Physiologie Le métabolisme énergétique
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Chloé Gaillard Juin 2011 Physiologie Le métabolisme énergétique Il s’agit de l’ensemble des réactions qui s’accompagnent d’un transfert d’énergie dans l’organisme. Cette énergie est nécessaire pour effectuer toutes sortes de travaux : - mécaniques : contractions musculaires - de pompages : maintient des gradients électriques et osmotiques (grande quantité d’énergie) - de transport : passage de molécules à travers les membranes - de synthèse : protéines, glycogène et triglycérides (stockage) Loi de la conservation de l’énergie : - La thermodynamique nous dit que l’énergie d’un système clos reste constante ; toutes les formes d’énergie sont interchangeables, il n’y a ni création ni destruction d’énergie mais transformation d’une forme d’énergie en une autre forme d’énergie. Energie du corps = apport énergétique – pertes d’énergie Apport = énergie contenue dans les nutriments Pertes = travail + chaleur Pompe calorimétrique : - brûle l’aliment, on peut calculer le contenu énergétique en regardant l’élévation de la température de l’eau. L’unité énergétique : - La chaleur spécifique d’une substance est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de cette substance - La chaleur spécifique de l’eau est de 1 kcal/kg/°C - Les tissus ont une chaleur spécifique moyenne de 0,83 kcal/kg/°C - 1 kcal représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un litre d’eau de 1°C - 1 kcal = 1 Cal = 4,18 KJ Les sources énergétiques : - les glucides, les lipides, les protéines Les éléments fondamentaux qui constituent les aliments sont : (constituant des sources énergétiques) - L’oxygène 61% - Le carbone 23% - L’hydrogène 10% - L’azote 3% - Minéraux divers 3% La valeur énergétique des nutriments : - 1g de glucides = 4 kcal (16,7 KJ) - 1g de lipides = 9 kcal (37,6 KJ) - 1g de protéine = 4 kcal (16,7 KJ) - 1g d’alcool = 7 kcal (29,3 KJ) Chloé Gaillard Juin 2011 Les glucides (= l’ensemble des hydrates de carbone) - Les monosaccharides (sucres à une molécule) : glucose (sucre de raisin), fructose (sucre de fruit), galactose, autres (xylulose, mannose, ribose, …) - Les disaccharides (sucres à 2 molécules) : saccharose (ou sucrose = sucre de table = glucose + fructose), lactose (= glucose + galactose), maltose (= glucose + glucose) - Les polysaccharides (sucres à x milliers de molécules) : amidon (féculents), glycogène (10-15 g/kg BM), cellulose (végétaux) Les réserves glucidiques dans l’organisme ; en situation normale, l’organisme dispose de : - 50 à 100g de glycogène dans le foie - 200 à 400 g de glycogène dans les muscles - 10g de glucose extracellulaire - 5g de glucose sanguin (100mg/ml) → glycémie le matin à 95mg/dl Répartition du glucose : - ¾ dans les muscles : le glucose ne pourra pas sortir pour être utilisé ailleurs, il sera utiliser que dans les muscles - ¼ dans le foie : le foie peut relâcher le glucose dans l’organisme suivant la glycémie - environ 1% dans les tissus adipeux : s’il y a trop d’accumulation de glucose dans l’organisme, mais c’est très rare Les lipides : - Ce terme regroupe les molécules qu’on appelle les graisses. - On distingue : les triglycérides, les acides gras et le cholestérol (composant de la membrane cellulaire) - « acide gras » à cause du groupe COOH - Les lipides sont stockés sous forme de triglycérides qui sont composés d’une molécule de glycérol et de 3 acides gras - Les acide gras saturés n’ont pas de double liaison entre les atomes de C). Ils sont issus principalement de produits d’origines animales alors que les acides gras insaturés sont issus de produits végétaux. Les protéines : - Ce sont des molécules faites d’acides aminés. - On trouve 20 acides aminés dans les protéines naturelles et 9 sont dits essentiels car l’organisme ne peut pas les synthétiser (his, lys, trp, phe, met, thr, ile, leu, val) On distingue 3 types d’acides aminés : - Les oligopeptides : chaîne de quelques acides aminés - Les polypeptides : chaîne de quelques dizaines d’acide aminés - Les protéines : chaîne de quelques centaines / milliers d’acides aminés Ces nutriments ne sont pas des substrats énergétiques importants sauf dans des conditions particulières comme le jeûne. Ils sont là pour assurer le fonctionnement et la structure des cellules, tissus et organes. Les minéraux : - Ils font partie de la structure des os et des dents - Ils sont impliqués dans le maintient du rythme cardiaque, la contraction musculaire, la conduction nerveuse, la balance acide-base - Ils participent à la régulation