SSE #80: Glucides, hormones et endurance physique

J. Mark Davis, Ph.D., Adrienne S. Brown, M.A.

GLUCIDES, HORMONES ET ENDURANCE PHYSIQUE
Sports Science Exchange 80 VOLUME 14 - NUMÉRO 1


J. Mark Davis, Ph. D. Adrienne S. Brown, M.A.
Department of Exercise Science Department of Exercise Science
School of Public Health School of Public Health
University of South Carolina University of South Carolina
Columbia, South Carolina Columbia, South Carolina

POINTS PRINCIPAUX

  • Un exercice intense et prolongé augmente les concentrations dans le sang de plusieurs hormones, dont l’adrénaline, l’hormone de croissance, le cortisol et le glucagon. Le taux d’insuline diminue.
  • Un apport en glucides pendant un exercice prolongé atténue la réponse de ces hormones et retarde la fatigue.
  • Une réponse hormonale atténuée peut contribuer à retarder la fatigue tant au niveau central (cerveau) que périphérique (muscles) en favorisant l’économie des réserves de glycogène hépatique et musculaire, le maintien de la glycémie et la réduction des concentrations sanguines d’acides gras libres, de tryptophane libre et d’ammoniaque.
  • Les athlètes devraient boire toutes les 15 à 20 min de 240 à 350 mL (8 à 12 oz) d’une boisson énergétique contenant des glucides afin d’empêcher la baisse de la glycémie et atténuer la réponse hormonale à l’exercice.

INTRODUCTION

Le système endocrinien (hormonal) assure les fonctions normales de l’organisme, y compris le maintien de la glycémie afin de favoriser la santé et une performance physique optimale. Une baisse de glycémie pendant un exercice intense et prolongé peut contribuer de façon importante à l’apparition de la fatigue (Davis et Fitts, 1998). Le système endocrinien tente alors de maintenir une glycémie suffisante pendant l’exercice en mobilisant d’autres sources d’énergie et en stimulant la production de glucose à partir des acides aminés et d’autres sources non glucidiques. Malheureusement, ces réponses ne peuvent que retarder l’épuisement des réserves de glucides du corps, et la fatigue peut survenir en dépit de l'importante augmentation du taux d'hormones en circulation. De fait, comme nous le verrons plus loin, certaines données donnent à penser que l’augmentation considérable du taux d'hormones de stress qui accompagne un exercice intense pourrait effectivement précipiter l’apparition de fatigue.

Les boissons de glucides bien formulées peuvent retarder la fatigue en maintenant la glycémie à un taux élevé (Coggan et Coyle, 1987) et, peut-être, en économisant les réserves de glycogène musculaire (Hargreaves, 2000). Fait à noter, ces boissons atténuent également l’augmentation du taux d’hormones associé au stress pendant l’exercice, mais il n’est pas certain que cet effet puisse retarder l'apparition de la fatigue. Le présent article a donc pour but d'analyser brièvement la façon dont les hormones glucorégulatrices (adrénaline, cortisol, insuline, glucagon et hormone de croissance) réagissent à l’exercice, comment un apport en en glucides modifie ces réponses et comment savoir s’il y a une association entre cette modification de la réponse hormonale et le retard de la fatigue.

BILAN DE LA RECHERCHE

Réponse hormonale à l’exercice prolongé
Au début de l’exercice, l’influx nerveux provenant des centres moteurs du cerveau (« centrale de commandement »), ainsi que le rétrocontrôle sensoriel des muscles transmis à l’hypothalamus, stimule ou inhibe la libération de plusieurs hormones. Des changements dans la sécrétion hormonale se produisent assez rapidement en prévision du besoin d’ajustement métabolique et cardiovasculaire nécessaire pour soutenir les exigences associées à l’exercice. Ces changements hormonaux deviennent plus importants à mesure que l'intensité de l’exercice augmente et que la fatigue s’installe. Les changements hormonaux peuvent également se produire ou s’intensifier afin de pouvoir gérer les facteurs psychologiques ou affectifs pendant un exercice intense (Galbo, 1992).

Une baisse de la glycémie constitue l’un des plus importants signaux responsables du contrôle endocrinien. Cette conclusion ressort très clairement des études sur les régimes pauvres en glucides, le jeûne et la perfusion de glucose (Kjaer, 1992; Wasserman et Cherrington, 1996). Un exercice intense et prolongé provoque une diminution prévisible de la glycémie ainsi qu’une augmentation équivalente des taux d’adrénaline (Bailey et coll., 1993; Burgess et coll., 1991a; Francesconi, 1988; Nieman et coll., 1995), de cortisol (Burgess et coll., 1991a; Nieman et coll., 1995; Thuma et coll., 1995), de glucagon (Galbo, 1992; Mitchell et coll., 1990; Wasserman et Cherrington, 1996) et de l’hormone de croissance (Murray et coll., 1995; Neiman et coll., 1998; Utter et coll., 1999), accompagnées d’une baisse d’insuline (Burgess et coll., 1991a,b; Murray et coll., 1991, 1995; Utter et coll., 1999; Wasserman et Cherrington, 1996). Ces hormones jouent un rôle primordial dans la stabilisation de la glycémie et c’est pourquoi elles sont souvent appelées hormones glucorégulatrices (Tableau 1).

