La bio nergtique

La bionergtique est ltude des processus biologiques qui produisent et consomment de l'nergiechez les tres vivants. Elle tudie les 1/changes et conversion dnergie qui peut tre Energie chimique: travail mtabolique Energie mcanique: travail musculaire Energie thermique: chaleur Energie lumineuse: lumire 2/ transformations de lnergie En appliquant les principes de la thermodynamique.

Pour lutter contre le dsordre (la mort), le bio-systme doit se maintenir hors dquilibre, en assurant sans arrt le renouvellement de ses molcules et le maintien des grandeurs de tension de diffrents compartiments. Pour cela, les tres vivants fonctionnent comme des changeurs, des accumulateurs et des transformateurs dnergie chimique au niveau cellulaire. Cette nergie est de la bionergie

Bionergie: Est une nergie renouvelable partir de la biomasse. La cellule vivante transforme lnergie de la biomasse en nergie ncessaire au fonctionnement de ltre vivant Biomasse : Lensemble des organismes vivants sur les continents et dans les ocans, les micro-organismes, les plantes et les animaux

Lnergie est la capacit effectuer un travailIl existe 3 sortes d nergie Energie excitatrice: force dclenchant un travail Energie potentielle: emmagasine sous forme dATP Energie cintique : fournie par lhydrolyse de lATP pour excuter un travail au niveau cellulaire. Il peut sagir de Travail de synthse chimique Travail osmotique: rein Travail mcanique musculaire Interne ou externe

Les changes de matire et dnergie en bionergtiquese font entre les tres vivants (biosystme) et leur milieu ambiant cosystme lintrieur de ltre vivant lui mme

Les units de mesure en bio nergtique Kilo calorie : Kcal = 1 Cal= 1000 cal = 4,19 Kj 1Kj = 1000 j = 0,239 Cal

Lois de la bio nergtique

I- Circulation de lnergie

Source dnergie

H2O

CO2

6H20+ 6CO2

6O2 + 6C6H12O6

Glucides

O2

Glucides

II-Origine de lnergie cellulaireGlucose la base des autres nutriments: Lipides et protides Dans la mitochondrie lacetyl-CoA est ltape finale commune des G, L et P qui entre dans le cycle de Krebs o il y a couplage entre oxydorduction et phosphorylation et formation dATP Formation d ATP intra mitochondriale lATP est une forme de stockage dnergie qui sera libre par rupture des liaisons riches en nergie

ATP + H2O ADP + phosphate + H+ +7 Kcaloxydations phosphorylante

Stockage de substrats nergtiquesGlucides (ou hydrates de carbone) sous forme de glycogne dans le foie et dans les muscles Lipides dans le tissu adipeux

Intrt en mdecine Etude des mtabolisme nergtique Ration alimentaire en fonction des activits Obsit, nutrition Thermorgulation Travail musculaire Mdecine de sport et de travail Anomalies cellulaires mitochondriales

II- Lois de lnergtiqueObissent aux principes gnraux de la thermodynamique La thermodynamique est ltude des relations entre lnergie thermique et lnergie mcanique Ces relations sappliquent ltude des changes et transformations nergtiques chez les tres vivants A/Loi de la conservation de nergie B/Principe de ltat initial tat final Thorme de Berthelot

A/ Loi de la conservation de nergieLavoisier 1773 Rien ne se cre, rien ne se perd, tout se transforme Univers cosystme E E Etre vivant Etat initial = Transformateur biosystmeEtat final Perte de chaleur (dchet)

La quantit d'nergie contenue dans un systme est constante. L'nergie ne peut tre ni cre ni dtruite mais seulement convertie d'une forme en une autre

Aliments + O2

E. potentielle + Dchets

Biomasse OxydationBio nergie Combustion Respiration

E. Cintique Mcanique Chimique Electrique Rayonnante

CO2 H2O Ure

Chaleur

La vie est une combustion

Chaleur

B/ Principe de ltat initial et de ltat final:

la quantit d'nergie qui apparat lors de la combustion des aliments dpend uniquement de

l'tat initial et de l'tat final

C + O2 C + O2 CO + O 2

CO2 + 94 Cal CO + 26,4 Cal CO2 + 67,6 Cal

Le bilan nergtique global dpend des E libres par les tapes intermdiaires mais leur mesure nest pas ncessaire Il suffit de connatre la quantit de matire engage dans la raction

