SSE #124 Les substances tampons et leur rôlo dans la préparation des athlètes sur le plan alimentaire

Andrew M. Jones

Points Principaux

  • La performance d’un athlète lors d’un exercice à intensité élevée, effectué par intervalles ou en continu, peut être en partie diminuée par l’accumulation d’ions hydrogène (H+) qui réduisent le pH musculaire et interfèrent avec la contractilité musculaire et le métabolisme. 

  • L’accumulation des ions H+ dans les cellules musculaires et le sang peut être contrebalancée par différents mécanismes qui, pour la plupart, ne peuvent être altérés par l’alimentation. Il y a toutefois deux exceptions : la carnosine, une substance tampon intracellulaire, et le bicarbonate, une substance tampon extracellulaire. Une intervention nutritionnelle introduisant de la carnosine et du bicarbonate dans l’alimentation peut en effet augmenter la résistance à la fatigue et améliorer la performance lors d’un exercice à intensité élevée.

  • La concentration musculaire en carnosine peut être augmentée par des suppléments alimentaires de ß-alanine (environ 3 à 6 g de ß-alanine par jour pendant 4 à 8 semaines), tandis que la concentration extracellulaire en bicarbonate peut être augmentée d’environ 20 % en prenant du bicarbonate de sodium (environ 0,3 g/kg de masse corporelle, 1 à 2 heures avant l’exercice).

  • Il a été montré que la ß-alanine et le bicarbonate de sodium peuvent augmenter la performance à l’effort de l’athlète lors d’un exercice à intensité élevée, effectué par intervalles ou en continu, au cours duquel l’énergie est surtout produite par glycolyse anaérobie.

  • Les suppléments de bicarbonate de sodium peuvent entraîner des troubles gastro-intestinaux et les suppléments de ß-alanine à des doses supérieures à 10 mg/kg de masse corporelle peuvent causer une paresthésie de courte durée (bouffées congestives et sensation de fourmillements), mais de récents suppléments à libération prolongée ont permis de diminuer considérablement l’importance des ces effets indésirables.

  • Il est important que les athlètes fassent l’essai des suppléments de bicarbonate ou de ß-alanine avant une compétition pour s’assurer que les bienfaits qu’ils en retirent l’emportent sur les effets indésirables.

Introduction

La performance à l’effort des athlètes qui pratiquent de sports au cours desquels la distance parcourue est moyenne (sur une période d’environ 1 à 8 minutes) varie en fonction de l’apport énergétique obtenu par l’intermédiaire des métabolismes oxydatif et non oxydatif. La demande énergétique au cours de ces sports avoisinant ou dépassant le taux maximal de consommation d’O2, une grande partie de l’apporté énergétique se fait donc par glycolyse anaérobie, ce qui entraîne une production importante de lactate ou d’ions hydrogène (H+). Ces fortes augmentations d’ions H+ peuvent réduire le pH musculaire d’environ 7,1 au repos à une valeur aussi basse que 6,4 à l’épuisement. Même si de nombreux facteurs peuvent expliquer la fatigue lors de ces sports (et d’autres), les limites relatives à la performance semblent être liées à l’importance de l’acidose musculaire associée à d’autres perturbations ioniques et pouvant avoir un effet sur l’excitabilité musculaire (Chin et Allen, 1998; Fitts, 1994). L’acidose métabolique peut nuire à la performance en agissant directement sur la contraction musculaire, en limitant la resynthèse des phosphates à haute teneur en énergie et en inhibant la glycolyse anaérobie (Fitts, 1994).

Au cours d’un exercice à intensité élevée, l’équilibre acido-basique du milieu intracellulaire et extracellulaire est maintenu grâce à de nombreux mécanismes, la carnosine intracellulaire et le bicarbonate plasmatique y jouant un rôle majeur (Juel, 2008; Harris et Sale, 2012). Pour améliorer leur performance, les athlètes parcourant des distances moyennes peuvent être en mesure d’augmenter la capacité de leur organisme à maintenir l’équilibre acido-basique grâce à deux suppléments alimentaires. Le premier supplément alimentaire ayant fait ses preuves est le bicarbonate de sodium, qui améliore la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu extracellulaire. Vient ensuite la ß-alanine, un acide aminé non essentiel ayant fait l’objet de recherches moins poussées, mais qui a la capacité de maintenir la supplémentation à long terme. Elle améliore la capacité à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu intracellulaire.