La réponse des hormones glucorégulatrices à l’exercice intense et prolongé (Figure 1) est plus marquée à mesure que l’exercice se prolonge ou, autrement dit, à mesure que les réserves de glucides s'épuisent et que la fatigue s’installe. Les changements plutôt mineurs qui surviennent peu de temps après le début de l’exercice sont conçus pour mobiliser l’énergie supplémentaire qu'il faut pour répondre à une plus forte demande d'énergie pendant l'exercice, pour utiliser plus l’énergie provenant du métabolisme des graisses et pour maintenir le taux de glycémie. Toutefois, les importants changements qui surviennent plus tard pendant l’exercice, à mesure que la fatigue s’installe, sont dus à l’épuisement du glycogène dans le foie et les muscles, par l’incapacité de maintenir le taux de glycémie et par des facteurs psychologiques reliés à une humeur mitigée et à l’effort exigé pour conserver son énergie.

TABLEAU 1. Principales activités des hormones glucorégulatrices et certaines de leurs conséquences

HORMONE
ACTIVITÉ
DES HORMONES
RÉSULTATS ESCOMPTÉS DE L'ACTIVITÉ HORMONALE
Insuline Absorption du glucose sanguin
Synthèse du glycogène
Absorption des acides aminés dans le sang
Synthèse des protéines
Dégradation des lipides
Synthèse des lipides
Glycémie
Glycogène dans les muscles et &le foie
Taux d’acides aminés dans le sang
Protéines dans les tissus
Acides gras dans le sang
Stress lipidique dans les tissus
Glucagon Dégradation du glycogène hépatique
Production de glycogène hépatique à partir des acides aminés et de l’acide lactique
Dégradation des lipides

Glycémie

Glycémie
Acides gras dans le sang

Adrénaline Dégradation du glycogène hépatique
Dégradation du glycogène musculaire
Dégradation des lipides
Glycogène hépatique; Glycémie
Glycogène musculaire
Acides gras dans le sang
Cortisol Production de glycogène hépatique à partir des acides aminés et de l’acide lactique
Dégradation des lipides
Dégradation des protéines

Glycémie
Acides gras dans le sang
Acides aminés dans le sang
Hormone de croissance Absorption du glucose sanguin
Absorption des acides aminés dans le sang
Synthèse des protéines
Dégradation des lipides
Glycémie
Taux d’acides aminés dans le sang
Protéines dans les tissus
Acides gras dans le sang

Effets d'un apport en glucides sur la réponse hormonale à l’exercice

Un apport en glucides immédiatement avant ou pendant un exercice d’endurance entraîne d'importantes modifications dans les hormones glucorégulatrices. Ces réponses hormonales comprennent une atténuation des hausses habituelles d'adrénaline, de cortisol, de glucagon, de l’hormone de croissance, ainsi qu’une plus faible diminution du taux d’insuline. En fait, il se pourrait que le taux d'augmente avec la consommation de glucides pendant l’exercice (Figure 2). De façon générale, cette réponse confirme l’hypothèse selon laquelle maintenir le taux de glycémie représente l’un des rôles principaux de ces hormones pendant un exercice prolongé.


Figure 1
Description schématique des modifications dans les concentrations sanguines des hormones glucorégulatrices pendant 2 h d’exercice à 70 % du VO2max sans apport en glucides

Un apport de 30 à 60 g de glucides à l'heure suffit pour éviter une baisse du taux de glycémie et pour retarder l’apparition de la fatigue pendant un exercice prolongé (Hargreaves, 2000). Les études proposant des régimes alimentaires comparables et portant sur les effets hormonaux révèlent généralement qu'un apport en glucides atténue la réponse des hormones glucorégulatrices à l’exercice. En revanche, quand les sujets ne prennent que 13 g de glucides l'heure pendant près de 3 h d’exercice à 70 % de VO2 max, aucun effet sur diverses variables métaboliques, l’intensité de l’effort perçu, les taux de cortisol, de glucagon, d’insuline et le temps de fatigue n'est observé (Burgess et coll., 1991a).