Bilan E global = Etat initial Etat final

Chaleur de combustion, Chaleur de Formation dune molculeLa diffrence entre la chaleur de combustion des constituants dune molcule et la chaleur de combustion de la molcule elle-mme correspond la chaleur de formation de la molcule

Combustion du carbone Combustion de lhydrogne

6C

+ 6O2

6CO2 + 564 Cal 6H20 + 414 Cal 978 Cal 6H20 + 6CO2 + 680 Cal 298 Cal

6H2 + O 2

Chaleur de combustion des constituants Combustion du glucose

6 CH6H12O6 + 6O2 Chaleur de formation du glucose

Applications Etat initial + O2 Substrats + O2Quantit Nature( G, L, P)

Etat final + Energie libre mtab. Dchets + MQuantit CO2, H2O, ure chaleur

Calcul de lnergie mtabolisable (M) , disponible dpend du bilan nergtique chaleur de combustion et chaleur de formation

Combustion dune molcule ternaireEtat initial Constituants: C,H,O Etat final CO2,H2O

Chaleur de combustion des constituantsGlucoseChaleur de Formation F

Chaleur de combustion C Energie mtabolisable M Ingestat Egestat pas dureCh. de combustion E2=0

Chaleur de formation des egestats E1 M= C- E2= E1- F M=C-0=C

Combustion dune molcule quaternaireEtat initial Constituants: C,H,O,N Etat final CO2,H2O Azote oxyd

Chaleur de combustion des constituants QAliments:G,L,PCh. de formation

F

Ch.de combustion de la molcule C Egestat Ure

Ch. de formation Egestats

E1E. Mtabolisable M

Ch. de combustion Egestats E2

M= C- E2= E1- F

Mthodes dtude en bio nergtique

Ingestat + O2

Egestat + CO2

+ Energie Calorimtrie directe

Thermochimie alimentaire

Thermochimie respiratoire

Calorimtrie indirecte

I/ La calorimtrie directe

t2

t1

Air

Air

O2SO4H2 Chaux sode

Mesure de la production de chaleur corporelle par calorimtrie directe

II/ La calorimtrie indirecteA/ Thermochimie alimentaire Principe de ltat initial - tat final Ingestat + O2 Egestat + CO2 +

M

M = Chaleur de combustion des ingestats

Chaleur de combustion des gestats

M = C- E2

Deux difficults Les aliments ingrs ne sont pas totalement brls. Il faut tenir compte de la quantit dnergie perdue dans les excreta (selles et urines) Lapport alimentaire peut ne pas couvrir exactement les besoins : ils peuvent tre en Excs Dficit Rserve de graisse Utilisation des rserves

1/ Mthode des ingestats Elle est base sur le calcul du bilan nergtique: il faut connatre la Quantit et nature de laliment, pour en dduire la Valeur nergtique Ensuite on calcule le coefficient dutilisation digestive CUD

1-1/Coefficient dutilisation digestive des aliments CUD

CUD = Quantit absorbe Quantit ingre

CUD= Ingestat - Egestat Ingestat CUD= Rendement toujours infrieur 1

1-2 /Valeur nergtique des nutriments Energie mtabolisable M dun aliment est la fraction du contenu nergtique de laliment utilisable par l'organisme

Diffrence entre lE brute de laliment ingr et lE des dchets * perte fcales: fraction non digre, fermentation colique * urinaires : dchets azots et produits de dtoxication Perte dE de l'ordre de 4 5 % de lE brute ingre

M = Valeur utilise pour dfinir le contenu nergtique propre des aliments

Bombe calorimtrique

a/ In vitro

Quantit consomme A Quantit dans les selles B Quantit dans les urines C Energie mtabolisable M M = Chaleur de combustion Ingestat - Egestat M= A - (B+C)

Valeur nergtique potentielle des nutriments 1g de glucide: 4,1 Cal ( B=0 , C=0) 1g de lipide : 9,4 Cal ( B=0 , C=0) 1g de protide: 5,6 Cal ( B=0 , C#0) , ure urinaire # 1g de P contient 0,343 g dure 1g dure libre 2,5 Cal 1g de P : 5,6 - (0,343x 2,5) = 4,75 Cal