Maintien de l’équilibre acido-basique en milieu extracellulaire : le bicarbonate de sodium

Une importante glycolyse anaérobie dans le muscle squelettique au cours d’un exercice à intensité élevée peut augmenter le nombre d’ions hydrogène (H+) au-delà de la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu intracellulaire. Une augmentation de la concentration de bicarbonate et du pH en milieu extracellulaire entraîne toutefois une libération plus forte d’ions H+ provenant du muscle vers milieu extracellulaire (Juel, 1996). L’accumulation d’ions H+ dans les cellules musculaires a des effets néfastes; la libération plus forte d’ions H+ vers le milieu extracellulaire peut donc ralentir la baisse de pH dans les cellules musculaires et ainsi ralentir l’évolution de la fatigue musculaire tout en améliorant la performance grâce à un apport énergétique plus important dû à la glycolyse anaérobie (Hollidge-Horvat et coll., 2000).

Le bicarbonate joue un rôle important dans le maintien de l’équilibre acido-basique et de l’équilibre électrolytique entre les milieux intracellulaire et extracellulaire. Une « charge en bicarbonate » se justifie ainsi : l’apport alimentaire en bicarbonate peut augmenter temporairement le taux de bicarbonate et de pH dans le sang et ainsi améliorer la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu extracellulaire. Le taux de bicarbonate dans le liquide extracellulaire est généralement d’environ 25 mmol/L au repos, mais il peut augmenter à presque 30 mmol/L après une dose de 0,3 g de bicarbonate de sodium par kilogramme de masse corporelle. Les ions H+ et le bicarbonate se lient pour former de l’acide carbonique dont la dégradation produit du dioxyde de carbone et de l’eau. À la lumière des données ci-dessus, l’effet d’une charge en bicarbonate pourrait être plus marqué chez les athlètes participant à des événements sportifs au cours desquels l’apport énergétique se fait par glycolyse anaérobie, ce qui rend plus difficile le maintien de l’équilibre acido-basique et limite la performance.

Charge en bicarbonate

Pour une charge en bicarbonate, les athlètes prennent le plus souvent une forte dose de bicarbonate avant une séance d’entraînement ou une compétition. De façon générale, l’athlète prend 0,3 g de bicarbonate de sodium par kilogramme de masse corporelle (p. ex., 20 g pour un athlète de 70 kg), 1 à 2 heures avant l’exercice. Le citrate a également été utilisé pour aider l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique, mais il ne semble pas aussi efficace que le bicarbonate pour améliorer la performance (Carr et coll., 2011a).

Des troubles gastro-intestinaux, y compris une douleur abdominale, de la diarrhée, des nausées et des vomissements, sont les principaux effets indésirables potentiels des suppléments de bicarbonate. Sans l’ombre d’un doute, pour les athlètes, de tels effets indésirables peuvent être des problèmes importants pendant une compétition. La meilleure stratégie pour augmenter l’alcalose (alcalinité du sang) et réduire le risque de symptômes gastro-intestinaux est de répartir la consommation de bicarbonate dans le temps, en commençant 120 à 150 minutes avant le début de l’exercice, et de le prendre avec de petites collations à teneur élevée en glucides et un liquide. Il est recommandé aux athlètes qui désirent prendre du bicarbonate de faire quelques essais afin de savoir quelle stratégie leur convient le mieux (ou permet de maximiser la performance tout en minimisant les troubles gastro-intestinaux).

Un autre effet indésirable associé à la supplémentation de bicarbonate de sodium est une rétention liquidienne temporaire due à la grande quantité de sodium qu’il contient. Si la rétention liquidienne peut s’avérer utile dans la pratique de sports au cours desquels les athlètes transpirent abondamment, l’augmentation de la masse corporelle qui lui est associée peut présenter un désavantage dans d’autres circonstances.

