PHYSIOLOGIE ENERGETIQUE

• Vie : perpétuel remaniement de molécules. Réactions chimiques catalysées par des enzymes. Maintient d’une originalité vis­à­vis de l’extérieur.

• Vitesse d’une réaction en fonction de la température :

Efficacité de la réaction

Température       Réaction possible       Efficacité suffisante

 Nécessité de travailler dans la gamme d’efficacité suffisante.• Chez les mammifères : réponse par la thermorégulation dans le contexte d’un équilibre d’énergie.

I­ Equilibre énergétique   

• Organisme = système thermodynamique ouvert : échange d’énergie avec l’extérieur.• Spécificité :

- Protéines présentes uniquement dans les organismes- Ions présents à des concentrations différentes à l’intérieur de l’organisme qu’à l’extérieur.

      Coûteux en énergie.

1) Généralités (rappels)   

• En énergétique, on utilise des unités particulières : les calories.• La calorie ( = calorie ) : quantité d’énergie qui permet d’augmenter la chaleur d’1 g d’eau de 1°C de 14,5°C à 15,5°C.• 1 kcal : 1 kg d’eau de 14,5 °C à 15,5 °C.• Flux de milliers de kcal par jors.• 1 calorie = 4,18 J.• 1 kcal = 1 Cal• Un organisme humain en situation basale dépense 1 kcal / min.

 Une ampoule de 75 W.

Bilan quotidien :

Lipides 100 g           urée, NH3 15 g

Glucides 300 g           H2O 320 g

Protéines 100 g           CO2 450 L

O2 500 L           Energie 2500 kcal/jr

2) Les apports d’énergie   

a) L’obtention d’énergie   

• Oxydation de chaînes de carbones hydrogénées présentes au départ dans les aliments.

Aliments, Nutriments   Energie chimique

Glycolyseβ ­Oxylation Chaleur, énergie caloriqueCycle de Krebs

   Energie chimique

Chaîne de phosphorylation            Oxydative

ADP + Pi ATP

           Energie pour les fonctions         cellulaires

Attention : L’ATP n’est en aucun cas une molécule réserve de l’énergie.

           t1/2

t1/2 ~ 10 sec.

• L’essentiel de l’énergie est produit dans les mitochondries :

        H+ H+

H+            H+     H+

H+ H+

 Chaîne    ATP       Sous unité    de synthase   canal à protonstransfert 

  NADH       Sous unité

         catalytique

H+ : protons arrachés        aux nutriments         ADP + Pi      ATP             oxydés

     H+

H2O

   O2

b) Energie des nutriments

• Chaleur de combustion des aliments / nutriments :

O2 Température

BombeCalorimétrique

Aliments / nutriments• Par gramme d’aliments / nutriments brûlés :

- Glucides : 4,1 kcal- Lipides : 9,4 kcal- Protéines : 5,6 kcal

 Les lipides sont plus énergétiques que les glucides• Problème : différent in vivo : amidon brûlé, pas le cellulose.

 Dans les 2 cas, 4,1 kcal de chaleur de combustion. Valeur énergétique : Amidon : 4,1 kcal ; Cellulose : 0 kcal.

• Dans les régimes traditionnels, on consomme plus de glucides que de lipides ( en % de l’apport énergétique total d’une journée ) :

- 55% glucides- 30% Lipides- 10 – 15 % Protéines

 Tendance à 40 – 45 % de glucides et de lipides.

c) Le stockage de l’énergie   

• On ne va pas utiliser pour l’oxydation les nutriments qui viennent d’être absorbés. Les acides gras sont stockés dans le tissu adipeux sous forme de triglycérides. Le glucose  Glycogène dans le foie.

• Déstockage : jeun.• Stockage : Homme à jeun :

Masse ( kg ) Energie chimique        ( kcal )

Lipides triglycérides du tissu adipeux

15 140 000

Protéines protéines musculaires 6 24 000

Glucides Glycogène muscles 0,15 600Foie 0,075 300

            165 000

• Lipides : stockage à long terme  Forme inerte (bouge pas) Problème : déstockage coûteux.

• Glucides : stockage plus difficile. 1 g de glycogène est associé à 2 g d’eau.• Glucose : 10 min d’autonomie.• Glycogène : quelques heures d’autonomie.• Triglycérides : quelques dizaines de jours.• Protéines : Attaque des fonctions vitales.

3) Les dépenses d’énergie   

a) Les méthodes de mesure      : calorimétrie   

• 3 types de méthodes de mesure calorimétrique :- Calorimétrie directe : toute activité cellulaire aboutit à une production de chaleur.

 Chambre calorimétrique. Système simple mais lourd.

- Calorimétrie indirecte : par la respiration :

   1 mol glucose  6 mol de CO2670 kcal

6 mol d’O2

1g demande d’O2Production de 

CO2

Quotient respiratoire

Production énergétique

( kcal )

Equivalent calorique d’1 L d’O2 (kcal)

Glucides 830 830 ( 1 ) 4,2 5Lipides 2000 1430 ( 0,7 ) 9,5 4,7

Protéines 970 780 ( 0,8 ) 4,4 4,6         4,8

 Quantité de protéines brûlées : appréciable en mesurant la sortie urinaire d’azote ( car dégradées par désamination ). Quantité de glucides et de lipides absorbés : quotient respiratoire : 0,7 < Qr < 1.

 On obtient le % glucides lipides. Différents pour situation post prandiale ou de jeun. Permet de détecter des problèmes de résistance à l’insuline.

- Energie des ingestats :

Eingestats = Edépensée + Eexcrétats + gain de poids

b) Les différents types de dépenses.   