Insuline. Avec un apport en glucides pendant l’exercice, les concentrations d’insuline dans le sang se maintiennent en général au niveau de repos, mais elles augmentent dans certaines conditions (Ahlborg & Felig, 1976; Burgess et coll., 1991b; Coyle et coll., 1983; Davis et coll., 1992; Fritzsche et coll., 2000; Murray et coll., 1991; Nieman et coll., 1998).

Adrénaline. La plupart des études révèlent qu'un apport en glucides atténue l'augmentation d’adrénaline pendant l’exercice (Deuster et coll., 1992; Fritzsche et coll., 2000; Mitchell et coll., 1990; Nieman et coll., 1998). Un résultat intéressant de l’une des ces études montre que l'augmentation du taux d'adrénaline était atténuée après 122 min sur ergocycle à 62 % du VO2 max, suivies de 2,5 h de bicyclette à 75 % du VO2 max, mais sans l’épreuve de course à pied (Utter et coll. 1999). La raison pour laquelle une telle réponse a été obtenue avec ce mode d’exercice n'est pas claire.


Figure 2
Présentation schématique des changements de concentration des hormones glucorégulatrices dans le sang pendant 2 h d’exercice à 70 % du VO2max lorsque les athlètes consomment de 30 à 60 g de glucides à l'heure pendant l'exercice.

Cortisol. Un apport en glucides pendant un exercice prolongé peut également atténuer l’augmentation de la concentration de cortisol pendant l’exercice et même durer des heures par la suite (Nieman et coll., 1998; Davis et coll., 1989). Utter et coll. (1999) ont montré que le taux de cortisol a effectivement diminué après 2,5 h de bicyclette ou de course à pied quand les sujets avaient consommé des glucides comparativement au groupe témoin pour lequel le taux de cortisol s’est maintenu à des valeurs semblables ou légèrement supérieures à celles d’avant l’exercice. D’autres études ont permis d'obtenir des résultats comparables au cours d’un exercice continu de 2 h (Deuster et coll., 1992; Murray et coll., 1991, 1995) ou après sept séances de bicyclette de 12 min à 70 % du VO2 max (Mitchell et coll., 1990).

Glucagon et hormone de croissance. Les augmentations de glucagon et d’hormone de croissance dans le sang pendant l’exercice peuvent être atténuées par un apport en glucides. L'apport en glucose a entièrement bloqué la production de glucagon après 4 h de bicyclette à 30 % du VO2 max (Ahlborg et Felig, 1976), mais n’ont pas altéré sa sécrétion en réponse à un effort intermittent sur ergocycle à 70 % du VO2 max (Mitchell et coll., 1990). La hausse du taux d’hormone de croissance a été atténuée après à 2,5 h de bicyclette ou de course à pied à 75 % du VO2 max chez des sujets ayant pris des boissons contenant des glucides comparativement à ceux qui buvaient de l’eau comme placebo (Nieman et coll., 1998; Utter et coll., 1999).


Figure 3
Présentation schématique de la façon dont les boissons contenant des glucides pendant un exercice intense peuvent retarder la fatigue en modifiant les sources d’énergie (glucose et acides gras), les hormones et les métabolites liés à la fatigue (tryptophane libre et ammoniaque) dans le sang. Ces changements dans la concentration sanguine peuvent influer à la fois sur le cerveau et les muscles et, ainsi, améliorer la performance sportive.

Rôle possible des hormones glucorégulatrices pour retarder la fatigue avec un apport en glucides
La diminution de la disponibilité en glucides comme source d’énergie (glycogène et glucose) et le début d’une déshydratation représentent les facteurs limitants les plus importants pendant un exercice d’endurance; il est reconnu que la reconstitution des glucides et des fluides pendant l’exercice grâce à des boissons équilibrées contenant des glucides retarde la fatigue et augmente la performance. Il reste que les mécanismes vraiment responsables des effets bénéfiques des boissons contenant des glucides ne sont pas encore tout à fait compris (Davis et Fitts, 1998; Hargreaves, 2000). Coggan et Coyle (1987) ont suggéré que le premier mécanisme permettant de retarder la fatigue est le maintien du taux de glycémie et des vitesses d’oxydation des glucides vers la fin de l’exercice, au moment où il reste peu glycogène musculaire. Un apport en glucides peut également économiser les réserves de glycogène dans divers types de fibres musculaires pendant un effort intermittent sur ergocycle ou pendant la course à pied (Hargreaves, 2000). Toutefois, il se peut aussi que les mécanismes de la fatigue trouvent leur origine dans le cerveau (Davis, 2000; Gandevia, 1999). Un apport en glucides peut aiguiser les fonctions cérébrales et améliorer la sensation de bien-être pendant l’exercice (Davis, 2000), et la plupart des sportifs voient leur performance s’amenuiser ou cessent de faire de l’exercice parce que les efforts à faire pour le poursuivre sont perçus comme trop ardus. Cette forte augmentation relative à la perception de l’effort pendant un exercice prolongé précède presque toujours une incapacité des muscles à produire suffisamment de force ou de puissance (Gandevia, 1999). Par conséquent, les effets bénéfiques d'un apport en glucides sur le retard de la fatigue peuvent comprendre un effort perçu comme moins intense, une plus grande motivation, une meilleure humeur et une moins grande inhibition de l’activité motrice centrale dans les parties supérieures du cerveau (Davis, 2000; Gandevia, 1999).

