Les mitochondries

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    mitochondrieDans l’article sur l’acide lactique, nous avons plusieurs fois utilisé le terme ‘mitochondrie’. Voyons ce qu’elles sont et ce qu’elles font du point de vue de l’entraînement.

    Les mitochondries sont des cellules que l’on retrouve à l’intérieur de toutes les cellules (sauf les globules rouges). Elles sont indépendantes du fonctionnement des cellules (elles possèdent leur propre ADN, essentiellement transmis par la mère). Cette cellule est l’une des plus anciennes cellules vivantes connues. Elles dérivent toutes d’une mitochondrie originelle présente il y a plus de 2 milliards d’années dans une bactérie (protéo-bactérie).

    A force de mutations, de modifications (transmission de gènes aux cellules réceptrices, et inversement), chaque espèce a développé un ADN propre. Selon la théorie de l’Ève mitochondriale, tous les hommes descendraient d’une femelle de 150’000 ans, notre ancêtre commune du point de vue de cette cellule : les origines humaines ne sont pas uniquement à prendre en fonction des gènes de la cellule ni de l’ossature, mais également en fonction de l’ADN mitochondriale.

    Qu’est-ce qu’une mitochondrie ?

    Rien de plus qu’une usine à énergie peu optimisée. En effet, son premier rôle est de produire de l’énergie (ATP) à partir de différents éléments. Mais elle fonctionne mal : il y a beaucoup de déperdition de chaleur : 70% de l’activité mitochondriale part en chaleur. Il s’agit donc d’une usine à chaleur (lorsque nous en avons besoin pour optimiser certaines fonctions hormonales notamment, pour se réchauffer).

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    Comment évolue-t-elle ?

    Qui dit cellule, dit évolution. Et en effet, elle évolue en permanence. Nous ne produisons pas des mitochondries comme nous produisons des cellules du cœur, du foie, des cheveux : cette évolution provient d’une mitochondrie qui se multiplie (et fusionne également) en fonction des besoins. En cela elles sont indépendantes.

    Mais elles sont dépendantes de l’activité : nous pouvons retrouver 5 à 10 fois plus de mitochondries dans un muscle fonctionnant en permanence (le cœur par exemple) par rapport à un muscle inactif.

    Son évolution se fait par fusion et division. Une mitochondrie, lorsqu’elle est sollicitée, grossie. A un certain niveau, elle se divisera pour produire ainsi 2 usines.

    Comme toute cellule, est n’est pas éternelle. Sa durée de vie varie en fonction de sa localisation : un muscle permettra environ 4 semaines de vie à cette mitochondrie alors que le foie la limitera à 1 semaine environ. Ceci est particulièrement intéressant quant aux cycles d’entraînement lors de votre préparation physique.

    L’entraînement est une des causes de la multiplicité et de l’hypertrophie des mitochondries au sein des fibres musculaires. Mais pas forcément l’entraînement d’endurance comme on l’entend traditionnellement. En effet, Gollnick & Saltin (1982) ont montré que même si un entraînement à 50% de la VO2max entraîne un développement maximal des mitochondries, celui-ci se cantonnera aux fibres musculaires de type I (lent). Ainsi, un entraînement long et lent ne servira que pour ces cellules (du point de vue énergétique, l’aspect cardiovasculaire et résistance à la fatigue sont deux autres domaines de l’entraînement en endurance). Dudley (1987) a confirmé la chose en montrant que seules des intensités supérieures développent les mitochondries des fibres de type II. En mettant en relation qu’au plus haut niveau du marathon par exemple, contrairement à ce que l’on peut lire, le type de fibres utilisé tend vers les fibres de type 2, attention aux choix d’entraînement !

    Au passage, il s’agit encore d’une preuve que l’intensité définit la cible musculaire, qu’il n’y a pas de fibres au repos pour prendre le relais lorsque les autres sont fatiguées, comme nous en avions déjà discuté dans l’une des règles d’entraînement.

    Comment fonctionne-t-elle ?

    Le fonctionnement énergétique peut-être schématisé comme suit :

    La cellule (musculaire par exemple) dégrade la source d’énergie (le glucose) en pyruvate. Ce dernier entre dans la mitochondrie avec un proton (H+) et après différentes réactions (regroupées sous les termes cycle citrique, cycle de Krebs, cycle oxydatif), nous obtenons de l’énergie (ATP) et un renouvellement des substrats qui permettront à nouveau l’utilisation du glucose.

    La mitochondrie ne transformera que le pyruvate (pour cette partie du travail). Ainsi, il sera nécessaire d’en produire à partir des substrats potentiels (sucre, acide gras, protéines). Il est donc important que l’entraînement soit orienté de manière à produire le plus de pyruvate possible. L’équilibre entre l’endurance classique (longue durée d’effort) et résistance (durée d’effort inférieur à 2 minutes environ) se situera dans l’équilibre entre la production de pyruvate et l’apport en oxygène. En effet, la mitochondrie, pour fonctionner, a besoin de plusieurs enzymes, d’un PH particulier, de dioxygène et d’un certain nombre d’éléments autres. L’entraînement permet de développer ses capacités (prolifération des enzymes, amélioration de l’apport en O2 par exemple). Mais il arrivera toujours un moment où la production de pyruvate sera supérieure aux possibilités. Nous serons alors en production glycolytique (anaérobie lactique) avec un arrêt de l’effort à plus ou moins long terme.