2/Thermochimie alimentaire : application pratique Calorimtrie alimentaire mesure en 4 temps

1- On pse tous les aliments ingrs par le sujet pendant la priode de mesure

2- On calcule la quantit de protides, de lipides et de glucides ingre

Voir tableau des aliments

3- Calcul de la quantit dnergie apporte par chaque catgorie de nutriments Chaleur de combustion moyenne des aliments 1 gramme de glucides = 4.1 Kcal 1 gramme de lipides = 9.4 Kcal 1 gramme de protides = 4.75 Kcal

Dpense dnergie (DE) = Energie ingre - Energie excrte Cette technique nest valable que si, et seulement si, le sujet est en bonne sant et que son poids est rest stable pendant la priode de mesure Cette mthode est la base de la mthode denqute utilise par lOMS

2/ Mthode des Egestats

Chaleur de Combustion des egestats

Chaleur de Formation e la molcule

Energie mtabolisable

M = E1 F

La mesure de la quantit degestats produite permet de dterminer la quantit dingestats absorbe et de calculer la valeur nergtique mtabolisable H2O + ure + CO2+ MQuantit

Ingestat + O2Quantit

Ingestat + O2 2-1 /ure

H2O + ure + CO2+ M

NH2-CO-NH2 limination urinaire

Y: quantit dure urinaire 1g de protide Y g dure 0,343g dure Q Cal = M 4,75 Cal

M = Y x 4,75 0,343

2-2 / CO2 Provient des G, L, P. Il est rejet dans lair expir et peut tre mesur par spiromtrie 2-2-1: CO2 dorigine protidiqueLes protides sont des molcules quaternaires librant de lure qui contient de lazote

Protides + O2 6,25 g de P 1g de P X g de C

H2O + ure + CO2 + M 1gN 4,75 Cal Q Cal = M 3,3 g C

M = X x 4,75 x 6,25 3,3

2-2-2/ CO2 dorigine glucidique et lipidique Aprs un jene de 12 heures, il y a puisement des rserves de glucides. Le carbone mesur par spiromtrie correspond au CO2 dorigine protidique et au CO2 dorigine lipidique1g de C 1g de L XgC 1,3g de L 9 Cal QL Cal

QL= X x 9 1,3

M = QP + QL

3/ Mthode des bilansIngesta + O2 gesta + M

mtabolise(Energie produite)

M = dpense + E potentielle de rserve(Travail + chaleur) ( puise ou mise en rserve)

Il faut connatre la quantit ingre et la quantit rejete (Ingestas Egestas) , ainsi que leur valeur nergtique afin de dterminer lnergie potentielle de rserve Il n y a pas de rserve de glucides! Cette mthode ne sapplique quaux protides et aux lipides

3-1/ Le bilan azot ++++ Apport azot N Elimination strictement urinaire N, Le bilan correspond N-N,

Le bilan azot = N - N,

Le bilan azot = N - N, N-N, = 0 Bilan nul: le sujet est en quilibre azot N-N, > 0 Bilan Positif: le sujet constitue des rserves protidiques Rserve protique labile < 5% masse protique Croissance N-N, < 0 Bilan ngatif: Rserves protidiques diminuent Jene prolong Dnutrition, Marasme, Kwashiorkor 3-2/ Le bilan du carbone dorigine lipidique

3-3/ Le bilan nergtique global mtabolise = dpense dpense - mtabolise = Le bilan nul: E dpense = Le bilan positif:

+ E potentielle de rserve - E potentielle de rserve

Equilibre nutritionnel EPR = 0 E mtabolisable E dpense - E mtabolisable >0 Amaigrissement Lorganisme puise dans lEPR E dpense = M - EPR

Le bilan ngatif:

E dpense - E mtabolisable < 0 Obsit, Mise en rserve de lEPR E dpense = M + EPR

Marasme

Apathie; Retard de croissance, Poids < 60 % du poids normal pour lge; Fonte musculaire Pas de graisse sous la peau; Diarrhe. Il touche les bbs nourrit au sein sans complment de nourriture solide au cours de la premire anne de vie. Le marasme est galement li lutilisation fautive du biberon, surtout dans les milieux urbains

