environnement thermique et thermoregulation
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ENVIRONNEMENT THERMIQUE ET THERMOREGULATION I- Définitions Chaleur - Déchet du métabolisme cellulaire produit en permanence Optimum thermique pour les réactions enzymatiques (5-40°C) 3 catégories d’organismes - Ectothermes : leur température centrale dépend du milieu ambiant = POÏKILOTHERMES Endothermes : leur température centrale est indépendante du milieu ambiant = HOMEOTHERMES Hibernants : à certains moment de l’année ce sont des endothermes et quand ils hibernent ils auront une physiologie qui se rapproche des ectothermes Notre référence : la température centrale On peut perdre des calories (de la chaleur) = thermolyse ou en gagner = thermogénèse Les échanges thermiques permettent les pertes ou gains de chaleur o o o Par contact = échanges de calories par CONDUCTION (je pose ma main sur une surface froide) Je suis dans un courant d’air : de l’air se déplace le long de ma peau = échange de calories par CONVECTION Sans contact = RADIATION (exemple du chauffage dans la salle de bain) Ces mécanismes coexistent, on ne choisit pas vraiment l’un ou l’autre o EVAPORATION (sudation) : on vaporise de l’eau absorption de calories sensation de froid = élimination de calories. C’est notre hypothalamus qui décide de la sudation II- Ectothermie, endothermie et hétérothermie Les différents types d’échanges selon les organismes - - Production de chaleur métabolique (métabolisme cellulaire qui produit de la chaleur) : endotherme va pouvoir en créer Chez endothermes on a des isolants (graisse, plumes, poils) avec régulation des pertes Chez ectothermes peu d’isolants avec pas ou peu dé régulation des pertes Les endotherme produisent donc plus de chaleur métabolique, qui va être plus ou moins dissipée selon l’environnement en environnement chaud : élimination du trop plein de calories et en environnement froid il va essayer des les conserver Pour les gains de calories elles sont quasi égales pour les endothermes et les ectothermes les organismes vont plutôt jouer sur les pertes Ectothermes et endothermes produisent de la chaleur métabolique Energie libre = énergie contenue dans les liaisons chimiques soustraite de ce qui est liée au désordre moléculaire Réaction spontanée si Production de chaleur La chaine de transport des électrons - - Oxydation = perte d’électrons Réduction = gain d’électron Donneur = NADH Accepteur final = Oxygène L’oxygène va être combiné avec des protons pour former de l’eau = eau métabolique (très important pour les espèces qui ont peu d’eau : exemple du dromadaire dans sa bosse = graisse qui par lipolyse va créer de l’eau métabolique) Quand un électron va réduire une molécule : apport de protons, puis lors de l’oxydation on a une libération d’H+ Dans toute cette cascade : la chaîne respiratoire produit de la chaleur 1 La synthèse d’ATP - Production de chaleur, mais pas entièrement disponible, car la production d’ATP à besoin de chaleur Dans nos cellules ce sont les mitochondries qui produisent la chaleur organes qui ont beaucoup d’activité énergétique produisent beaucoup de chaleur Loi d’Arrhenius – notion de Q10 - Si Q10 = 3 vitesse triplée Si Q10 = 2 vitesse doublée Relation entre température et consommation d’oxygène : - A 4°C : le Q10 = 2,57 pour des écarts faible de température on a une forte activité métabolique - A 30°C : le Q10 = 1,56 avoir une activité métabolique intense dans un environnement chaud et limitant - Ici on a un ectotherme mais il y a quand même de la régulation avec les activités enzymatique adaptation Relation entre température et activité métabolique Zone grisée = activité métabolique (Am) - Ectotherme : augmentation de la température interne avec celle de l’environnement + augmentation activité métabolique avec l’augmentation de température - Endotherme : température corporelle constante mais activité métabolique diminue avec la température - L’activité métabolique est élevée aux températures froides = coût de la thermorégulation - Pour cela il faut manger III- Réponses adaptatives à l’environnement thermique et thermorégulation Acclimatation à l’environnement thermique - Les poissons sont ectothermes : leur température va varier selon celle de l’eau, mais il existe des températures létales (minimales/maximales) Point de congélation du plasma de poissons antarctiques par rapport à la température de l’eau de mer - But de la dialyse : supprimer les protéines Ce qui détériore les tissus cellulaires ce sont les cristaux qui se forment à l’intérieur. Ce sont des glycopeptides qui vont s’intercaler dans le réseau de formation des cristaux de glaces, qui vont ralentir leur formation 2 Les cryoprotecteurs - Glycérol : la chenille va en accumuler en basse température grâce à cette accumulation de glycérol on va éviter la formation de cristaux car point de congélation plus bas Les larves vont avoir une autre solution : la déshydratation Température et fluidité membranaire - Variation de la fluidité des membranes en fonction de la température et des expèces Thermogénèse chez les thonidés - Ectotherme On a des prémices de l’endothermie On voit comment évolue la température dans le muscle du poisson Muscle