du métabolisme cellulaire en tant que composants essentiels des enzymes et des hormones qui modulent l’activité cellulaire Chloé Gaillard Juin 2011 Comment mesurer la dépense énergétique ? - La calorimétrie directe : la chaleur dissipée par un individu dépend de son métabolisme ; en mesurant la quantité de chaleur dissipée par un organisme on eut connaître sa dépense énergétique. Cette méthode ne permet pas de calculer les dépenses si l’individu n’est pas au repos. → ENERGIE DISSIPEE PAR L’INDIVIDU - La calorimétrie indirecte : on mesure la dépense énergétique via les échanges gazeux (consommation d’oxygène et production de gaz carbonique. → ENERGIE LIBEREE PAR LES PROCESSUS OXYDATIFS L’équivalent calorique : - Quantité d’énergie libérée lors de la consommation d’un litre d’oxygène - Cette valeur est comprise entre 4,7 (lipides) et 5 (glucides) - L’équivalent calorique moyen vaut 4,85 kcal/l O2 - Ex : 0.250 litre d’O2 consommé / minute x 4,85 = 1,2 kcal/ min (valeur de l’individu éveillé au repos) QUOTIENT RESPIRATOIRE ???????????????????????????????? L’ATP : - Notre organisme ne possède pratiquement pas de réserve d’ATP ; une molécule d’ATP hydrolysée doit être resynthétisée tout de suite. - On trouve environ 80 à 100g d’ATP dans notre corps ce qui autorise un exercice max pendant quelques secondes seulement ! - La quantité d’ATP utilisée quotidiennement représente le 75% de la masse corporelle. Taux de renouvellement de l’ATP : - il y a environ 3 mmole d’ATP par kilos de masse cellulaire active (tissus qui consomment de l’énergie) - Un individu de 70 kg en possède environs 28 kg → soit un pool d’ATP de 84 mmole (0.084 mole) - Pour une dépense énergétique de repos de 1,5 kcal/min, sachant qu’il faut 18,7 kcal pour former une mole d’ATP, on constate que la totalité du pool d’ATP est utilisé en un minutes 1,5/18,7 = 0.080 mole/min Les limites de la calorimétrie : L’O2 : la quantité d’O2 diffuse des poumons dans le sang est proportionnelle à sa consommation, sauf pendant le déficit et la dette d’O2 - Le CO2 : Le contenu de l’organisme en CO2 est important et peut facilement être modifié, son élimination par la ventilation n’est pas toujours le reflet de sa production au niveau tissulaire. La calorimétrie indirecte est une méthode précise et efficace mais qui ne peut être utilisée qu’au repos ou en condition d’exercice à l’équilibre. Dépense énergétique chez un individu sédentaire en 24h : - Métabolisme basal : 70% (dépenses énergétiques pour se maintenir en vie) - Thermogenèse : 10% (énergie utilisée pour scinder les aliments) - Activité physique : 20% - Le métabolisme basal et la thermogenèse forme le métabolisme de repos Chloé Gaillard Juin 2011 Le métabolisme de base : - dépense énergétique d’un individu au repos, couché, éveillé, en ambiance thermique neutre, après au minimum 8h de sommeil et 12h de jeûne, sans exercice intense la veille du test. - C’est la quantité d’énergie minimale nécessaire à l’essentiel des fonctions vitales de l’organisme. Estimation de la dépense énergétique se fait en fonction des kg de poids de masse maigre et non par kg de poids du corps. Les facteurs qui peuvent modifier le métabolisme : - âge et le sexe (répartition des graisses différentes chez la femme et l’homme) - la masse musculaire (les hommes sont en général plus musclé, ils ont donc un métabolisme plus élevé) - le niveau d’activité - l’état nutritionnel - certaines hormones - la température de l’environnement (facteur ayant le plus d’influence) - l’hérédité (métabolisme différent chez les individus) - l’état de santé, le stress Le devenir des nutriments ingérés : - Energie : métabolisation immédiate, l’énergie provenant de la rupture des liaisons chimiques passent dans l’ATP ou la PC - Synthèse : utilisation pour la synthèse des composants de base pour la croissance et l’entretien des cellules - Stockage : en trop grande quantité, ils vont être stockés dans les liaisons chimiques de glycogène et des graisses Le sort des nutriments après le stade de nourriture : Hydrates de carbone : - substrat énergétique via cycle de Krebs - utilisé pour produire des lipoprotéines (cholestérol) - stockés dans les muscles et le foie - un excès peut être convertis sous forme de graisse Protéines : - synthèse de protéines - si besoin d’énergie, acides aminés convertis dans le foie pour le métabolisme aérobic - excès peut être stocké en acide gras Lipides : - stocké dans le foie et les tissus adipeux - graisse peut être stockée dans les muscles, elle sera utilisée comme substrat chez les athlètes d’endurance Le