Mécanismes physiologiques de Mécanismes physiologiques de l’entraînement physique: l’entraînement physique:

conséquences sur la prescription conséquences sur la prescription d’activité physique pour la santéd’activité physique pour la santé

Charles-Yannick GuezennecCharles-Yannick GuezennecPôle de Médecine du Sport de Pôle de Médecine du Sport de

l’Essonnel’Essonne

La spécificité des différentes La spécificité des différentes adaptations à l’entraînement physiqueadaptations à l’entraînement physique

Adaptations musculairesAdaptations musculaires Adaptations cardio-vasculairesAdaptations cardio-vasculaires Adaptations métaboliquesAdaptations métaboliques Adaptations de l’osAdaptations de l’os Adaptations respiratoiresAdaptations respiratoires Ces adaptations se produisent en Ces adaptations se produisent en

réponse à des stimuli spécifiques réponse à des stimuli spécifiques (Endurance vs Resistance(Endurance vs Resistance))

Mécanismes et principes générauxMécanismes et principes généraux

Ces adaptations se font sous l’influence Ces adaptations se font sous l’influence De contraintes mécaniquesDe contraintes mécaniques: il existe des capteurs : il existe des capteurs

spécialisés au sein du muscle de l’os des tendonsspécialisés au sein du muscle de l’os des tendons De contraintes métaboliquesDe contraintes métaboliques: elles sont prises en : elles sont prises en

compte à l’échelon du tissu ou de l’organismecompte à l’échelon du tissu ou de l’organisme De façon très schématique les contraintes mécaniques De façon très schématique les contraintes mécaniques

rendent comptent des adaptations de structure (os et rendent comptent des adaptations de structure (os et muscle) et les contraintes métaboliques des adaptations muscle) et les contraintes métaboliques des adaptations des systèmes de transport et d’utilisation de l’énergiedes systèmes de transport et d’utilisation de l’énergie

Pour chaque tissu cette dualité peut être envisagéePour chaque tissu cette dualité peut être envisagée

Les adaptations musculaires sont l’exemple le plus complet

• modification de la typologie musculaire• modification du volume musculaire• modification du nombre et de la compartimentation

des mitochondries• modifications des propriétés des enzymes clés du

métabolisme énergétique

variables selon le type d ’entraînement endurance ou résistance

Booth F.W., Thomason D.B. Molecular and cellular adaptation of muscle response to exercise: perspectives of various models. Physiol. Rev. 1991, 71 : 541-585.

La contraction musculaire résulte de l’interaction de protéines contractiles.

La surface de ces protéines et leur typologie conditionnent la force et la vitesse de la contraction

L’énergie nécessaire est fournie par un système métabolique dont la nature et le fonctionnement s’adaptent aux besoins musculaire

L’adaptation coordonnée de ces deux structures est la base de la plasticité musculaire

Ultrastructuremusculaire Machine métabolique commande

Machine contractile

Chaque stimuli agit sur des voies différentes qui aboutissent à des adaptations spécifiques

Fluck et Hoppeler Rev Physiol Biochem Pharmacol 146:159 2003

Ces voies de réponses déterminent les adaptations à l’endurance ou à la résistance

On observe une spécificité des voies de signalisation mises en jeu dans le développement de la force ou de l’endurance

Il semble nécessaire de proposer à la fois des entraînements en résistance pour développer la force ou l’endurance.

Que faut il privilégier pour diminuer les effets du vieillissement?

Schéma des voies de réponse adaptatives du muscle aux types d’entraînement Coffey et Hawley. Sports Med 2007

Vieillissement musculaireVieillissement musculaire

Diminution de masse musculaire Diminution de masse musculaire en 2 étapes :réduction progressive en 2 étapes :réduction progressive de 20 à 60 ans, s’accélère après.de 20 à 60 ans, s’accélère après.

Perte plus rapide de la surface Perte plus rapide de la surface totale des fibres de type IItotale des fibres de type II

Perte de force musculaire Perte de force musculaire responsable d’une perte responsable d’une perte progressive d’autonomie.progressive d’autonomie.