très vascularisé : intercalation de veines et des artères Beaucoup de mitochondries Température corporelle moyenne chez différents homéothermes en condition normale - - Oiseaux o Passereaux : 40-41°C o Autres : 39-40°C Mammifères o Euthériens : 36-40°C o Marsupiaux : 35-36°C o Monotrèmes : 30-31°C Mécanisme de la thermorégulation - Température centrale : varie très peu Température cutanée Neutralité thermique (varie pendant la nuit) = condition de l’environnement où l’on a un équilibre entre les gains et les pertes Rythme circadien : mini à 5h et maxi à 20h Equilibre entre production et dissipation Régulation précise : température du noyau fluctue de 1°C par 24h L’horloge interne des mammifères contrôle la rythmicité de la température corporelle - L’horloge biologique / interne : se trouve dans le cerveau et un peu partout Cortisol = hormone qui augmente la température Rythme circadien = périodicité de 24h Rôle de la circulation dans le contrôle des pertes - - Très utile dans la régulation de la température Température extérieur à 20°C noyau à 37°C La vasoconstriction et la vasodilatation sont 2 mécanismes clés Homme o Au repos 56% de la chaleur est produite par les organes profonds (dont 18% sont les muscles) o En cas d’effort les muscles vont produire 90% de la chaleur Vasoconstriction = diminution du diamètre des vaisseaux Rôle des protéines découplantes dans la thermogénèse = UCP - UCP = transporteur de protons - Se fait surtout dans le tissu adipeux brun peu chez les Hommes, mais un peu chez les nourrissons au niveau des omoplates - Ce tissu est très présent chez les rongeurs - Il permet de faire de la thermogénèse - Ce tissu est particulièrement adapté à la production de chaleur, mais chez les endothermes il n’y pas d’organe spécialisé dans la production de chaleur. Il faut donc quand même augmenter le métabolisme, pas juste fermer le « robinet » d’ATP 3 Rôle de l’axe thyroïdien dans la thermogenèse - Chez homéotherme : régulation hormonale de la thermogenèse, dont par la thyroïde - Production de deux hormones o La Thyroxine (T4) va atteindre les organes cibles, dans laquelle cette T4 va être transformée en T3 = Tri-iodothyronine o TSH = Thyroid Stimulating Hormone o PVN = Noyau para-ventriculaire noyau = groupe de neurones spécialisés dans la production d’hormones - Consommation d’O2 permet d’avoir un avis sur le métabolisme d’un individu - Hyperthyroïdie = hyperthermie - Hypothyroïdie = hypothermie Mécanismes de la thermorégulation : - Présence de récepteurs cutanés qui vont être spécialisés dans la détection de températures basses et élevées Récepteurs cutanés Récepteurs centraux Centre thermorégulateur hypothalamique qui va entrainer selon la température détectée : o Froid Vasoconstriction Frissonnements / contractions Réponses pilomotrices Comportement diminuant la thermolyse : se regrouper par exemple pour se tenir chaud o Chaud Vasodilatation Sudation Halètement Réponses pilomotrices Comportement augmentant la thermolyse : aller dans l’eau quand on a trop chaud à la plage L’hypothermie (< 35°C) - - - - - Température centrale < 35°C o Diminution de la force musculaire o Frissons o Diminution du métabolisme des agents pharmacologiques = détoxification Température centrale < 34°C o Confusion mentale o Perte de connaissance Température centrale < 28°C o Bradycardie o Arythmie o Fibrillation ventriculaire Etiologies (= causes et facteurs) o Conditions extrêmes o Anesthésie o Sujet âgé o Hypothyroïdie Traitement o Réchauffement progressif par perfusion o Utilisation clinique : CEC (= Circulation Extracorporelle) lors d’une greffe du cœur L’hyperthermie (> 38°C) - 38°C < Température centrale < 43°C (maximum) Coup de chaleur = perte de la thermorégulation 4 - - o Réduction de la sudation o Augmentation de la température centrale o Hypotension artérielle o Abolition / diminution des réflexes o Convulsions et mort cérébrale Etiologie o Pathologie héréditaire o Déshydratation o Hyperthyroïdie o Infection Traitement o Refroidissement progressif o Réhydratation La fièvre - Causée par agents infectieux et bactéries décalage de la valeur de consigne, pour tenter de se débarrasser des agents infectieux hyperthermie par dérèglement des mécanismes de régulations Production d’IL6 Thermostat à 37°C : tout va bien infection par un virus changement réglage de thermostat à 39/40°C on a froid frissons quand fin de la fièvre : retour à 37°C sensation de chaleur sudation Fièvre = adaptation L’échangeur thermique - But : optimiser l’échange de calories entre 2 compartiments différents - Schéma de gauche : veines et artères circulation dans le même sens. Au fur et à mesure que le sang progresse on va avoir un échange de calories du chaud vers le froid. On va vers l’équilibre : plus d’échange Schéma de droite : échangeur thermique = utilisation du système à contre-courant les deux flux sont inversée : tout au long du trajet on a un échange augmenté entre le compartiment chaud et le compartiment froid Pattes des oiseaux échassiers : le sang artériel qui va vers l’extrémité de la patte va croiser le sang veineux qui remonte avec transfert de calories But : améliorer échange de calories entre sang artériel chaud et sang veineux froid - - 5