    L’entraînement visera à développer le nombre et la taille des mitochondries (augmentation de la capacité), ainsi que des éléments limitant le fonctionnement de chacune d’elles.

    La durée de l’effort n’est pas le seul élément intéressant. En effet, de très nombreux sports pratiquent l’effort par interval (la musculation avec ses séries, les sports collectifs avec leurs efforts relativement brefs mais répétitifs).

    Que se passe-t-il pour eux ? La brièveté des efforts va permettre l’utilisation d’intensités fortes (proches de VO2max, voir largement au-dessus pour le sprint ou la force). Il sera impossible, durant cet effort, d’utiliser les mitochondries complètement (trop de réactions à produire, impliquant une limite à l’équilibre glycolyse-aérobie) ; toutefois, entre chaque effort, il y a récupération. C’est là que les mitochondries interviennent majoritairement (utilisation des stocks de pyruvate et de lactate pour refaire le plein d’énergie). Mais, contrairement aux efforts longs, un grand nombre de fibres de type II ont fonctionné. Ainsi les mitochondries de ces fibres vont s’activer. Les mitochondries de type I étant en permanence sollicitées, le maillon faible sera la mitochondrie de type II.

    En conclusion, il ne servira à rien de pratiquer l’endurance longue et légère pour les sports visant des sprints répétitifs, des efforts courts et moyens. Il conviendra, du point de vue mitochondrial, de travailler par intermittence (pour augmenter l’intensité de travail et donc les mitochondries activées).

    Et pour l’endurance longue et légère (ultra-marathon, marathon, triathlon, etc.), est-ce la même chose ?

    Lorsque nous produisons du pyruvate, il est très (trop) rapidement transformé en lactate. Ainsi, soit ce dernier sera retransformé en pyruvate pour passer dans la mitochondrie, soit il sortira de la cellule pour passer dans les fibres musculaires au repos ou dans le flux sanguin (pour aller au cerveau, au cœur, dans les autres muscles inactifs, etc.). Ce qui nous intéresse ici est le passage dans les cellules musculaires inactives (du muscle travaillant ou des autres muscles). Le lactate est alors transformé en pyruvate et les mitochondries vont produire de la chaleur ; une manière de faire tampon à l’élévation des ions H+ et donc de l’acidité.

    Là, nous arrivons à une bifurcation.

    Tout d’abord pour l’effort long et intense : il sera intéressant que le plus possible de fibres du muscle travaillant soient pourvues d’un système mitochondrial opérationnel. En effet, les fibres au repos pourront prendre en charge ce lactate et tamponneront alors l’élévation de la lactémie sanguine. Un marathonien s’entraînant majoritairement à sa vitesse de marathon aura moins de capacité de tampon que le marathonien s’entraînant régulièrement à des intensités plus importantes.

    Ensuite pour la préparation physique (du marathonien, mais également pour tous les autres sports) : dans un premier temps, le lactate va passer dans le sang et aller vers des muscles au repos. Si ces derniers sont rarement entraînés, ils ne pourront pas ou très peu faire leur travail mitochondrial. A l’inverse, en se préparant sans oublier de groupes musculaires, nous permettons à notre organisme d’utiliser un maximum de muscles lors des efforts même endurant (pour transformer le lactate en chaleur et énergie).

    Un second intérêt apparaît également : l’échauffement. Souvent les coureurs courent, les lanceurs se focalisent sur le haut du corps et l’échauffement général est spécifique au travail à faire. Pourtant, nous voyons, grâce aux mitochondries, un intérêt majeur à la partie générale de l’échauffement : élever la température de tous les muscles, abaisser le pH de tous les muscles de manière à optimiser ce travail de recyclage du lactate.

    Ainsi, un pratiquant de la musculation qui sous prétexte qu’il ne travaillera que le dos ne s’échauffera que ce groupe musculaire et ceux avoisinant sera dans l’erreur et réduira l’intérêt de sa séance d’entraînement. Un exemple frappant pour ceux qui connaissent l’athlétisme : combien de séances ‘lactiques’ se sont terminées avec cette brûlure caractéristique aux biceps ? La cause invoquée le plus souvent : un manque de relâchement. Mais bien sûr… Les mitochondries n’ayant pu transformer le lactate et les ions H+, ils sont stockés localement, engendrant les mêmes sensations qu’aux muscles ciblés par l’entraînement. Le manque de relâchement peut bien évidemment en être la cause. Mais pas que !