Mécanisme endocriniens Mécanisme endocriniens (diminution des taux de stéroïdes (diminution des taux de stéroïdes sexuels, du tonus somatotrope, de sexuels, du tonus somatotrope, de l’IGF-1 musculaire…), Nerveux l’IGF-1 musculaire…), Nerveux (diminution du trafic des (diminution du trafic des motoneurones motoneurones αα, nutritionnel., nutritionnel.

L’entraînement en résistance peut L’entraînement en résistance peut réduire cette perte de façon très réduire cette perte de façon très significative, cet effet ne semble significative, cet effet ne semble pas se produire avec les pas se produire avec les entraînements en enduranceentraînements en endurance

La courbe d’évolution des performances selon l’âge illustre l’évolution biphasique du vieillissement sur les structures impliquées dans la performance physique

Un travail récent montre que 6 mois d’entraînement en musculation augmente la force de sujets âgés

Melov et al 2007 ont montré que 26 sem d’un entraînement en musculation permet de ramener le niveau d’expression du génome musculaire de sujets âgés (68 ans) au niveau de celui d’adulte jeunes

Les effets de l’entraînement en force sont le résultat d’un expression du génome

Il est bien démontré que le développement lors de la croissance et le maintien à l’age adulte du tissu osseux est déterminé par trois grand facteur principaux qui sont

-les contraintes mécaniques qui s’exercent sur l’os

-l’équilibre des hormones remodelant le tissu osseux

-le niveau des apports calcique.

-L’entraînement physique provoque une augmentation de la densité minérale de l'os chez le sujet jeune ou le sujet ayant dépassé le stade de maturité osseuse.Il existe une corrélation positive très forte entre la teneur minérale de l'os et le poids du muscle correspondant. Afin d’illustrer le rôle important des sollicitations mécaniques on peut citer le travail de Daly et al ( Bone 2004) qui montre que le contenu minéral osseux est en moyenne de 15 % plus élevé au niveau du radius chez les 10 joueurs professionnels de tennis du coté ou ils tiennent leur raquette.

Entraînement physique et métabolisme de l’os

Un système présent dans le tissu osseux intègre les Un système présent dans le tissu osseux intègre les variations de contraintes variations de contraintes et induit l’activité de et induit l’activité de remodelageremodelage afin de rétablir la masse et la structure afin de rétablir la masse et la structure osseuse en adéquation avec le stress mécanique auquel le site osseux est osseuse en adéquation avec le stress mécanique auquel le site osseux est soumis.soumis. Le fluide extracellulaire, qui circule à travers des milliers de canaux reliant les Le fluide extracellulaire, qui circule à travers des milliers de canaux reliant les lacunes ostéocytaires se déplace en fonction de la force compressive lacunes ostéocytaires se déplace en fonction de la force compressive appliquée au tissu osseux et semble en grande partie responsable de appliquée au tissu osseux et semble en grande partie responsable de l’intégration des contraintes mécaniques.l’intégration des contraintes mécaniques. Ce phénomène est perceptible relativement rapidement sous l’effet de l’entraînement et ne semble pas altéré par le vieillissement ainsi que cela a été montré par SIMKIN et al. qui ont mis en évidence une augmentation de 3,8 % de la densité osseuse au terme de cinq mois d'exercice physique contrôlé et diversifié chez des femmes ménopausées, pendant que les témoins perdaient 1,9 % de leur valeur de départ.

l'augmentation de la masse osseuse résultant de l’exercice physique est liée à une stimulation de la formation osseuse objectivable par augmentation du taux d'ostéocalcine, une protéine du collagène qui est utilisé comme un marqueur sanguin du métabolisme osseux.

Mécanismes de l’action de l’activité physique sur le métabolisme osseux

(Lafage-Proust et al., 1999)

Effets du type d’activitéEffets du type d’activitéDuncan et al Med Sports Sci Exerc. 2002Duncan et al Med Sports Sci Exerc. 2002

BMD in gymnasts (red) and in swimmers (blue) expressed as

percentage of controls

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Wholebody

Mid-radius Distalradius

Lumbarspine

Femoralneck

Ward'striangle

NS

* * *

* * *

* * * * *

*

BMD (% controls)

Courteix et al., Osteoporos Int 1998* p< 0.05; * * p < 0.01; * * * p < 0.001

Controls

Effets du type d’activitéEffets du type d’activité

L’activité physique peut être un facteur L’activité physique peut être un facteur important de l’acquisition minérale important de l’acquisition minérale osseuse, seulement si la pratique peut osseuse, seulement si la pratique peut induire des induire des contraintescontraintes durant un durant un entraînement à entraînement à long termelong terme..