Kwashiorkor

Cheveux fins, brun-rouge, mats et dfriss; Apathie; Retard de croissance, avec un poids < 60 % fonction de limportance de loedme; Peau marbre; Ventre prominent; Diarrhe; Fonte musculaire Il touche lenfant plus g aprs sevrage

Mthodes dtude en bio nergtiqueIngestat + O2 Egestat + CO2 + Energie Calorimtrie directe

Thermochimie alimentaire

Thermochimie respiratoire

Calorimtrie indirecte

B / Thermochimie respiratoire Q= c x V*O2Q: dpense nergtique Cal/h c: coefficient thermique de loxygne Cal/ l V*O2: volume doxygne consomm par unit de temps l/ mn

1/ Coefficient thermique de loxygne Quantit dnergie dpense par la combustion dune substance avec 1 litre d oxygne Glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + M

C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O + 680 Cal 6 moles dO2 22, 4 litres 134, 4 litres 680 Cal 680 / 134,4 =5,05

1 mole de glucose pour 1mole d O2 occupe un volume de 6 moles d O2 occupe un volume de 134,4 l dO2 librent 1 l dO2 libre

Coefficient thermique de loxygne pour le Glucose c = 5,05Cal/l d O2

C glucose = 5,05 Cal/l d O2 C protide = 4,70 Cal/l d O2 C lipide = 4,64 Cal/l d O2 C Alimentation mixte= 4,83 Cal/l d O2

2/ Quotient respiratoire QRA chaque valeur de QR correspond un coefficient thermique QR= Volume de CO2 produit par unit de temps Volume d O2 consomm

= V*CO2 V*O2 Glucose + 6 O26 =1 6 QR Lipide = 0,70 QR protide = 0,81 QR Glucides =

6 CO2 + 6 H2O + 680 CalQR varie entre 0,70 1

QR fournit une indication sur le type daliments consomms

Calcul de la nature des substrats oxyds POURCENTAGE PONDERAL

CARBONE GLUCIDES LIPIDES PROTIDES 40% 76,5% 53,6%

AZOTE 0% 0% 16%

QUOTIENT RESPIRATOIRE APPLICATION Pendant une heure on dtermine chez un sujet au repos VO2 = 22 litres, VCO2 = 18 litres, Excrtion urinaire = 0,32 g d'azote. Quelles quantits de glucides, protides et lipides aura t-il oxyd pendant cette priode ?

POURCENTAGE PONDERAL

1) Calcul du QR QR = 18/22 = 0,818GLUCIDES LIPIDES PROTIDES

CARBONE 40% 76,5% 53,6%

AZOTE 0% 0% 16%

2) Calcul des protides utiliss 0,32/16 x 100 = 2 g ( Prot = 16% de N) 3) Calcul du carbone "protique" ( Prot = 53,6% de C)

2 x 0,536 = 1,072g de C1,072 / 12 = 0,08933 moles 0,08933 x 22,4 = 2 l CO2 Oxygne "protique" = (QR prot = 0,81) 2 / 0,81 = 2,35 l O2

4) Gaz respiratoires non protiques:

VO2 = 22 - 2,35 = 19,65 L VCO2 = 18 - 2 = 16 L QR = 16 / 19,65 = 0,814 (QR non protique)5) Rpartition glucides - lipides: soit x la concentration fractionnaire de lipides 0,7 =>

x + 1 (1 - x) = 0,814 x= 0,62

=> L 62% ; G = 38%

QR glucide = 1 QR Lipide = 0,70 QR protide = 0,81

6) Dpense nergtique non protique: 19,65 X 20 = 393 kJ Part des lipides : 393 X 0,62 = 243,7kJ =>243,7/ 40 = 6,1 Part des glucides : 393 X 0,38 = 149,34 kJ => 149.34/ 17,1 = 8,7

g g

A chaque valeur de QR correspond un coefficient thermique

Quotient respiratoire et quivalence calorique de l'oxygne.