    Tim Noakes (Lore of running) nous montre, du point de vue de la mitochondrie, un élément important : les cycles d’entraînement. En effet, en exploitant le HIIT (Interval training à haute intensité) sur 15 minutes par jour à une VO2 de 116% permet d’atteindre plus rapidement la limite d’adaptation mitochondriale. Cette limite semble pouvoir être maintenue durant plusieurs semaines en réduisant le volume des deux tiers. Comme les adaptations à l’entraînement (renforcement neuromusculaire notamment) est plus lent que celle des mitochondries, on voit clairement qu’il sera plus intéressant de s’atteler à fortement élever l’activité mitochondriale (HIIT par exemple) durant 3 à 4 semaines et de simplement maintenir cette activité (en divisant par 3 le volume spécifique), permettant ainsi de limiter le volume global d’entraînement. C’est d’ailleurs ce que proposent les cycles traditionnels de force où l’on débute par 3 à 4 semaines dites de renforcement avant d’entamer le développement réel de la force.

    Pourquoi ? Habituellement, on travaille par cycles (ou sans cycle) avec augmentation de  la charge globale d’entraînement. Lorsqu’intervient la notion d’endurance, le volume est très important (augmentation de charge oblige). Ceci au détriment de la récupération. Si à l’inverse on débute avec 15 minutes de HIIT par jour sur quelques semaines. Cette activité permettra un travail concomitant d’autres qualités (faible volume). Lorsque le niveau est suffisant, on casse celui du HIIT (division par 3 en maintenant l’intensité, donc 1 à 2 fois 15 minutes par semaine) pour augmenter celui plus spécifique aux objectifs.

    L’immense avantage sera que lorsque l’on arrivera au moment où les adaptations à l’entraînement feront leurs effets (autre que mitochondriale), le système énergétique sera optimal et provoquera donc l’effet boule de neige. Mieux, le système mitochondrial étant optimal tout le long de la progression, celle-ci sera potentiellement maximale.

    Et la chaleur ?

    En dehors de l’aspect maintien de la température corporelle, les mitochondries ont un rôle important dans le fonctionnement du muscle et plus particulièrement dans la récupération.

    En effet, après l’entraînement (et majoritairement la nuit), une hormone travaille : la GH (hormone de croissance). Elle est importante à la reconstruction du muscle et à son adaptation. Elle va initier la destruction des fibres musculaires endommagées et la reconstruction de ces dernières. Ces processus nécessitent de la chaleur, beaucoup de chaleur. Pour cela, certaines hormones (les hormones découplantes, UCP et notamment l’UCP3) vont faire fonctionner les mitochondries à vide : elles vont produire de la chaleur sans énergie).

    Cela fonctionne schématiquement comme cela :

    L’entraînement provoque une entrée de sucre et d’acides gras dans le muscle. Cette entrée provoque une fabrication d’UCP3. Cette UCP3 couplée avec la GH va augmenter le fonctionnement des mitochondries ainsi que sa fabrication (le volume d’UCP3 engendre le volume de mitochondries).

    Or, quand a-t-on le plus d’entrée de sucre dans la cellule ? Lorsque nous vidons rapidement le stock de glycogène musculaire. Quand cela arrive-t-il? Lorsque nous pratiquons des efforts endurants à haute intensité. Pourquoi? Parce que les stocks en glycogène musculaire des fibres endurantes ne se dégraderont pas assez pour engendrer une arrivée massive de glucose (nous travaillons sur une notion de baisse, pas de niveau fixe). En travaillant à haute intensité, les fibres ‘rapides’ qui ont des stocks plus faibles, vont rapidement perdre (en pourcentage). Le glucose (et les acides gras) vont rapidement pénétrer ces cellules, engendrant la sécrétion d’UCP3 (et plus tard de GH). Au final, nous facilitons le fonctionnement aérobie du muscle même si nous ne produisons pas l’effort sur des durées très importantes.

    Mieux : En augmentant l’endurance des cellules moins endurantes, nous engendrons une adaptation mitochondriale chez ces dernières, permettant des efforts plus longs avec la même intensité. Donc nous augmentons la possibilité de travail de la GH au sein de ces cellules.

    Ainsi, que l’objectif soit l’endurance, la force, la masse musculaire, le travail en endurance et plus précisément en endurance à haute intensité, va favoriser le potentiel du muscle clé, mais également aider les autres muscles lorsque ceux-ci seront les muscles clés.

    Cet article fait partie du recueil 2011-2012


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      A propos de Sébastien BÊME

      Préparateur physique depuis +20 ans. De formation Staps, diplômé BPJEPS AGFF, Certifié CrossFit Level 1, Gymnastics et Weightlifting. Formation CrossFit Judge et Scaling Auteur de nombreuses publications et propriétaire des sites internet www.gymsante.eu (et ses déclinaisons), www.fuck-genetics.fr et www.etre-conscient.com

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      Livre – Entraînement Fonctionnel