ATP, trois filières et un cœur qui s'adapte : la physiologie de l'effort

Tu montes quatre étages en courant. À l'arrivée : cœur qui cogne, souffle court, cuisses qui brûlent. Deux minutes plus tard, tout rentre dans l'ordre : ton corps vient d'enchaîner trois façons de produire de l'énergie et de réorganiser en urgence la circulation du sang.

1. L'ATP, la seule monnaie du muscle

Un muscle ne se contracte qu'en dépensant l'ATP (adénosine triphosphate). Sa réserve couvre à peine deux à trois secondes d'effort maximal : il faut la refabriquer en permanence, par trois voies appelées filières énergétiques. Chacune a sa puissance (ATP fourni par seconde) et sa capacité (ATP total avant épuisement) : plus une filière est puissante, moins elle dure.

2. Les trois filières énergétiques

La filière anaérobie alactique fonctionne sans dioxygène ni lactate : la phosphocréatine stockée dans le muscle régénère l'ATP presque instantanément. Puissance maximale, capacité minuscule : une dizaine de secondes. Filière du 100 m, du saut, de l'haltérophilie ; la réserve se reconstitue en trois à cinq minutes de repos.

La filière anaérobie lactique dégrade le glucose (ou le glycogène, sa forme de réserve) sans dioxygène : c'est la glycolyse, qui ne donne que 2 ATP par molécule de glucose et produit du lactate avec des ions H+. Ces ions acidifient le muscle : brûlure des cuisses, perte de force. Elle domine les efforts intenses de 15 secondes à 2 minutes, comme le 400 m, où le lactate sanguin atteint 15 à 20 mmol/L à l'arrivée, contre 1 au repos.

La filière aérobie travaille dans les mitochondries, avec du dioxygène : glucose et lipides y sont oxydés en dioxyde de carbone et eau, rendement énorme : 36 ATP par glucose dans le décompte classique des manuels. Puissance plus faible, capacité quasi illimitée : elle domine au-delà de deux ou trois minutes. Sa puissance maximale est la VO2max, le volume de dioxygène consommé par minute et par kilogramme : 40 à 45 mL chez un lycéen peu entraîné, 80 à 90 chez les champions d'endurance. Sur le terrain, on mesure la vitesse maximale aérobie (VMA) et l'on estime VO2max ≈ 3,5 × VMA : 14 km/h donnent 49 mL par minute et par kg.

Les trois filières démarrent ensemble ; l'une domine selon durée et intensité : sur un 800 m, départ alactique, milieu lactique, fin aérobie.

3. Pendant l'effort

La fréquence cardiaque (FC) passe de 60 à 80 battements par minute au repos (40 à 50 chez les sportifs d'endurance) à une valeur maximale estimée par FC max ≈ 220 − âge, soit environ 204 à 16 ans. Le cœur éjecte aussi plus à chaque battement : son volume d'éjection systolique (VES) monte de 70 à 120 mL ou plus. Le débit cardiaque Q = FC × VES bondit : au repos 70 × 70 mL ≈ 5 L par minute ; à l'effort maximal 190 × 120 mL ≈ 23 L par minute.

Ce sang est redistribué : vaisseaux musculaires dilatés, vaisseaux digestifs contractés, les muscles reçoivent environ 80 % du débit cardiaque, contre 20 % au repos. La ventilation suit : au repos 0,5 L d'air 12 à 16 fois par minute (6 à 8 L par minute) ; à l'effort maximal 2 à 3 L d'air 40 à 60 fois par minute (100 à 150 L).

Deux types de fibres se partagent le travail : les lentes (type I), riches en mitochondries, endurantes, majoritaires chez le marathonien ; les rapides (type II), puissantes mais vite fatiguées, majoritaires chez le sprinteur.

4. Après l'effort

À l'arrêt, la FC redescend, d'autant plus vite que le sportif est entraîné. Mais la respiration reste ample plusieurs minutes : le corps rembourse une dette de dioxygène. Il reconstitue la phosphocréatine (3 à 5 minutes), élimine le lactate (30 à 60 minutes, plus vite en récupération active, footing lent), recharge le sang et les muscles en dioxygène et évacue la chaleur. Les courbatures du surlendemain ne viennent pas du lactate, parti depuis longtemps, mais de micro-lésions des fibres.

À long terme, l'entraînement transforme la machine : le VES augmente, donc la FC de repos diminue (bradycardie du sportif), les muscles gagnent capillaires et mitochondries, et la VO2max progresse de 10 à 20 % en quelques mois.

À retenir

• L'ATP est la seule source directe d'énergie du muscle ; trois filières la régénèrent, chacune avec sa puissance et sa capacité.
• Anaérobie alactique (phosphocréatine, environ 10 s), anaérobie lactique (glycolyse, 2 ATP par glucose, lactate et acidité, 15 s à 2 min), aérobie (mitochondries, 36 ATP par glucose, au-delà de 2 à 3 min).
• VO2max = puissance de la filière aérobie, en mL par minute et par kg ; VO2max ≈ 3,5 × VMA.
• À l'effort : FC max ≈ 220 − âge, Q = FC × VES de 5 à plus de 20 L par minute, 80 % du sang aux muscles, ventilation × 15 à 20.
• Après l'effort : dette de dioxygène, reconstitution de la phosphocréatine, élimination du lactate ; avec l'entraînement, VES en hausse et FC de repos en baisse.

★ Pour aller plus loin

Le physiologiste britannique Archibald Vivian Hill, prix Nobel en 1922 pour ses mesures de la chaleur produite par le muscle, a introduit la notion de « dette d'oxygène ». Le lactate, longtemps accusé de tous les maux, est réhabilité : le cœur et les fibres lentes le réutilisent comme carburant, c'est la navette du lactate.

Un cycliste professionnel peut éjecter 200 mL par battement et battre moins de 35 fois par minute au repos ; des skieurs de fond approchent 90 mL par minute et par kg de VO2max.

Sources pour creuser

• Physiologie du sport et de l'exercice, Jack H. Wilmore, David L. Costill et W. Larry Kenney (De Boeck Supérieur).
• Physiologie et méthodologie de l'entraînement, Véronique Billat (De Boeck).
• C'est pas sorcier, épisode « Le cœur » (chaîne YouTube officielle).
• Major Mouvement (Grégoire Gibault, YouTube) et lumni.fr, rubriques EPS et SVT.