cholestérol : - LDL = low-density lipoprotéine = MAUVAIS cholestérol il bouche la circulation - HDL = high-density lipoprotéine = BON cholestérol Chloé Gaillard Juin 2011 Contrôle homéostatique du métabolisme : Le pancréas : - Equilibre entre insuline et glucagon → gestion du métabolisme Insuline : - fait baisser la glycémie - hormone anabolisante, elle favorise le stockage - stimule l’anabolisme des substrats / stimule la mise en réserve et élimine le glucose de la circulation Glucagon : - Favorise le catabolisme des substrats Le rapport entre l’insuline et le glucagon influence la glycémie. Il faut donc toujours un équilibre entre ces 2 hormones. Glycémie basse (taux bas de glucose dans le sang) : p.24 schéma - taux bas de glucose dans le sang entraîne une baisse du métabolisme - baisse d’ATP - les canaux K+ s’ouvrent - la cellulaire reste avec un potentiel membranaire de repos. Il n’y a pas de secretion d’insuline. Glycémie haute : - taux élevé de glucose dans le sang entraîne une augmentation du métabolisme ainsi que d’ATP - les canaux K+ restent fermés - il y a donc ouverture des canaux calcique (CA+2). Le calcium entre dans la cellule et son entrée va déclencher l’exocytose de l’insuline Absorption du glucose par le tissu adipeux et le muscle : - insuline se lie aux récepteurs - signal de transduction en cascade →GLUT4 - ce qui entraîne l’exocytose du GLUT4 - le glucose entre dans la cellule Absorption du glucose par les hépatocytes : - forte concentration dans le fluide extracellulaire - l’insuline se lie aux récepteurs ce qui entraîne un signale ne cascade - le glucose pénètre dans la cellule grâce au GLUT2 - En état de jeûne, le glucose contenu dans les cellules du foie sera relâché grâce au GLUT2 Les cellules β sont dans le pancréas, elles se chargent de l’insuline Les cellules α sont dans le pancréas, elles se chargent du glucagon Pourquoi s’intéresser à la thermorégulation ? - il y a peu de facteurs environnementaux qui aient une influence aussi grande que la température sur le métabolisme énergétique des animaux - les animaux dont la température interne varie avec celle de leur milieu subissent des changements de leur métabolisme Chloé Gaillard - Juin 2011 les animaux ayant une température constante malgré des modifications de températures de leur environnement doivent dépenser de l’énergie pour maintenir leur état Classification des animaux (se fait selon production ou non de chaleur) : - Les endothermes : produisent de la chaleur comme sous-produit du métabolisme ; en général leur conductivité thermique est faible (bonne isolation) ; capable de réguler la température interne sur une surface large → bonne conservation de la chaleur - Sous classe : les endothermes homéothermes ; la régulation de leur température interne se fait dans des limites étroites ex : oiseaux, mammifères - Les ectothermes : produisent peu de chaleur et ont une forte conductivité thermique (mauvaise isolation) ; la température interne dépend du milieu où ils évoluent, du climat → échanges rapides et importants avec le milieu Variations de température : - Rythme circadien : fluctuation de l’ordre de 1°C : minimum entre 3 et 6h, maximum entre 15 et 18h - Enfants : frissons et sudations faibles ; rapport surface/masse défavorable → musculature pas efficace à 100% - Aînés : perdent leur sensibilité au chaud et au froid ; capacité de produire de la chaleur diminuée → perte de masse musculaire La thermorégulation (minimiser la quantité de chaleur que l’on stocke) : - L’équilibre thermique est représenté par : M = H + S + W - M = production de chaleur par le métabolisme - H = pertes de chaleur - S = stockage de chaleur - W = travail externe (ex : mécanique) - En équilibre thermique : S et W = 0 donc M = H - A l’exercice, M augmente et le but de la thermorégulation est de minimiser S (stockage de chaleur) en augmentant H (pertes de chaleur) Transfert de chaleur : - la chaleur générée par le métabolisme se déplace des zones de production vers le noyau par convection - muscles inactifs : T°= 33 à 35°C → flux de chaleur du sang au muscle (le sang se rafraîchit) - foie : T°= 38°C → flux de chaleur du foie vers le sang - les muscles squelettiques représentent la plus grosse source potentielle de chaleur Comment éviter la surchauffe ? - Il faut effectuer un transfert de chaleur du noyau vers un système capable d’éliminer : la peau - Transfert direct : du noyau à la peau par conduction (minime et ± constant) relativement faible - Transfert indirect : par convection grâce au sang (le sang va être chauffé puis refroidit