thermoregulation : chaleur et equilibre energetique - E
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THERMOREGULATION : CHALEUR ET EQUILIBRE ENERGETIQUE Introduction • L’organisme produit plus ou moins de chaleur selon la vitesse des réactions métaboliques. • L’homéostasie de la température corporelle ne peut être maintenue que si la vitesse à laquelle la chaleur du corps se perd égale la vitesse à laquelle elle est produite par le métabolisme. • En conséquence, il est important de comprendre comment la chaleur est perdue, acquise ou conservée. Vitesse du métabolisme • La vitesse du métabolisme est la vitesse globale à laquelle l'énergie est consommée par les réactions métaboliques. • Une partie de cette énergie sert à la production d'ATP et une partie est dégagée en chaleur. • La chaleur est une forme d'énergie cinétique qui se mesure en tant que température et qu'on a longtemps exprimée en unités appelées calories. • Une calorie est la quantité d'énergie sous forme de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 g d'eau de 14 à 15 °C. • Comme cette unité est relativement petite, on lui a préféré la kilocalorie (kcal ou Cal) pour mesurer la vitesse du métabolisme de l'organisme et exprimer le contenu énergétique des aliments. Une kilocalorie égale 1 000 calories. Une autre unité d'énergie et de chaleur, le joule, remplace la calorie dans le système d'unités international. • Le joule est la quantité d'énergie correspondant au travail produit par une force de 1 newton se déplaçant sur une distance de 1 mètre dans la direction de la force. • Le kilojoule (kj), qui équivaut à 1 000 joules, est utilisé pour exprimer le contenu énergétique des réactions chimiques ou des aliments. Une kilocalorie égale 4,18kilojoules. • Puisque de nombreux facteurs influent sur la vitesse du métabolisme, on la mesure dans des conditions normalisées, à l’état basal (au repos et à jeun). • Le plus souvent, on détermine le métabolisme basal en mesurant la quantité d'oxygène utilisée par kilojoule ou kilocalorie de nourriture métabolisée. • Quand l'organisme consomme 1 L d'oxygène pour oxyder un mélange alimentaire typique de triglycérides, de glucides et de protéines, environ 20 kj d'énergie (4,8 Cal) sont libérés. • Le métabolisme basal est de 5 000 à 7 500 kj/jour (1 200 à 1 800 Cal/jour) chez les adultes, ou environ 100 kj/kg (24 Cal/kg) de masse corporelle chez l'homme adulte et 92 kj/kg (22 Cal/kg) chez la femme adulte. • L'énergie supplémentaire nécessaire à l'activité quotidienne, telles la digestion et la marche, varie de 2 100 kj (500 Cal) chez une petite personne relativement sédentaire jusqu'à plus de 12 500 kj (3 000 Cal) chez un individu qui s'entraîne pour des compétitions de niveau olympique ou pour l'escalade en montagne. Maintien de la température corporelle • Même si les températures extérieures varient, les mécanismes homéostatiques peuvent maintenir la température interne du corps dans des limites normales. • Si la vitesse à laquelle l'organisme produit de la chaleur est égale à la vitesse à laquelle la chaleur se dissipe, la température centrale reste constante à environ 37 °C. • La température centrale: température des structures corporelles situées en profondeur sous la peau et l'hypoderme. • La température de surface: température de la peau et de l'hypoderme. Elle peut être de 1 à 6 °C au-dessous de la température centrale, selon les conditions ambiante. • Une température centrale trop élevée cause la mort en dénaturant les protéines de l'organisme ; si elle est trop basse, elle entraîne des arythmies cardiaques qui sont également mortelle. A- Production de chaleur • La production de chaleur par l'organisme est proportionnelle à la vitesse du métabolisme. • Plusieurs facteurs influent sur la vitesse du métabolisme et, de ce fait, sur la vitesse de production de la chaleur : • 1- Exercice : Durant un exercice intense, la vitesse du métabolisme peut atteindre jusqu'à 15 fois celle du métabolisme basal. Chez les athlètes bien entraînés, cette augmentation peut être multipliée par 20. • 2- Hormones : Les hormones thyroïdiennes (thyroxine et triiodothyronine) principaux régulateurs du métabolisme basal, qui augmente au fur et à mesure que s’élève le taux sanguin de ces hormones. D'autres hormones produisent un effet mineur sur le métabolisme basal. La testostérone l'insuline et l'hormone de croissance peuvent faire augmenter la vitesse du métabolisme de 5 à 15 %. • 3- Système nerveux : Durant les périodes d'exercice ou de stress, la partie sympathique du système nerveux autonome est stimulée et libère la noradrénaline par ses neurones postganglionnaires et stimule la libération d'adrénaline et de noradrénaline par la médullosurrénale qui font augmenter la vitesse du métabolisme des cellules de l'organisme. • 