De là, nous formulons l’hypothèse qu'un apport en glucides pendant l’exercice favorise le maintien du taux de glycémie, diminuant ainsi les concentrations d’adrénaline, de glucagon, de cortisol et d’hormone de croissance, et augmentant les taux d’insuline dans le sang. Ces effets d'un apport en glucides pourraient retarder l’épuisement du glycogène dans les muscles et le foie, augmenter l’absorption et l’oxydation du glucose dans les muscles et le cerveau ainsi que diminuer les concentrations d’acides gras libres et d’ammoniaque dans le sang, qui pourraient favoriser la fatigue centrale. Il est rare d’observer une forte baisse de glucose sanguin (hypoglycémie) une fois que la fatigue s’est instaurée. En conséquence, la disponibilité du glucose pour le cerveau ne joue probablement pas un rôle important dans le retard de la fatigue. Pourtant, il est bien connu que de légères chutes de glycémie peuvent provoquer une perturbation des fonctions cognitives et de l’humeur, même avant l’activation de la réponse des hormones glucorégulatrices et avant que les symptômes classiques de l’hypoglycémie se manifestent (De Feo et coll., 1988; Jones et coll., 1990; Merbis et coll., 1996). Maintenir le taux de glycémie pour le cerveau sert probablement à diminuer l’intensité de l’effort perçu qui est souvent observé dans ces conditions. Utter et coll. (1999) ont récemment montré que la diminution de l’intensité de l’effort perçu chez les sujets qui prenaient des boissons énergétiques contenant des glucides était associée à une plus grande vitesse d’oxydation des glucides, à une glycémie et à des taux d’insuline plus élevés, ainsi qu’à une diminution des taux de cortisol et d’hormone de croissance. Une diminution de l’intensité de l’effort perçu a également été observée lors d’une perfusion de glucose pendant un exercice de faible intensité (Tabata et coll., 1991) et lors de la consommation de boissons énergétiques contenant des glucides pendant un effort prolongé sur ergocycle à 70 % du VO2 max (Burgress et coll., 1991b).

La légère diminution des acides gras libres dans le sang après la consommation de glucides (résultant d’un taux d’insuline plus élevé et d’une concentration plus faible d’adrénaline, d’hormone de croissance et de cortisol) peut également contribuer à retarder la fatigue centrale. Comment ça marche? Quand la concentration d’acides gras libres dans le sang diminue, le taux de tryptophane libre diminue également, ce qui signifie que moins de tryptophane passe du sang au cerveau pour y être converti en sérotonine, qui favoriserait la fatigue centrale (Davis et coll., 1992).

Un apport en glucides diminue également les concentrations de glucagon et de cortisol dans le sang pendant l’exercice, mais augmente le taux d’insuline. Ces changements devraient diminuer les taux d’ammoniaque dans le sang et le cerveau (Wasserman et Cherrington, 1996); l’ammoniaque est toxique pour le cerveau et peut également nuire au métabolisme musculaire.

RÉSUMÉ

Les derniers moments d'un exercice prolongé sont souvent associés à de fortes augmentations d’hormones glucorégulatrices, ce qui indique une incapacité à maintenir le taux de glycémie, et de tels changements hormonaux peuvent être un important signal d'une fatigue imminente. Une augmentation des taux d’adrénaline, de cortisol, de glucagon et d’hormone de croissance, accompagnée d'une baisse d’insuline, peut contribuer à la fatigue. Un apport en glucides pendant l’exercice peut atténuer ces réponses des hormones glucorégulatrices, ce qui pourrait contribuer à retarder la fatigue, du moins en partie. Pendant un exercice prolongé, les athlètes devraient boire toutes les 15 à 20 min de 240 à 350 ml (8 à 12 oz É.-U.) d’une boisson énergétique contenant des glucides afin de reconstituer leurs réserves de glucides et de fluides. Cette précaution permet d'éviter une baisse du taux de glycémie et, vraisemblablement, retarder la fatigue. Dans de telles circonstances, repousser le début de la fatigue met sans doute en jeu des mécanismes centraux et périphériques.

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