par périphérie) - Le transfert total est proportionnel au gradient de température qui existe entre le noyau et la peau Chloé Gaillard Juin 2011 L’interaction complexe entre les mécanismes du corps pour l'équilibre de la chaleur et des conditions environnementales : Pertes de chaleur : - par radiation (infrarouge) - respiration / évaporation (air sortant) - contact peau VS air - par transpiration (moyen le plus efficace) Gains de chaleur : - radiation solaire direct - radiations thermiques infrarouges de l’atmosphère - débit sanguin musculaire (convection) - radiations thermiques du sol Les pertes de chaleur : Par radiation : - 60% - entre la peau et les corps solides proches (les pertes dont proportionnelles au gradient de température) Par conduction : - 20% - lorsque le corps touche un solide de température inégale (pertes généralement peu importantes) Par convection : - principalement due à l’air ou à l’eau (extrêmement variable en fonction des conditions) Par évaporation : - le moyen le plus efficace si activité physique (dépend du gradient de vapeur d’eau ; permet de perdre 0,6kcal par gramme d’eau évaporé) RADIATION, CONVECTION, CONDUCTION → GAINS OU PERTES DE CHALEUR EVAPORATION → UNIQUEMENT PERTES DE CHALEUR Pour maintenir une température l'état d'équilibre, le corps doit équilibrer le gain de chaleur avec la perte de chaleur : - Chaleur gagnée : chaleur métabolique et chaleur environnementale (conduction, convection, radiation) - Chaleur perdue : radiation, conduction, convection, évaporation Système de rétrocontrôle simple pour réguler la température du corps : - Détecteurs thermosensibles - Fibres afférentes - Système d’intégration des informations : l’hypothalamus - Fibres efférentes - Système effecteurs : musculature squelettique (par frissonnement on produit de la chaleur), circulation cutanée (vasodilatation pour disperser de la chaleur et vasoconstriction pour garder de la chaleur) et les glandes sudoripares Les thermorécepteurs cutanés : - En théorie, notre peau est capable de percevoir des changements de températures de 0,01°C Le chaud et le froid sont perçus par des récepteurs différents : Chloé Gaillard Juin 2011 - Récepteurs au chaud : actifs entre 30 et 45°C - Récepteurs au froid : actifs en 10 et 40°C Tous ces récepteurs sont des terminaisons nerveuses libres sans spécialisation apparentes (aucune structure spécialisée) Les systèmes effecteurs : - La circulation cutanée : c’est le contrôle par le système nerveux sympathique de la musculature lisse des artérioles qui permet de gérer le débit sanguin et donc le flux de chaleur - Vasodilatation : peut augmenter le débit cutané d’un facteur 10 - Vasoconstriction : peut diminuer le débit cutané d’un facteur 2 - Les glandes sudoripares : activées si la vasodilatation ne suffit pas - La musculature squelettique : en cas de stress au froid important, le corps augmente sa production de chaleur en frissonnant (les frissons sont des mouvements volontaires) - Peut doubler le métabolisme pendant plusieurs heures - Peut multiplier le métabolisme par 3 ou 4 de façon brève SCHEMA P.36 Les limites du système : si elles sont dépassées, on peut aboutir à : - Hyperthermie : exposition à la chaleur, taux d’humidité élevé (si on arrive pas à évaporer la transpiration dans un milieu humide ou avec des vêtements étanches), activité physique important - Hypothermie : immersion en eau froide, exposition au froid Lors d’une hyperthermie, il y a destruction des protéines (enzymates). Lors d’un coup de chaleur, la thermorégulation devient impossible. En dessous de 35°C, il y a perte de conscience et à partir de 33-34°C il n’y a plus de thermorégulation possible. Mécanismes activés par le chaud : → Augmentation des pertes de chaleur : - vasodilatation cutanée - sudation - accélération de la respiration (pertes eau + chaleur) - immersion dans l’eau - augmentation artificielle de la convection (avec ventilateur) → Diminution de la production de chaleur : - anorexie - apathie (bouger le moins possible) Mécanismes activés par le froid : → Augmentation de la production de chaleur : - tremblement - augmentation de la prise alimentaire (pour utiliser la thermogenèse) - augmentation de l’activité volontaire - augmentation de la sécrétion d’adrénaline et de noradrénaline → Diminution des pertes de chaleur : - vasoconstriction cutanée - position du corps recroquevillée Chloé Gaillard - Juin 2011 horripilation (poils se redressent, air dans les poils ce qui crée une couche d’isolant) vêtements supplémentaires Les différences entre les hyperthermies :