4- Température corporelle. Plus la température corporelle est élevée, plus la vitesse du métabolisme est rapide. Pour 1 °C d'élévation de la température centrale, la vitesse des réactions biochimiques augmente d'environ 10%. (ex: fièvre). • 5- Ingestion de nourriture : L'ingestion de nourriture fait augmenter la vitesse du métabolisme de 10 à 20%: c’est la thermogenèse d'origine alimentaire (plus marqué après un repas riche en protéines, et le moins marqué quand on consomme des glucides et des lipides). • 6- Age : La vitesse du métabolisme d'un enfant, compte tenu de sa taille, est environ le double de celle d'une personne âgée en raison de la vitesse élevée des réactions liées à la croissance. • 7- Autres facteurs : Parmi les autres facteurs qui influent sur la vitesse du métabolisme, on compte le sexe (moins élevée chez les femmes, sauf durant la grossesse et la lactation), le climat (moins élevée dans les régions tropicales), le sommeil (moins élevée) et la maturation (moins élevée). B- Mécanismes d'échange de chaleur • Le maintien de la température corporelle normale est lié à la capacité de dissiper la chaleur dans l'environnement au même rythme qu’elle est produite. • Le transfert de la chaleur du corps au milieu dans lequel il se trouve s'effectue par quatre moyens : la conduction, la convection, le rayonnement et l’évaporation. • 1. La conduction: échange de chaleur qui a lieu entre les molécules de deux substances qui sont en contact direct. • Au repos, environ 3% de la chaleur corporelle est perdue par conduction vers des matières solides qui sont en contact avec le corps, telles que les meubles, les vêtements et les bijoux. • On peut aussi recevoir de la chaleur par conduction - en prenant un bain chaud, par exemple. • Comme l'eau conduit la chaleur 20 fois mieux que l'air, la perte ou le gain de chaleur par conduction est beaucoup plus important quand le corps est immerge dans l’eau froide ou chaude. • 2. La convection: transfert de chaleur obtenu par le mouvement d'un fluide (un gaz ou un liquide) entre des zones de températures différentes. • La rencontre de l’air ou de l'eau avec le corps entraîne un transfert de chaleur à la fois par conduction et par convection. • Quand l’air frais entre en contact avec le corps, il se réchauffe: de ce fait, il devient moins dense et crée un courant de convection ascendant qui l'emporte. • Plus l'air se déplace rapidement - par exemple, sous l'action de la brise ou d'un ventilateur-, plus la vitesse de convection est grande. • Au repos, environ 15% de la chaleur corporelle est dissipé dans l'air par conduction et convection. • 3. Le rayonnement: transfert de chaleur sous forme de rayons infrarouges entre un objet plus chaud et un autre plus froid sans contact direct. • Le corps perd de la chaleur en émettant plus d'ondes infrarouges qu'il n'en reçoit des objets qui sont plus froids. • Si les objets environnants sont plus chauds que le corps, ce dernier absorbe plus de chaleur qu'il n'en perd par rayonnement. • Dans une pièce a 21°C, environ 60 % de la perte de chaleur s'effectue par rayonnement chez une personne au repos. • 4. L'évaporation: conversion d'un liquide en vapeur. • Chaque millilitre d'eau qui s'évapore emporte une grande quantité de chaleur environ 2,40 k}/mL (0,-58 Cal/mL). • En général, au repos, environ 22 % de la perte de chaleur se fait par l’évaporation d’à peu près 700 ml, d'eau par jour -- 300 ml dans l'air expiré et 400 mL depuis la surface de la peau. • Puisque nous ne sommes pas conscients habituellement de cette perte d'eau par la peau et les muqueuses de la bouche et des voies respiratoires, elle porte le nom de perte insensible d'eau. • La vitesse d’évaporation est inversement proportionnelle à l'humidité relative, c'est à dire au rapport entre la qualité réelle de vapeur d’eau dans l'air et la quantité maximale que l'air peut contenir à une température donnée. • Plus l'humidité relative est élevée, plus la vitesse d'évaporation est faible. • A 100 % d'humidité, on gagne autant de chaleur par condensation de l’eau à la surface de la peau qu'on en perd par évaporation. • L'évaporation est le principal mécanisme par lequel on évite la surchauffe pendant l'exercice. • Dans des conditions extrêmes, le corps peut produire un maximum d'environ 3 L de sueur par heure et perdre ainsi plus de 7100 kj (1700 kcal) en chaleur si tout s'évapore. (Remarque: Contrairement à celle qui s'évapore, la sueur qui tombe du corps en gouttes dissipe très peu de chaleur). C- Centre thermorégulateur de l'hypothalamus • Le centre de régulation (rôle de thermostat) est constitué d'un groupe de neurones de la région antérieure de l'hypothalamus, appelé noyau préoptique. • Cette région reçoit les influx de thermorécepteurs situés dans la peau et les muqueuses, et