Christophe HAUTIER, PhD
Maître de Conférences Habilité à Diriger des Recherches
Responsable Master 2 PPMR
Dernière mise à jour : septembre 2015

• 1 L’ATP
• 2. La synthèse anaérobie de l’ATP
• 3 La synthèse aérobie de l’ATP
• 4 Influence du temps et de l’intensité sur la participation des différentes filières énergétiques

1 L’ATP

L’Adénosine triphosphate (ATP) est la molécule qui reçoit l’énergie provenant de la dégradation des molécules de lipides, de protéines et de glucides apportées par l’alimentation. Ce transfert d’énergie des substrats vers l’ATP permet son utilisation par les cellules pour assurer les différentes fonctions (digestion, action musculaire, transmission nerveuse circulation sanguine et respiration, synthèse des tissus, sécrétion hormonale). L’ATP est une molécule très énergétique stockée dans les cellules pour répondre aux besoins immédiats. Les cellules musculaires contiennent une réserve limitée en ATP puisque celle-ci serait épuisée au bout de 3 à 4 secondes lors d’une contraction maximale s’il n’y avait des filières permettant de régénérer le stock au fur et à mesure de son utilisation. La cellule n’épuise jamais ses réserves en ATP car elle est capable de resynthétiser la molécule d’ATP en utilisant l’énergie apportée par les substrats énergétiques (glucose, glycogène, acides gras, acides aminés).

2. La synthèse anaérobie de l’ATP

Lors d’un effort bref et intense, la plus grande partie de l’ATP produit provient de deux filières énergétiques anaérobies. Ces filières sont une chaîne de réactions chimiques dites anaérobies car elles ne nécessitent pas l’utilisation de l’oxygène. Bien que les glucides soient la principale source d’énergie pour la resynthèse de l’ATP sans oxygène, une partie non négligeable de cette énergie est fournie directement et rapidement par la dégradation d’une autre molécule à haute énergie la Créatine Phosphate ou Phosphoryle Créatine (PC). Cette molécule est capable de fournir très rapidement l’énergie de la resynthèse de l’ATP. Chaque dégradation d’une molécule de PC permet la resynthèse d’une molécule d’ATP. Le muscle squelettique humain contient 5 fois plus de molécule de PC que d’ATP ce qui signifie qu’un effort maximal pourra être produit pendant 10 à 15 secondes avant d’atteindre l’épuisement des réserves en PC. Cette voie de resynthèse de l’ATP apporte la plus grande partie de l’énergie dépensée lors d’un effort maximal bref de type sprint, saut, lancer, haltérophilie…La dégradation de la molécule de PC ne produit pas de déchet au sens propre en ce sens que les produits de la dégradation seront réutilisés pendant la récupération après l’effort pour refaire les stocks en PC. La PC est donc une molécule à haute énergie, permettant de fournir sans délai l’énergie nécessaire à la resynthèse de l’ATP, cette voie est rapide, ne nécessite pas d’oxygène et ne produit pas ce déchet. Son seul handicap est d’avoir une capacité limitée.

Une autre voie permet la resynthèse de l’ATP sans nécessiter l’apport d’oxygène, c’est la glycolyse anaérobie qui consiste à dégrader les molécules de glucose provenant de la circulation ou stockée dans le muscle sous forme de glycogène. La glycolyse anaérobie correspond à la dégradation incomplète de la molécule de glucose qui permet de synthétiser 2 ATP par molécule de glucose mais qui produit également deux molécules d’acide lactique que l’on peut considérer comme des déchets en ce sens qu’ils acidifient le milieu intramusculaire et limite la capacité à l’effort. Lors des premières étapes de la glycolyse anaérobie, 2 ATP sont d’abord consommées pour phosphoryler le glucose avant de pouvoir retirer l’énergie pour la resynthèse de 4 ATP. Le glycogène est une forme de stockage des sucres dans la cellule (chaine de glucose polymérisé) et sa dégradation passe par les mêmes réactions chimiques que la glycolyse à ceci près qu’il ne nécessite la consommation que d’un seul ATP au début. La glycolyse et la glycogénolyse permettent de fournir très rapidement de l’ATP lors d’un effort intense car elles ne nécessitent pas d’oxygène, les enzymes intervenant dans les réactions se trouvent en grande quantité et leur vitesse d’action est élevée. Ainsi, la glycolyse et la glycogénolyse sont décisives pour des activités physiques de haute intensité et d’une durée allant jusqu’à 90 secondes. En revanche, la limite de cette filière énergétique est la production de lactate et d’ions H⁺ qui génèrent une acidose ayant un effet néfaste sur la capacité du muscle à produire de la force et donc sur le maintien de l’effort. Cependant, le lactate produit pourra être réutilisé lors des phases de récupération pour produire de l’ATP ou pour refaire les stocks en glycogène.