L’activité sans L’activité sans chargecharge ou ou impactimpact, comme , comme la natationla natation,, ne semble pas avoir d’effet ne semble pas avoir d’effet ostéogénique.ostéogénique.

Effet de la force musculaire sur la densité osseuseEffet de la force musculaire sur la densité osseuse

Dans cette étude la densité osseuse plus élevée Dans cette étude la densité osseuse plus élevée des gymnastes artistiques est reliée avec une force des gymnastes artistiques est reliée avec une force

musculaire supérieuremusculaire supérieure

Au sein d’un même groupe les différences de Au sein d’un même groupe les différences de densité osseuse semblent influencées par le statut densité osseuse semblent influencées par le statut

hormonal des stéroïdes sexuelshormonal des stéroïdes sexuels

Dans cette étude un résultat original montre que la densité osseuse à Dans cette étude un résultat original montre que la densité osseuse à l’étage lombaire est reliée avec la souplesse, c’est probablement le l’étage lombaire est reliée avec la souplesse, c’est probablement le

résultat des interactions entre degré de liberté articulaire et contraintes résultat des interactions entre degré de liberté articulaire et contraintes mécaniquesmécaniques

Evolution de la masse osseuse au cours de la vie et ses Evolution de la masse osseuse au cours de la vie et ses déterminants: rôle préventif de l’activité physique sur les déterminants: rôle préventif de l’activité physique sur les

effets du vieillissementeffets du vieillissement

GENES

HORMONES

ACTIVITE PHYSIQUENUTRITION +croissance

ménopauseOSTEOPOROSE

?

?

Pic d’acquisition11 – 17 (selon sexe)

Chez l’enfantChez l’enfant Il existe une forte Il existe une forte

relation entre le relation entre le développement de la développement de la masse maigre et la masse maigre et la densité osseusedensité osseuse

Le développement Le développement musculaire de l’enfant musculaire de l’enfant et l’adolescent sportif et l’adolescent sportif stimule puissamment stimule puissamment l’acquisition du pic de l’acquisition du pic de densité osseusedensité osseuse

Bone 2004

Effet préventif Effet préventif

L’augmentation de densité osseuse lors L’augmentation de densité osseuse lors des études d’intervention chez les sujets des études d’intervention chez les sujets âgés est perceptible mais reste faible (1% âgés est perceptible mais reste faible (1% à 3% par année: Suominen Aging Clin Exp à 3% par année: Suominen Aging Clin Exp Res 2006)Res 2006)

L’entraînement en musculation semble L’entraînement en musculation semble plus efficace plus efficace

Meta analyses• Kelley et al, JAP 2000:• Kelley et al; Am J Phy Med Rehabil 2001• Kelley et al; J gerontol A Bio Sci Med

2002Conclusions généralesL’exercice peut améliorer ou maintenir

BMD chez l’hommeLa pratique d’exercices variés est efficace

pour préserver la masse osseuse chez les femmes âgées

Particularités : intensité, hormones

• La marche n’est pas très efficace (longue durée ?)• Monter descendre les escaliers +++ • Jogging +++• Entrainement en force et résistance:

– intenses +++ (Cussler et al. 2003)– Intensité modérée + (Kerr et al. JBMR 1996, Osteopros

Int 1998)• L’activité à base de sauts semble moins efficace chez

la personne âgée que chez le jeune et un même programme d’entraînement (saut) qui améliore la densité chez les femmes pré-ménopausées n’est efficace chez les post ménopausées que s’il est accompagné d’un THS (Bassey et al. JBMR 1998)

L’os peut aussi réguler le métabolisme énergétique par le biais de l’ostéocalcine

Lee et al Cell 2007 viennent de démontrer que l’augmentation de l’action de l’ostéocalcine réduit les réserves de graisse et améliore la régulation de la glycémie en agissant sur:

