Bio-energétique
I. INTRODUCTION
A.
Définition
C’est la partie de la physiologie qui s’intéresse à un système
vivant comme système de transfert d’énergie (et de matière qui
amène l’énergie).
Les lois de la Thermodynamique s’appliquent très bien à
l’homme.
L’énergie utilisée par l’homme provient uniquement de la
combustion des aliments. Comme elle nécessite de l’oxygène, la
bioénergétique fait la liaison entre la nutrition et la
respiration. C’est parce qu’on respire et qu’on mange que l’on
produit de l’énergie.
L’énergie est utilisée pour les dépenses de
fonctionnement :
• énergie liée à l’activité motrice de l’individu
• dépense énergétique de fond : au repos
• thermogenèse de réchauffement
• énergie utilisée pour la survie de l’individu :
les fonctionnements cellulaires, des organes : cette énergie
s’appelle le métabolisme basal.
B.
Premier principe : Conservation de
l’énergie
B.1) Enoncé
C’est le principe de l’état initial et de
l’état final.
Si le stock énergétique est stable, toute l’énergie reçue est
dépensée : toute l’énergie fournie par le milieu ambiant est
dissipée dans le milieu ambiant.
Si le contenu en énergie de l’individu s’est modifié, l’homme
a gagné ou perdu de l’énergie.
L’énergie peut être stockée si E reçue > E dépensée
l’homme peut utiliser un peu de son énergie si E reçue < E
dépensée : il prélève sur le stock énergétique.
B.2) Interconversion
Chez l’homme, l’énergie chimique provient
exclusivement des aliments. Il ne sait pas transformer
l’énergie mécanique, électrique ni la chaleur. Il utilise
l’énergie chimique qu’il transforme en d’autres formes
d’énergie
• E mécanique : tout travail mécanique réalisé dans
l’organisme
• déplacement des chromosomes lors d’une division cellulaire
• vibration des cils de l’épithélium bronchique
• E chimique pour la synthèse moléculaire (protéines, acides
nucléiques...)
• E électrique des cellules nerveuses
B.3) Unités
On utilise les mêmes unités pour mesurer ces
énergies car elles sont toutes convertibles : en calories ou
en joules (normalement en joules)
1 cal (ou petite calorie) est la quantité de chaleur qui
permet d’élever la température de 1°c de 1 g d’eau (entre 14,5
et 15,5°c).
On utilise la kcal = 1000 cal (augmentation de la température
de 1° à 1 l d’eau.
Les aliments contiennent beaucoup d’énergie : 1 sucre
correspond à 20 kcal, pouvant élever de 1°c la température de
20 l d’eau.
1 kcal = 4,18 joules.
C.
2° Principe : entropie ou désordre
croissant
C.1) l’entropie
est la fonction qui mesure le désordre :
l’entropie augmente quand le désordre de la matière croît.
Lors du passage d’une forme d’énergie à une autre, l’énergie
se dégrade, une partie est dissipée sous forme de chaleur : le
rendement n’est jamais de 100 %. La différence entre énergie
chimique absorbée et énergie mécanique produite est la
chaleur, qui doit être dissipée ; la chaleur est la forme
d’énergie la plus dégradée.
L’être vivant est caractérisé par l’hétérogénéité et la
complexité des structures : l’homme est le plus complexe.
L’évolution spontanée va vers une homogénéisation des
structures, le désordre, l’égalisation , la destruction. Pour
lutter contre cette tendance spontanée vers le désordre,
l’organisme utilise l’énergie des aliments et la transforme :
• en énergie de qualité en produisant de l’ordre, de la complexité
• en chaleur dont elle se sépare..
Si on édifie une enceinte close et que l’on constitue une
biosphère comportant de l’eau, des végétaux, des animaux,
après un temps très long, la quantité d’énergie est la même,
mais la vie a disparu : l’énergie de qualité des êtres vivants
aura été transformée en chaleur.
C.2) flux énergétiques
On peut décrire les flux énergétiques dans l’organisme humain
Les aliments contiennent une énergie = E potentielle. Elle est
ingérée, transformée.
• Une partie peut être mise en réserve, dans la matière grasse
du tissu adipeux par exemple.