• La dépense globale est variable car c’est la résultante de plusieurs dépenses élémentaires. Fonctionnement de base de l’organisme :

- Dépense de repos- Dépense de thermorégulation- Dépense musculaire

α ­ Dépense basale : mesurée par une chambre

• Sujet au repos allongé, éveillé, au calme émotif, à jeun, à 18 – 20 °C, habillé légèrement.• Chez l’homme : 1500 – 1700 kcal / jr.

Consommation des             métabolismes de base

Boeuf

      Homme

Mouton

     Chien

          Lapin     RatSouris

    Masse

• 1 kg de souris dépense plus qu’1 kg de bœuf.• 1 m2 de souris dépense comme 1 m2 de bœuf.

 Les échanges de chaleur sont importants.

• Dépense énergétique :- Protéine : 20% 50% de consommation de base- Pompes Na/K ATPase : 30%

• Dépens liée à l’acte alimentaire :- Augmentation de 20% du métabolisme de base.

 Ce qui consomme le plus : assimilation de protéines.• ADS : Action Dynamique et Sportive ( ou extrachaleur post prandiale) :

 Le travail musculaires :Allongé éveillé 77 kcal.h­1

Assis repos 100 kcal.h­1

Marche terrain plat 200 kcal.h­1

Marche pente légère 350 kcal.h­1

Course modérée 600 kcal.h­1

Activité maximale 1 400 kcal.h­1

• Cette dépense énergétique est réalisée dans un contexte de faible rendement ( ~ 30%) 70% de libération de chaleur.

BILAN :

• 1 500 kcal.jr­1  Métabolisme de base.• Valeur moyenne : 2 400 – 3 000 kcal.jr­1

• Travail musculaire : 20%• Travail prandial : 20 %

 Grand potentiel dans la dépense d’énergie.

II­ La thermorégulation   

1) Température et stratégie   

• Pertes de chaleur : thermogenèse, thermolyse.

• Les animaux peuvent être classés en 2 groupes :- Endothermes- Ectothermes

• Ectothermes : Invertébrés, poissons, amphibiens, reptiles. Métabolisme trop faible pour élever la température du corps. Ils utilisent la température ambiante. Ils      ne sont pas isolés thermiquement. Leur température est fluctuantes si la température extérieure est      fluctuante. Poïkilothermes. En période froide, hibernation.

• Endothermes : Mammifères, oiseaux. Produisent suffisamment de chaleur pour pouvoir maintenir leur température corporelle au dessus de      la température ambiante. Homéothermes.

  Enveloppe ( température variable)

        Noyau thermique

2) Thermosensibilité   

• Récepteurs, centres d’intégration, effecteurs• Il existe des récepteurs thermiques ( 2 types ) :

- Au niveau du noyau- Au niveau de l’enveloppe : récepteurs cutanés

• Récepteurs périphériques : sensibles à la température externe : 2 types :- Récepteurs au chaud : en activité pour des températures de 40 – 45 °C.- Récepteurs au froid : en activité au maximum à 25 – 30 °C

• Récepteurs profonds : mesurent la température du noyau thermique : sont présents dans des gros vaisseaux, des neurones de l’hypothalamus, de la moelle épinière.

 Informations qui vont vers des effecteurs.• Hypothalamus : système endocrinien et nerveux.

 Réponse nerveuse plus rapide que la réponse endocrinienne.

3) Régulation à cours terme   

a) Régulation de la thermogenèse   

• Se réalise de façon permanente selon les espèces. Joue sur l’apport de chaleur et la perte de chaleur.

• Modulation de la thermogenèse : 2 principaux processus physiologiques :- Frisson thermique : thermogenèse frissonnante- Thermogenèse du tissu adipeux brun.

α ­ Le frisson thermique

• Contraction rythmique involontaire des muscles squelettiques. Rapidement contractables et rendement < 10%.

• Frisson imperceptible : 10 kcal.h­1

• Frisson généralisé : 150 – 250 kcal.h­1

β ­ Le tissu adipeux brun

• Localisé près des reins, du cœur, …• Brun car très vascularisé et très riche en mitochondries.

 Hydrolyse les triglycérides et les brûle localement  Restitue la chaleur de la combustion au corps. Découplage entre l’oxydation et la synthèse de l’ATP

 Peu d’ATPsynthase mais une protéine spécifique : UCP (UnCoupling Protein) : qui ne contient que la sous unité canal à protons :

H+

    H+

• Modulation par le système sympatique.• Chez l’homme adulte, l’UCP ne s’exprime que faiblement.

b) Régulation de la thermolyse   

α ­ L’isolation thermique

• Permet de moduler les échanges avec l’extérieur.• On peut moduler l’isolation par le biais de poils ou de plumes.

 Erection des poils ou des plumes : chair de poule.

β ­ Contrôle de la vasomotricité

• Contraction ou dilatation du diamètre des vaisseaux des régions superficielles du corps.• Neutralité thermique : 5% du sang passe dans le réseau superficiel.• Milieu chaud : Forte augmentation du diamètre des vaisseaux : 80%• Milieu froid : moins de 1 %.

δ ­ Couple sudation­évaporation

• Se produit quand exposition au chaud. Thermolyse inutile.• 1 g d’eau : 0,6 kcal pour s’évaporer.• Repos  600 mL.jr­1  25 mL.h­1

• Effort  4 L.h­1  2 400 kcal.h­1

γ ­ Thermorégulation à long terme

    HYPOTHALAMUS Environnement

      SystèmeNeurovégétatif CRH              TRH

          HYPOPHYSE

ACTH TSH                Hormone            Hormone

   adréno – CortiTrope     TyréoStimulante

Medullosurrénale   Corticosurrénales Tyroïde

Catécholamines Glucocorticoïdes  Hormone tyroïdienne   (adrénaline)              ( corticostérone, cortisone )