 Effects du bicarbonate sur la performance

Comme l’avons déjà indiqué, en théorie, une charge en bicarbonate peut améliorer la performance lors d’événements sportifs au cours desquels les athlètes produisent de grandes quantités d’énergie par la glycolyse anaérobie. Cette observation s’applique tout particulièrement aux activités sportives exigeant un effort très intense et soutenu pendant environ 1 à 8 minutes comme la nage, la course, le cyclisme sur piste et l’aviron. Toutefois, une charge en bicarbonate pourrait également améliorer la performance lors d’événements de plus longue durée (30 à 60 minutes) en réduisant la fatigue ressentie par l’athlète ou en lui permettant d’augmenter sa puissance en cas d’effort intense au cours ou à la fin de l’événement (sprint final). Une étude effectuée par Berg et ses collaborateurs (2006) a révélé que, pendant un exercice exigeant un effort constant à une intensité qui correspond à environ 80 % du VO2 max, prendre du bicarbonate réduit la « composante lente » de la consommation en oxygène (VO2), ce qui indique une perte progressive de l’efficacité musculaire. Le coût de l’exercice en O2 avait diminué de façon significative après 6 minutes, ce qui, dans ces circonstances, peut signifier un ralentissement de l’évolution de la fatigue (peut-être due à une baisse moins marquée du pH) et une mobilisation brutale des fibres musculaires à contraction rapide pendant l’exercice. De plus, les suppléments de bicarbonate pourraient améliorer la performance dans le cas des sports exigeant des efforts à intensité élevée avec intervalles, par exemple les sports d’équipe, les sports de raquette et les sports de combat (Bishop et coll., 2010). Bishop et ses collaborateurs (2004) ont montré une augmentation significative de 5 % de l’effort total fourni pendant 5 sprints de 6 secondes séparés par des périodes de récupération de 30 secondes, mais aucune amélioration de la performance n’a été observée par Parry-Billings et MacLaren (1986) chez des athlètes faisant des sprints répétés d’une durée de 30 secondes.

La capacité du bicarbonate à améliorer la performance a fait l’objet de nombreuses études, tant en laboratoire que sur le terrain. Mises à part quelques exceptions (Parry-Billings et MacLaren, 1986; Stephens et coll., 2002; Vanhatalo et coll., 2010), ces études montrent en général les bienfaits d’une charge en bicarbonate dans le cas des sports énumérés ci-dessus (Costill et coll., 1984; Jones et coll., 1977). Une analyse documentaire a permis à Requena et ses collaborateurs (2005) d’en conclure que les athlètes s’adonnant à des sports exigeant un effort intense et mobilisant une masse musculaire relativement importante (athlétisme, cyclisme, aviron, natation et de nombreux sports d’équipe) pourraient tirer profit d’une charge en bicarbonate. Une méta-analyse avait précédemment conclu que, pour les athlètes, les bienfaits du bicarbonate de sodium étaient modérés lors d’un effort d’une durée de 30 secondes à 7 minutes (Matson et Tran, 1993). Les effets positifs des suppléments de bicarbonate sur la performance dépendaient du degré d’acidose métabolique pendant l’effort, ce qui porte à croire qu’ils seraient dus à un effet conjoint de l’accumulation de H+ en milieu intracellulaire et de l’alcalose extracellulaire en raison de l’apport en bicarbonate. Une autre méta-analyse a quant à elle conclu qu’une dose de 3 mg de bicarbonate par kilogramme de masse corporelle permet d’améliorer la performance de 1,7 %, en moyenne, chez des athlètes masculins effectuant un seul sprint d’une durée de 1 min (Carr et coll. 2011b). Les bienfaits du bicarbonate variaient en fonction des facteurs suivants : dose d’attaque (amélioration de 0,5 % de la performance, en moyenne, à chaque palier de 0,1 mg/kg de masse corporelle); nombre de sprints effectués (amélioration de 0,6 % de la performance, en moyenne, pour 5 sprints supplémentaires); durée de l’effort (diminution de 0,6 % de la performance quand la durée du test passait de 1 à 10 minutes); la condition physique (réduction de 1,1 % de l’efficacité chez les non-athlètes) et le sexe (0,7 % moins efficace chez les athlètes de sexe féminin que chez les athlètes de sexe masculin) (Carr et coll. 2011b).

Au lieu de prendre une dose d’attaque relativement élevée de bicarbonate, il est possible d’obtenir une charge en bicarbonate en prenant de petites doses pendant plusieurs jours avant la compétition. Cette approche augmente la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu extracellulaire tout en présentant un risque moins élevé de troubles gastro-intestinaux. L’approche standard consiste à prendre de 100 à 150 mg/kg de masse corporelle par jour de bicarbonate de sodium, en 3 ou 4 doses, sur une période de 3 à 5 jours avant la compétition. Plusieurs jours d’un tel schéma posologique augmentent la concentration sanguine de bicarbonate, qui se maintient pendant au moins 24 heures après la dernière dose (McNaughton et Thompson, 2001). Il s’agit donc d’une stratégie qui peut s’avérer utile si l’objectif est d’améliorer la performance pendant plusieurs activités sportives tenues le même jour ou quand une compétition dure plusieurs jours. Elle a aussi l’avantage de réduire le risque de troubles gastro-intestinaux dans les heures qui précèdent la compétition. Toutefois, en ce qui concerne la charge en bicarbonate et la performance athlétique, nous disposons de relativement peu de données sur l’efficacité de cette stratégie à plus long terme.