-La prolifération des cellules β pancréatiques

-Stimulation de la sécrétion d’insuline

-Augmentation de la libération d’adiponectine

Ainsi les contraintes mécaniques de l’entraînement physique sur l’os pourraient avoir un effet métaboliques

Effet de l’entraînement physique Effet de l’entraînement physique sur l’appareil cardio-vasculairesur l’appareil cardio-vasculaire

L’amélioration de toutes la chaînes de L’amélioration de toutes la chaînes de transport de l’oxygène est un facteur transport de l’oxygène est un facteur déterminant de l’adaptation aux efforts déterminant de l’adaptation aux efforts d’enduranced’endurance

Elles se traduit aussi par des adaptations Elles se traduit aussi par des adaptations structurales et fonctionnelles qui ont un structurales et fonctionnelles qui ont un impact majeur sur la santéimpact majeur sur la santé

Le niveau de réponse passe par le crible Le niveau de réponse passe par le crible du potentiel génétique individueldu potentiel génétique individuel

Mécanisme de transport de l’O2

facteurs déterminants le Vo2 max

non limitantétapes limitantes

Ek b lo m B Fa c to rs d e te rm in in g m a xim a l a e ro b ic p o w e r. Ac t Ph ys io l Sc a n d 1 2 8 :1 5 1 9 8 6

Intensité de l’hypertrophie dilatation selon la nature du sport

La p ro p o rtio n d ’a s p e c t d ’h yp e rtro p h ie e t d ila ta tio nEs t fo n c tio n d u s p o rt p ra tiq u é

L’augmentation de la capacité aérobie atteint un plateau en fonction du volume, s on niveau es t génétiquement déterminé. le niveau de répons e de la capacité aérobie chez l’homme à l ’entraînement es t génétiquement déterminé,25 à 50% des différences interindividuelles du VO2 max s ont attribuables à des facteurs génétiques (études de comparais on de jumeaux)

D’après Costill (Physiology of sport exercise Human Kinetics 1994)

Héterogenéité de la réponse du Vo2 max à l’entraînement dans l’étude HERITAGE

Bouchard et Rankinen Med Sci Sport Exerc. 33: s446 2001

Différents mécanismes mis en jeu pour expliquer l’effet du niveau Différents mécanismes mis en jeu pour expliquer l’effet du niveau d’activité physique sur la prévention des maladies cardio-vasculairesd’activité physique sur la prévention des maladies cardio-vasculaires

On retrouve une double action des stimuli mécaniques et On retrouve une double action des stimuli mécaniques et métaboliquesmétaboliques

Haskell WL. Med Sport Sci Exerc. S454 2001Haskell WL. Med Sport Sci Exerc. S454 2001

Angiogenèse elle résulte des contraintes mécaniques sur l’arbre artériel

Régulation de la PA

Action sur des structures en place

Réponse rapide

Elle résulte des contraintes métaboliques

ConclusionsConclusions

L’amélioration des connaissances sur les mécanismes L’amélioration des connaissances sur les mécanismes d’action de l’adaptation à l’entraînement permet de d’action de l’adaptation à l’entraînement permet de préciser les indications pour la santépréciser les indications pour la santé

Les deux grands facteurs de l’adaptation sont les Les deux grands facteurs de l’adaptation sont les contraintes mécaniques et métaboliquescontraintes mécaniques et métaboliques

L’évolution des idées montre qu’il faut un entraînement L’évolution des idées montre qu’il faut un entraînement adapté aux différentes périodes de la vieadapté aux différentes périodes de la vie

Les améliorations résultant de l’entraînement en Les améliorations résultant de l’entraînement en endurance agissent sur la prévention des maladies endurance agissent sur la prévention des maladies métaboliques et cardiovasculaires de l’âge moyen, il faut métaboliques et cardiovasculaires de l’âge moyen, il faut augmenter la part des entraînements en résistance pour augmenter la part des entraînements en résistance pour lutter contre la désadaptation des tissus de soutien des lutter contre la désadaptation des tissus de soutien des personnes plus âgéespersonnes plus âgées