la dpense nergtique par une simple mesure de consommation dO2

Q= c x V*O2

Comme source d'nergie, les protides sont moins intressants que les glucides car, d'une part ils gnrent de l'ure, qui en excs dans le sang demande un travail rnal supplmentaire et, d'autre part, une partie de leur nergie potentielle est perdue pour l'organisme (ure). Remarque: les lipides sont une bonne source d'nergie (9kcal/g), toutefois, leur utilisation excessive n'est pas sans danger car, lors de leur catabolisme, ils gnrent des corps ctoniques, qui acidifient le sang ce qui risque de provoquer un coma. Le coma des diabtiques insulino-sensibles a pour cause une augmentation de la teneur du sang en corps ctoniques

Notions de mtabolisme

Notions de mtabolismeLa demande nergtique est fonction du niveau d'activit Partant d'une valeur de repos ou mtabolisme de base ou standard, elle est d'autant plus leve que l'activit dveloppe est grande. Mtabolisme de base:dpense de fond dpenses obligatoires incompressibles lies lentretien de la vie Il reprsente 60% de la dpense nergtique global Mtabolisme additionnel Sajoute aux dpenses de fond Travail musculaire Thermorgulation Activit digestive

I/ Mtabolisme de BaseMB= quantit dnergie dpense par un sujet plac en condition basales

Conditions basalesChez un sujet couch, dtendu, veill En quilibre avec une temprature ambiante de 19 C Aprs 12 18 heures de jene.

A / Mthode de mesure1/ Calorimtrie directe chambre calorimtrique dATWATER et BENEDICT

t2

t1

Air

Air

O2SO4H2 Chaux sode

2/ Thermochimie respiratoire MB= C x V*O2

B/ Mode dexpressionCal/ h / m2 de surface corporelle Plus le poids augmente plus le MB cal/ h augmente

Cal/ h / m2 de surface corporelle Plus la taille augmente plus le MB cal/h/ Kg diminue

Dpense nergtique Cal/h/Kg

Taille cm Souris chien Femme Homme Taureau Elphant

Expression des rsultats en Cal/h / m2 de surface corporelle permet La comparaison des MB de diffrentes espces La comparaison des MB de diffrents sujets de lespce humaine Par rapport une valeur de rfrence= MB Thorique MB Thorique est dfini statistiquement population de sujets normaux fonction de lge fonction du sexe MB mesur est compar au MB Thorique: sujet de mme ge et sexe Index de dviation ID ID= MB mesur - MB Thorique x 100 MB Thorique Valeur normale 10% Au-del de 15% pathologique

C / Variations physiologiques Le MB est variable avec l'ge 55 kcal/m2/h 5 ans 35 kcal/m2/h 50 ans. Variable avec le sexe Plus faible chez la femme que chez lhomme

Activit gnitale Pubert, grossesse, allaitement MB Cycle nycthmral Le sommeil MB Le jene diminue le MB. Ne pas descendre sous 1200 Cal/j Activit physique MB Conditions climatiques Climat extrme MB

D / Variations pathologiques Les dysthyrodies hypothyrodie MB hyperthyrodie MB La fivre , le stress MB

Si le mtabolisme de base ralentit son activit ou l'acclre, les rserves de graisse changeront. Par exemple, une baisse de seulement 4% se traduit par un surplus de presque 50 calories par jour (4% de 1 200 calories). Au bout d'une semaine, l'excdent atteint environ 350 calories et aprs 6 mois, il frise les 7000 calories! ce rythme, si on n'ajuste pas lapport calorique en consquence, le sujet prendra aisment un kilo de graisse (7 000 calories). l'inverse, une hausse de 4% entranera une perte de 7 000calories en 6 mois. Ce qui fait faire le yo-yo au mtabolisme

II/ Mtabolisme additionnelA/ le travail musculaire 1/ Mise en vidence Chez lanimal: Cage actographie

Cage actographie

V*O2 M

MBTemps en min Activit

Repos Temps en min

Chez lhomme Bicyclette ergomtrique Fonction de lintensit de lexercice musculaire Mesure de la consommation dO2 Dtermine la dpense nergtique 2/ Rsultats

La contraction musculaire : consommation dO2 Glucose + O2 dchet + Energie DE= c x V*O2 Le travail musculaire provoque une consommation d'ATP par les fibres musculaires. Le rendement du travail musculaire est de 38%. Le reste, 62% est transform en chaleur

Exemples Station assise Station debout Ecriture: Marche lente Marche rapide Travaux mnagers Sport Course rapide 20 Cal/h 35 Cal/h 40 Cal/h 100 Cal/h 140 Cal/h 200 Cal/h 400 Cal/h 900 Cal/h

Les activits physiques de type anarobie (forte puissance de courte dure) utilisent presque exclusivement le catabolisme des glucides comme source d'nergie. Les activits de type arobie (puissance modre de longue dure) utilisent principalement le catabolisme lipidique comme source d'nergie.