dans l'hypothalamus. • Les neurones du noyau préoptique produisent plus d’influx nerveux quand la température sang augmente et moins quand elle diminue. • Les influx nerveux se propagent vers deux autres régions de l'hypothalamus appelées centre de la thermolyse et de la thermogenèse. • Stimulés, ces centres déclenchent une série de réactions qui font baisser et augmenter la température corporelle. D- Thermorégulation • Si la température centrale diminue, une réaction est déclenchée pour favoriser la conservation de la chaleur et d'en faire augmenter la production. D’où mise en jeu de boucles de rétro inhibition qui ramènent la température corporelle a sa valeur normale. • Les thermorécepteurs de la peau et de l'hypothalamus envoient des influx nerveux au noyau préoptique et au centre de la thermogenèse dans l’hypothalamus et aux cellules neurosécrétrices de l'hypothalamus qui produisent la thyréolibérine (TRH). • L’hvpothalamus réagit en émettant des influx nerveux et en sécrétant la TRH, qui stimule à son tour la libération de la thyrotrophine (TSH) par les cellules thyrotropes de l'adénohypophyse. • Les influx nerveux de l'hypothalamus et la TSH activent alors plusieurs effecteurs. • Chaque effecteur peut faire monter la température centrale jusqu'a la valeur normale: 1- Les influx nerveux du centre de la thermogenèse stimulent les nerfs sympathiques qui causent la constriction des vaisseaux sanguins de la peau. • D’où diminue le débit circulatoire du sang chaud, d’où le transfert de chaleur des viscères vers la peau. • Ralentissement de la perte de chaleur permet à la température centrale d remonter grâce à la chaleur qui continue d’être produite par les réactions métaboliques. 2- Les influx nerveux qui se rendent à la médullosurrénale par les nerfs sympathiques stimulent la libération d’adrénaline et de noradrénaline dans le sang. • Ces hormones entraînent une augmentation du métabolisme cellulaire, d’où une augmentation de la production de chaleur. 3- Le centre de la thermogenèse stimule les régions de l'encéphale qui augmentent le tonus musculaire d’où une la production de chaleur. • Le tonus musculaire (dans l'agoniste) entraîne de petites contractions et étirent les fuseaux neuromusculaires de l'antagoniste et déclenchent un réflexe d'étirement. • La contraction qui en résulte dans l'antagoniste étire les fuseaux neuromusculaires de l’agoniste et ce dernier réagit a son tour par un réflexe d'étirement. • Ce cycle qui se répète (appelé frisson) accélère considérablement la production de chaleur. • A l'élévation maximale du frisson, la production de chaleur corporelle peut atteindre jusqu'à quatre fois celle du métabolisme basal en quelques minutes. 4- La glande thyroïde réagit à la TSH en libérant plus d'hormones thyroïdiennes dans le sang. • Lors de l’augmentation de la concentration d'hormones thyroïdiennes, une lente accélération du métabolisme se produit et fait monter la température corporelle. • Si la température centrale du corps s'élève au-dessus de la normale, une boucle de rétro-inhibition est déclenchée. • L'élévation de la température du sang stimule les thermorécepteurs qui envoient des influx nerveux au noyau préoptique. • Ce dernier stimule alors le centre de la thermolyse et inhibe le centre de la thermogenèse. • Les influx nerveux du centre de la thermolyse causent la dilatation des vaisseaux sanguins de la peau. • La peau se réchauffe et la chaleur excédentaire est dissipée dans le milieu ambiant par rayonnement et conduction par suite de l'augmentation du volume de sang qui circule du centre du corps, ou ta température est plus élevée, vers la peau, ou elle est plus basse. • En même temps, la vitesse du métabolisme diminue et il n'y a pas de frissons. • La température élevée du sang stimule les glandes sudoripares de la peau par l’activation hypothalamique des nerfs sympathiques. • Lorsque l'eau de la sueur s'évapore, la peau se rafraîchit. • Toutes les réactions s'opposent aux effets thermogènes et contribuent à ramener la température corporelle a la normale. Mécanismes de rétro-inhibition qui conservent la chaleur et augmentent la production de chaleur. D’après Tortora et Grabowski, 2001. Cas particuliers A- L’hypothermie • L'hypothermie : abaissement de la température du corps jusqu'à 35 °C. • Causes: exposition à un froid intense (immersion dans l'eau glacée), les troubles au métabolisme (hypoglycémie, insuffisance surrénale …), les drogues et les médicaments (alcool, antidépresseurs, sédatifs ou tranquillisants), les brûlures et la malnutrition. • Les signes se manifestent au fur et à mesure que la température cerntrale chute : sensation de froid, frisson, confusion, vasoconstriction, rigidité musculaire, bradycardie, acidose, hypoventilation, hypotension, abolition des mouvements