Le bicarbonate pouvant permettre de soutenir un effort plus important pendant un seul exercice ou pendant une série d’exercices, il est raisonnable de se demander si l’utilisation prolongée de bicarbonate peut à son tour aider l’athlète dans son programme d’entraînement. Edge et ses collaborateurs (2006) ont étudié les effets d’une charge prolongée en bicarbonate avant des séances d’entraînement avec intervalles chez des athlètes de sexe féminin modérément entraînées. Pendant 8 semaines, les sujets ont pris 400 mg/kg de masse corporelle de bicarbonate trois fois par semaine (avant les séances d’entraînement intensif). Les chercheurs ont observé une amélioration nettement plus importante du temps avant l’épuisement chez celles qui avaient pris le bicarbonate (164 %), comparativement à celles du groupe placebo (123 %). Les auteurs en ont conclu que l’entraînement lui-même est important pour augmenter la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique dans les muscles et que les suppléments de bicarbonate permettent d’augmenter l’intensité de l’entraînement tout comme la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique.

Maintien de l’équilibre acido-basique en milieu intracellulaire : la carnosine

La carnosine, une puissante substance tampon intramusculaire, est un dipeptide qui se trouve en grandes concentrations dans le cytosol des muscles squelettiques et en concentrations particulièrement élevées dans les fibres musculaires à contraction rapide (Artioli et coll., 2010; Derave et coll., 2010). Les espèces animales dont la survie dépend de la production d’énergie et de l’exercice anaérobie (p. ex., chevaux et lévriers) ou dont l’organisme s’est adapté à des périodes d’hypoxie (p. ex., baleines) ont une concentration musculaire de carnosine particulièrement élevée (Harris et coll., 1990). Par ailleurs, il a été observé que la concentration de carnosine est plus élevée chez les sprinters que chez les marathoniens (Parkhouse et McKenzie, 1984) et que l’entraînement au sprint augmente la concentration musculaire de carnosine (Suzuki et coll., 2004). Ces différentes naturelles entre les concentrations musculaires de carnosine justifient les interventions en nutrition visant à augmenter la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu intracellulaire et visant à améliorer la performance. Il a été estimé que, dans le muscle et dans des conditions normales, la carnosine contribue à environ 7 % de la capacité totale à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu intracellulaire et que cette contribution pourrait s’élever à 15 % avec une supplémentation alimentaire à base de ß-alanine (Harris et coll., 2006). La ß-alanine est un acide aminé naturel qui, comme l’histidine, est un précurseur de la carnosine. La concentration musculaire de L-histidine étant plus élevée que celle de la ß-alanine, cette dernière est considérée comme un facteur limitant à la synthèse de la carnosine.

Augmentation de la concentration musculaire de carnosine

Suffisamment de preuves montrent maintenant que la concentration musculaire de carnosine peut être augmentée de façon significative (de 40 à 50 %) avec une supplémentation en ß-alanine, à raison d’environ 3 à 6 g/jour pendant 4 à 8 semaines (Derave et coll., 2010; Harris et coll. 2006). De plus, après une supplémentation en ß-alanine, la concentration de carnosine dans le muscle squelettique diminue très lentement; en effet, certaines études donnent à penser qu’après avoir cessé la supplémentation, la concentration de carnosine peut prendre de 10 à 15 semaines pour revenir à sa valeur initiale (Baguet et coll., 2009; Stellingwerff et coll., 2012). Des doses de ß-alanine supérieures à 10 mg/kg de masse corporelle peuvent entraîner de courts épisodes de paresthésie (bouffées congestives et sensation de fourmillements), mais de récents suppléments à libération prolongée ont permis de diminuer considérablement l’importance de ces effets indésirables.