B/ Besoin de thermorgulation Thermogense Thermolyse

C/ Action dynamique spcifique des aliments Dfinition

ADS

Augmentation obligatoire de la DE qui suiot la prise alimentaire Elle est dorigine non digestive Comprend Une partie obligatoire = cot de stockage des nutriments:

Augmentation de lactivit mtabolique cellulaireAssimilation des aliments par lorganisme 25% de l'nergie des protines ingres 6% " glucides " 2% " lipides " Une partie facultative = dpend du systme nerveux sympathique (noradrnaline)

Mise en vidence: en conditions basales Ingestion des aliments DE1 > MB20 40% 7 10 % 4 5% P L G

MB

Injection Intraveineuse daliments de mme composition que ceux ingrs entraine une dpense nergtique E2 DE1= DE2 DE2 > MB Conclusion LADS nest pas dorigine digestive. Elle correspond au cot de mise en rserve des matires par les cellules

Thermognse alimentaire (ADS) Post prandiale Apparat obligatoirement sous forme de chaleur Fraction variable de la valeur nergtique du substrat Non lie au fonctionnement digestif Non lie au mtabolisme de laliment ingr Sige dans les tissus Mcanisme de rgulation pondrale? Drglement chez lobse ?

Facteurs de variations: Charge calorique du repas Qualit du repas: Protides: dsamination 20 30 % Lipides: dsaturation des acides gras 0 2% Glucides: phosphorylation et glycognse 5 10 % Palatabilit de repas et SNSADS facultative: augmentation de la dpense nergtique sadressant au systme nerveux sympathique et en particulier la noradrnaline. Aide brler les calories excdentaires stockes sous forme de graisse blanche. Favorise la perte de poids.

Exercice physique pralable Substances diverses: cafine, nicotine ADS Masse grasse: elle diminue chez l'obse quand la masse la grasse augmente

APPLICATION Dtermination des apports nergtiques conseillsSe fait en 2 tapes: dterminer le MB puis la dpense nergtique

1/Estimation du mtabolisme de base (MB)Diverses mthodes et quations ont t proposes Les quations de Black (1996) P = poids en kg ; T = taille en m ; A = ge en annes

Femme : Homme :

MB = 0.963 x P 0.48 x T 0.50 x A -0.13 MB = 1.083 x P 0.48 x T 0.50 x A -0.13

fderad.club.fr

www.futura-sciences.com/.../c3/221/p9/.

2/ Evaluation des dpenses nergtiques journalires (DEJ)Doit tre aussi prcise que possible, afin dquilibrer lapport nergtique sans excs ou dfaut pour viter un gain de masse grasse ou une perte de poids La FAO recommande l'utilisation de la mthode factorielle qui applique au MB un coefficient multiplicateur corrl au niveau d'activit physique (NAP) DEJ = MB * NAP

www.kinecal.com

Pour un poids stable lindividu assimil un systme thermodynamique Perte de poids, il faudra introduire la notion de diffrence entre

poids rel et poids vispour calculer la quantit dE supprimer pour induire une perte de poids, sans crer de carence.

la MASSE MAIGRE, riche en eau (72.5 %) mtaboliquement consommatrice d'nergie la plus importante physiologiquement. sa diminution signe la dnutrition son augmentation peut tre normale (musculation) ou pathologique (hyperhydratation hormonale) la MASSE GRASSE, virtuellement anhydre, Triglycrides Rserve nergtique de l'organisme: 9 kcal/g Isolant thermique protection contre les chocs synthses hormonales et protiquesIMC = P / T 2

