique excessive, qui s'accompagne d'un état de dépression. On le voit apparaître lorsque les phases d'entraînement sont trop longues et, surtout, quand le temps de récupération est trop court entre chaque séance. Le surentraînement se manifeste par une baisse sensible des performances et un état dépressif inexplicable, qui n'est pas seulement causé par la baisse des capacités sportives. Il suscite de nombreux désordres biologiques et humoraux, parmi lesquels on observe : une dégradation accrue des protéines, des troubles du cycle menstruel chez la femme, une anémie, une réduction des réserves en glycogène, une diminution de la force musculaire.

     Dans ce syndrome, l'on note également une diminution des cellules immunocompétentes, qui permettent à l'organisme de se défendre contre les agressions microbiennes ou virales : les sportifs surentraînés deviennent très sensibles aux infections.

    Cet état s'expliquerait peut- être par des problèmes d'alimentation, avec en particulier un déficit en vitamines et en oligo-éléments, ou encore par des erreurs alimentaires concernant les glucides et les lipides. En fait, ces explications laissent les nutritionnistes sceptiques, dans la mesure où les besoins alimentaires sont en général largement couverts et bien surveillés.