Effects de l'augmentation de la concentration musculaire de carnosine sur la performance

Dans le cadre de l’une des premières études sur le sujet, Suzuki et ses collaborateurs (2002) ont révélé que la performance au cours d’un test de Wingate d’une durée de 30 secondes était directement proportionnelle à la concentration musculaire en carnosine au début du test. Une étude subséquente a, quant à elle, montré que les suppléments de ß-alanine diminuent l’importance de la diminution de pH sanguin pendant un effort intense (Baguet et coll., 2010). Certaines études ont montré les effets bénéfiques des suppléments de ß-alanine sur la performance lors d’un effort d’une intensité élevée, notamment en cyclisme, en aviron et lors d’exercices d’extension des genoux (Artioli et coll., 2010; Derave et coll., 2010), mais ces résultats ne font pas l’unanimité. Dans le cadre de l’une des rares études sur les effets de la carnosine et la performance réelle de l’athlète, Derave et ses collaborateurs (2007) n’ont toutefois observé aucune différence en ce qui concerne la performance athlétique, lors d’un sprint 400 m, chez les athlètes qui avaient pris de la ß-alanine et chez ceux qui avaient pris un placebo. Une récente étude a également révélé que, quand ils sont pris seuls, les suppléments de ß-alanine n’entraînent aucune amélioration de la performance pendant une épreuve chronométrée de cyclisme, mais qu’une telle amélioration est observée si ces suppléments sont pris avec du bicarbonate de sodium (Bellinger et coll., 2012). De façon générale, il semble toutefois que 3 à 6 g de suppléments alimentaires de ß-alanine pendant 4 à 8 semaines augmentent la concentration musculaire de carnosine d’environ 40 à 50 % et que l’augmentation de la capacité à maintenir l’équilibre acido-basique subséquente améliore la performance lors d’un effort d’une intensité élevée d’une durée de 1 à 6 minutes. Une récente méta-analyse a par ailleurs conclu que les suppléments de ß-alanine (dose totale de 179 g; valeur médiane dans l’ensemble des études analysées) permettent, en comparaison avec un placebo, d’améliorer la performance de 2,85 %, en moyenne (Hobson et coll., 2012). La méta-analyse a également montré que la ß-alanine n’améliore pas la performance de façon significative lors des exercices de moins de 60 secondes, mais qu’elle est ergogène si ces exercices durent entre 60 et 240 secondes, ses effets étant moins marqués pendant les exercices d’une durée supérieure à 240 secondes. D’autres études sont nécessaires pour confirmer si la ß-alanine améliore la performance lors des sprints ou des épreuves de force de plus courte durée, les exercices d’endurance de plus longue durée ou les exercices avec intervalles.

Recommendations pratiques

  • Il est recommandé aux athlètes qui veulent tirer profit du potentiel ergogène du bicarbonate de sodium d’en prendre 300 mg/kg de masse corporelle (autrement dit, environ 20 g de bicarbonate de sodium pour un athlète de 70 kg) 1 à 2 heures avant l’exercice.

  • Répartir la charge en bicarbonate dans le temps (pendant une période de 30 à 60 minutes) et prendre le bicarbonate avec beaucoup de liquide, et peut-être un repas léger à haute teneur en glucides, pourraient réduire le risque d’effets indésirables gastro-intestinaux.

  • Il est recommandé aux athlètes qui veulent tirer profit du potentiel ergogène de la ß-alanine d’en prendre pendant 4 à 6 semaines, à raison de 4 à 6 g par jour, répartis en 6 à 8 doses.

Résumé

Suffisamment de preuves établissent que les suppléments de bicarbonate peuvent améliorer la performance athlétique lors de divers événements sportifs. Toutefois, il revient aux athlètes qui veulent tirer profit du potentiel ergogène du bicarbonate de sodium d’en faire l’essai afin de savoir quelle dose leur convient pour en maximiser les effets et réduire les risques. Il a aussi été montré que les suppléments de ß-alanine peuvent améliorer la performance des athlètes pendant un exercice à intensité élevée. Comme le bicarbonate et la ß-alanine peuvent améliorer la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre acido-basique en milieu extracellulaire et intracellulaire, respectivement, les bienfaits physiologiques et les effets sur la performance de ces deux substances devraient, en théorie, être cumulatifs. Il est important de noter que, dans la « vraie vie », les athlètes peuvent prendre plusieurs suppléments en même temps, et nous ignorons pour le moment si les suppléments de bicarbonate ou de ß-alanine sont efficaces quand ils sont pris, par exemple, avec des suppléments de caféine, de nitrate ou de créatine. D’autres études doivent être effectuées pour évaluer dans quelle mesure ces suppléments interagissent les uns avec les autres en tenant compte de leurs effets sur la performance.

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