Des courbes statistiques de variation de l'IMC la population en fonction du sexe et de l'ge Chez l'adulte, la zone de poids corporel de "forme" pour une taille donne correspond un IMC compris entre 20 et 25 IMC < 17 IMC entre 17 et 20 IMC entre 20 et 25 IMC entre 25 et 30 IMC entre 30 et 35 IMC entre 35 et 40 IMC > 40 dnutrition maigreur normal surpoids obsit obsit svre obsit morbide

Ration Alimentaire

Equilibre thermique Et Thermorgulation

La thermorgulation a pour fonction de maintenir la temprature interne constante lorsque la temprature externe varie dans de larges limites. Il sagit soit dune production soit dune perte de chaleur. La chaleur est un dchet du mtabolisme cellulaire produit de faon permanente

ENDOTHERMES Temprature centrale indpendante du milieu ambiant. Elle est obtenue par production de chaleur interne = HOMEOTHERMES

H I B E R N A N T

ECTOTHERMES Temprature centrale dpendante du milieu ambiant =POIKILOTHERMES

I/ La temprature corporelleFlux interne Flux externe

changes thermiques

Temprature constante Rgule Noyau Homotherme Thermogense Thermolyse Temprature dpendante du milieu extrieure Variable Ecorce Pokilotherme

1/ Rpartition de la temprature chez les endothermes

La rpartition de la temprature nest pas homogne

Le Noyau thermique correspond aux rgions du corps o la temprature est maintenue 37 C Lenveloppe thermique subit des variations de tempratures dpendant de la temprature ambiante.

2/ Mesure de la temprature

TEMPERATURE CENTRALE Buccale Rectale Oesophagienne Tympanique TEMPERATURE PERIPHERIQUE Cutane moyenne diffrence priphrie/centrale = reflet de l'enveloppe

3/ La condition dune temprature constanteEquilibre des changes pour maintenir une temprature constante La temprature corporelle est le rsultat de lquilibre entre la production et la perte de chaleur

PRODUCTION OU GAIN DE CHALEUR

Temprature centrale PERTES DE CHALEUR

THERMOGENESE

THERMOLYSE

cste

II/ La dperdition de chaleur2 types de chaleur mesurs par calorimtrie directe

A/ Dperdition de la chaleur sensibleChaleur patente: perue par le thermomtre: 75 80 %

Thermolyse

Noyau central

Flux externe Flux interne Conduction Convection Radiation 45%

1- Conduction: surface dappui 2- Convection:

Convection libre Circulation de lair Au contact de la peau

Convection provoque Pertes plus importante de chaleur

3- Radiation:40 45 % du flux thermique externe Emission de la chaleur sous forme de RAYONNEMENT infra-rouge

T t < Corps t T t >

Milieu ambiant T

ECHANGES THERMIQUES = MECANISMES PERMETTANT LES PERTES (ou GAINS) DE CHALEURpeau paroi CONDUCTION CONVECTION AIR (eau) RADIATION infra-rouge Tcut glandes sudoripares EVAPORATION (SUDATION) Tamb paroi

B/ Dperdition de la chaleur latenteDpend de la temprature ambiante et de lactivit du sujet 1- Au repos et neutralit thermique: Perspiration insensible: vaporation de leau travers la peau et la muqueuse respiratoire

Sans production de sueur !1litre deau 580 Cal 37 de temprature ambiante

2- A lexercice et/ou temprature ambiante leve Transpiration: sudation glandulaire Prsence de sueur ! efficace uniquement si elle svaporeLa dperdition de Chaleur se fait par vaporation

Lvaporation de 125 grammes de sueur abaisse la temprature centrale du corps de 1 degr.Au maximum des capacits on produit 4l/h de sueur correspondant une dpense nergtique de 2000 Cal/h Lvaporation est Proportionnelle la Tambiante Inversement proportionnelle au degr dhygromtrie (lhumidit relative)

vaporation

III/ Neutralit thermiqueValeur de la temprature ambiante tcentrale constante sans dpense nergtique sans mcanismes de thermorgulation Situation Sujet habill Sujet nu Sujet au repos dans leau Tde neutralit thermique 20 22 C 28 30 C 35C

La variation du mtabolisme d'un sujet humain en fonction de la temprature extrieure montre un minimum autour de 30 C pou r un sujet nu et autour de 20C pour un sujet moyennement habill . Ce sont les tempratures de neutralit thermique. Production = pertes de chaleur sans mcanismes correcteurs.