spontanés, coma et mort. • Les personnes âgées ont des mécanismes métaboliques de protection contre le froid affaiblis et leur perception du froid est atténuée, donc plus de risque d'être victimes d'hypothermie. B- La fièvre • Fièvre : élévation de la température centrale commandée par le centre thermorégulateur de l'hypothalamus. Souvent causée par une infection virale ou bactérienne (ou des toxines bactériennes), une ovulation, une sécrétion excessive d'hormones thyroïdiennes, une tumeur et une réaction à un vaccin. • Elle agit de la façon suivante: quand les phagocytes ingèrent certaines bactéries, ils s’incitent à sécréter de l'interleukine 1, qui est pyrogène. Celle-ci se rend a l'hypothalamus par la circulation et stimule les neurone au noyau préoptique, qui sécrètent alors des prostaglandines, en particulier de la série E. Sous l'action des prostaglandines, les réglages du centre thermorégulateur se modifient à la hausse et les mécanismes réflexes de la thermorégulation entrent en jeu pour élever la température centrale en conséquence. • Les antipyrétiques sont des substances qui soulagent ou réduisent la fièvre (exemple: l'aspirine, l'acétaminophène (Tylenol) et l’ibuprofène (Advil), qui font baisser la fièvre en inhibant la synthèse des prostaglandines). • Supposons que le centre thermorégulateur se règle a 39 °C sous l'influence de pyrogénes. Les mécanismes de ta thermogenèse (vasoconstriction, accélération du métabolisme, frissons) fonctionnent à plein rendement. D’où, même si la température centrale s'élève audessus de la normale - par exemple, à 38°C -, la peau reste froide et on grelotte. Cet état, appelé le frissons, est le signe incontestable d'une augmentation de la température centrale. • Après plusieurs heures, cette dernière atteint la valeur fixée par le centre thermorégulateur et le frisson disparaît. Mais l'organisme continue de maintenir la température à 39 °C. • Quand les pyrogènes disparaissent, le réglage du centre thermorégulateur se remet à la normale, c'est-à-dire a 37°C. La température cellulaire étant élevée au début, les mécanismes de la thermolyse (vasodilatation, et transpiration) entrent en jeu pour la faire diminuer. La peau devient chaude et il y a sudation, c’est la crise, elle indique que la température centrale redescend. • La fièvre est bénéfique: L'élévation de la température intensifie l'effet de l’interféron et la phagocytose par les macrophages, tout en faisant obstacle à la réplication de certains agents pathogènes. • Comme la fièvre augmente la fréquence cardiaque, les globules blancs, qui combattent les infections, se rendent plus rapidement là où leur présence est requise • La chaleur accroît la vitesse des réactions chimiques, dès lors, la réparation des cellules de l'organisme peut s’effectuer plus vite pendant la maladie. • Les complications de la fièvre comprennent la déshydratation, l’acidose et les dommages permanents au cerveau. • En règle générale, l’élévation de la température centrale au-dessus de 44 46 °C entraîne la mort. D- Crampes de chaleur, épuisement dû à la chaleur et coup de chaleur • Les crampes de chaleur se produisent a la suite de sueurs abondantes qui privent l’organisme d'eau et de sel (NaCl-). • La perte de sel cause des contractions douloureuses des muscles, les crampes atteignent le plus souvent les muscles qui ont servi durant un travail, mais elles ne se manifestent qu'après coup, quand la personne se repose. • Des liquides salés amènent habituellement une amélioration rapide de l'état. • Lorsqu'il y a épuisement dû à la chaleur, la température centrale est généralement normale, ou un peu au-dessous de la normale, et la peau est fraîche et humide par suite d'une transpiration profuse. • L'état est normalement caractérisé par une perte de liquides et d'électrolytes, en particulier de sel. • La perte de sel cause des crampes, des étourdissements, des vomissements et des évanouissements; la perte liquidienne peut entraîner une chute de la pression artérielle. • On recommande le repos complet et des comprimés de sel. • Quand il y a coup de chaleur (ou insolation), la température et l'humidité relative sont élevées, ce qui entrave la perte de chaleur du corps par rayonnement, conduction ou évaporation. Il s'ensuit un affaiblissement des facultés neurologiques. • Le débit sanguin vers la peau diminue, la transpiration cesse presque complètement et la température centrale monte en flèche. Donc la peau devient sèche et chaude - sa température peut atteindre 43 °C. • Les cellules de l'encéphale sont atteintes, si bien que le centre thermorégulateur de l'hypothalamus cesse de fonctionner. • Le traitement doit commencer immédiatement, et il consiste à refroidir le corps par immersion dans l'eau froide et à administrer des liquides et des électrolvtes.