3 La synthèse aérobie de l’ATP

Lorsque l’intensité de l’effort est plus basse et que l’oxygène arrive aux muscles en quantité suffisante, la cellule musculaire peut resynthétiser les molécules d’ATP par la voie aérobie. Cette voie aérobie permet de dégrader les sucres (glucose et glycogène) mais aussi les graisses (triglycérides et acides gras) et les protéines (acides aminés). La voie aérobie repose sur le principe du transfert des électrons du substrat vers un transporteur appelé NAD. Ce dernier va permettre la formation d’ATP au sein de la mitochondrie à condition que des molécules d’oxygène soient présentes pour accepter les électrons ce qui aboutira à la production de 3 ATP par transporteur et 1 molécule d’eau. Tous les substrats dégradés en aérobie passent  par deux étapes clés du métabolisme : 

• Le cycle de Krebs qui  est un enchainement de réactions chimiques ayant pour conséquence la production de CO2 (qui sera éliminé par la respiration) et le transfert des électrons sur le transporteur NAD. Le carbone contenu dans les molécules de CO2 provient des molécules de substrat dégradées.
• La chaîne de transport des électrons qui produit 3 ATP par NAD à condition que l’oxygène puisse accepter les électrons pour former de l’eau (H2O).

Ces deux étapes du métabolisme se déroulent dans une des structures internes de la cellule appelée mitochondrie. La mitochondrie est considérée comme l’usine à produire de l’ATP car elle fournit plus de 95% de l’énergie que nous consommons au cours de notre vie. Le métabolisme aérobie est efficace car la dégradation d’une molécule de glucose par cette voie produit 36 ATP alors qu’en anaérobie il n’y avait que 2 molécules de synthétisées. Les réserves énergétiques de la filière aérobie sont très grandes puisque la quantité de graisse présente dans l’organisme d’un individu de corpulence normale pourrait permettre de faire un effort pendant plusieurs jours sans manger. De plus la dégradation aérobie d’une molécule de glucose ne produit que deux type de déchets, le dioxyde de carbone (CO₂) facilement éliminé par la respiration et l’eau (H₂O) également éliminée facilement ou réutilisée pour les besoins de l’organisme. En ce sens et à intensité modérée, la capacité du métabolisme aérobie est pratiquement illimitée. Le métabolisme aérobie est par contre caractérisé par son inertie et sa faible puissance. Il n’est pas très efficace au  début d’un effort ce qui justifie l’échauffement et sa puissance est faible c’est-à-dire que l’intensité de l’effort doit être modérée si l’on veut utiliser préférentiellement cette filière.

4 Influence du temps et de l’intensité sur la participation des différentes filières énergétiques

La figure 1 représente de manière un peu schématique la participation des filières énergétiques à la fourniture d’énergie en fonction de la durée de l’effort et de l’intensité. La courbe en gras au-dessus indique la puissance que peut fournir l’organisme en fonction de la durée de l’effort. Sur des efforts très brefs la puissance est maximale puis elle diminue au fur et à mesure du temps. Pour un effort de 20 minutes, la puissance produite représente 50% de la puissance maximale. Les courbes en pointillés représentent la participation des différentes filières à la production d’énergie. Les petits pointillés représentent la filière dite anaérobie alactique (car ne produisant pas de lactate) c’est-à-dire la consommation des réserves d’ATP et de PC. La courbe en pointillés un peu plus gros représente la glycolyse et glycogénolyse anaérobies décrites ci-dessus. La courbe en trait discontinu représente la filière aérobie. Si toutes les filières énergétiques produisent de l’énergie dès le début de l’effort, on observe que la durée et l’intensité de l’effort influencent la participation relative de chacune d’entre elles. Ainsi, sur un effort très bref et très intense la puissance fournie par l’individu est maximale et l’énergie dépensée provient en majorité des filières anaérobies (PC et glycolyse). Plus la durée de l’effort augmente et plus la puissance que peut produire l’individu diminue. A ce moment-là, les filières anaérobies participent moins à la production d’énergie et c’est la filière aérobie qui prend le relai. On peut ajouter que la filière aérobie commence par consommer du glucose et du glycogène sur les 40 premières minutes d’effort et que la consommation de graisses n’est à son optimum qu’après les 40 premières minutes d’effort. 

Conséquences pratiques : pour qu’un exercice physique participe à la consommation des réserves de graisse de l’organisme il faut que sa durée soit au moins de 40 minutes et que son intensité soit modérée (50% de la puissance maximale aérobie). Si l’on se réfère à la fréquence cardiaque à l’effort, celle-ci doit être entre 50 et 60% de la fréquence cardiaque de réserve (c’est-à-dire autour de 140 bpm pour un individu de 20 ans,  125 pour une personne de 40 ans et 115 pour un pratiquant de 60 ans). Les efforts trop courts et trop intenses participent au développement des capacités physiques mais ne sont pas optimum pour lutter contre l’accumulation de graisse. Les activités telles que la marche à pied, la natation, le cyclisme, pratiquées sur plusieurs heures sont donc des moyens intéressants pour lutter contre l’accumulation de graisse.