IV/ Mcanismes de thermorgulationtcentrale consigne: 37 C

Thermogense

Thermolyse

Diminution Tambiante

Augmentation Tambiante Stress

A/ ThermogenseAugmentation de la dpense nergtique: Energie thermique du mtabolisme cellulaire convertit lnergie chimique en chaleur Frisson thermique: Thermogense involontaire convertit lnergie mcanique en chaleur Vasoconstriction rflexe des vaisseaux cutans rduction du flux interne et externepeau

Flux thermique diminu

Thermogense sans frisson: tissu adipeux brun Activit comportementale volontaire: habitat, habit

B/ ThermolyseAugmentation de la dpense nergtique: Energie thermique Production et vaporation de la sueur

Vasodilatation reflexe des vaisseaux de la peau Augmentation du flux interne et externe

Flux thermique augment

C/ McanismesAffrences Rcepteurs

1- Les thermorcepteurs cutans Les capteurs ou thermorcepteurs 2 types

2- Les thermorcepteurs centraux situs dans lhypothalamus

Centres thermorgulateurs de lhypothalamus Une variation de moins de 1 C du sang irriguant lhypothalamus suffit provoquer une raction de thermolyse ou de thermognse importante.

Centre de la thermolyse : partie antrieure, dans laire pr-optique

Neurones activs par une lvation de la temprature

Centre de la thermogense : partie postrieure des centres de la thermolyse de lhypothalamus

Neurones activs par une baisse de la temprature

Perturbation (froid, chaud) Variation de la temprature Corporelle (1C) Thermorcepteurs Priphriques et centraux Centres rgulateurs Thermolyse Thermognse Hypothalamus Hypophyse Rgulation Retour la temprature de 37 C

Effecteurs PeauVasoconstriction Ou Vasodilation

MdullosurrnalesLibrations Des catcholamines

MusclesMuscles Frissons horripilation

ThyrodeLibrations des Hormones thyrodiennes

lvation ou baisse de la temprature corporelle

V/ Trouble de la rgulation thermiqueA/ la fivreFivre

Thermostat hypothalamique thermognse

thermolyse

B/ Hypothermie T centrale < 35 C diminution de la force musculaire frisson +++ diminution du mtabolisme des agents pharmacologiques

T centrale < 34 C confusion mentale perte de connaissance

Tcentrale < 28C< Bradycardie arythmie fibrillation ventriculaire

ETIOLOGIES : conditions extrmes, anesthsie, sujet g, hypothyrodie

TRAITEMENT Rchauffement progressif : perfusion utilisation clinique : CEC

C/ Hyperthermie T centrale > 38 maximum 43 C C Coup de chaleur = perte de thermorgulation rduction de la sudation augmentation de T centrale hypotension artrielle abolition/diminution des rflexes convulsions et mort crbrale (Tcentrale >42) ETIOLOGIE Pathologie hrditaire dshydratation hyperthyrodie, infection,... TRAITEMENT refroidissement progressif rhydratation

VI/ Dpense nergtique de thermorgulationtCentrale

Thermolyse

TC supr.

37 TC infr.

tdu noyau central

Mtabolisme de sommet

T ambiante

. CVO2Thermogense Tlthale Tlthale

MBTC infr.

MBTde neutralit thermique

TC supr.

Tambiante Hyperthermie

Hypothermie

Mtabolisme de sommet : Dpense nergtique maximale quand lutte contre le froid Situation transitoire : Exposition longue : MB x 2 Exposition courte : MB x 4

PROTEINES DE CHOC THERMIQUE Synthse par les cellules exposes des temprature sublthales de Protines (30 110 KD) : HSP (Heat Shock Proteins) = classe des Protines de stress (anoxie, froid, osmotique..) Rle physiologique ? Amlioration des performances cellulaires et tolrance ?

CONCLUSIONS Fonction dont aucun organe n'est vraiment spcialis Adaptation de l'humain plutt la chaleur Rgulation par le SNC Importance en clinique : Contrle de l'hyperthermie et de la fivre Effets des agents anesthsiques sur la thermorgulation Adaptation (acclimatisation)A lire : Physiologie applique la mdecine, Samson-Wright, pp 398