• Une partie est mise à disposition des cellules dans le cadre
de la respiration cellulaire si l’organisme dispose de
l’énergie nécessaire pour l’oxydation cellulaire. La
respiration transforme cette énergie potentielle en énergie
disponible, transférée sur des molécules riches en énergie, l’ATP
par exemple. L’ATP est le mode de stockage à court terme de
l’énergie ; il permet de faire circuler l’énergie disponible
dans toutes les formes d’énergie : mécanique, chimique, de
transport. L’énergie se transforme avec production de chaleur
, dégagée par l’organisme, sauf quand l’organisme restitue au
monde ambiant un travail mécanique en plus de la chaleur
dissipée.
S’il n’y a pas de stockage, l’énergie provenant des aliments
est égale à l’énergie dissipée.
Quand le système est stable, toute l’énergie sert à la
respiration des cellules : c’est la dépense énergétique.
II. LES APPORTS ENERGETIQUES
Les aliments sont la seule source d’énergie
pour l’homme. Ce sont des molécules comestibles, des produits
complexes associant plusieurs molécules.
On a sélectionné parmi les produits de l’environnement ceux
qui sont capables d’amener de l’énergie.
Les aliments sont constitués de nutriments.
Nutriments : ce sont les molécules contenues dans les aliments
et utilisables par l’organisme. Chaque aliment contient
plusieurs nutriments (glucides, lipides, protides)
A. Calorimétrie
|
|
Le calcul
de la quantité d’énergie apportée se fait par la bombe
calorimétrique en laboratoire. Il s’agit d’une enceinte close thermiquement isolée qui contient une chambre à combustion remplie d’O2. Une électrode dans l’enceinte va déclencher la bombe. L’aliment subit une combustion complète. L’énergie est dissipée et chauffe l’eau : on connaît son volume et la température ; on en déduit la quantité de chaleur qui est égale à l’énergie contenue dans l’aliment. |
A.1) L’oxydation des glucides
donne CO2, H2O et de l’énergie.
L’énergie libéré par leur combustion est :
E = 4,1 kcal/g.
La valeur est peu différente d’un type de glucide à un autre.
A.2) La combustion des
lipides
donne CO2, H2O et de l’énergie. Elle est
légèrement variable d’un lipide à un autre, en moyenne
E = 9,45 kcal/g
A.3) Combustion des protides
elle produit CO2, H2O, azote (N2) et de
l’énergie.
E = 5,65 kcal/g
A.4) L’alcool
donne CO2, H2O et de l’énergie : 7 kcal/g : c’est un nutriment potentiel.
B.
Rendement biologique
Quand les aliments sont oxydés par O2 dans l’organisme, cela ne délivre pas tout à fait la même quantité d’énergie que dans la bombe calorimétrique : elle est plus faible pour 2 raisons :
B.1) Absorption digestive notion de CUD
La totalité des nutriments n’est pas absorbée
par la paroi intestinale : on en retrouve dans les selles en
petite quantité :
• glucides : presque pas
• lipides : très peu : 3,5 g/24 h, soit 30 kcal, alors que
l’ingestion quotidienne est de 80 à 100 g/j.
• protides : 5 g/j soit 25 kcal.
• l’alcool est totalement absorbé.
Au total, les selles contiennent 55 kcal/j.
Cette analyse conduit à la définition du CUD :
Le CUD est le coefficient d’utilisation digestive :
ingéré-excrété
----------------------- en %
ingéré
I - E
CUD = ------- en %
I
|
Le CUD des glucides est
de 100 % sauf pour les fibres végétales comme la cellulose
dont le CUD est ≈ 0 %. Le CUD des lipide est de ≈ 95 %. Le CUD des protides est variable selon la qualité de la valeur nutritionnelle des protéines (80 à 100 %). Le CUD total est de l’ordre de 95 %. |
B.2) Différence entre combustion et oxydation des protéines
L’organisme n’arrive pas au stade de l’azote :
sa forme d’élimination biologique est l’urée :
Prot + O2 CO2 + H2O + Urée + E.
La valeur énergétique de l’urée est de 4,35 kcal/g.
C.
Apport énergétique net
|
|
kcal/g |
kJoules/g |
|
Glucides |
4 |
17 |
|
Protides |
4 |
17 |
|
Lipides : |
9 |
38 |
|
Alcool |
7 |
29 |
Ce sont les coefficients d’ATWATER. Ils permettent de calculer la quantité d’énergie qu’un aliment est susceptible d’apporter à l’organisme en connaissant le poids en grammes du nutriment.
|
E = 4 G + 4 P + 9 L (+ 7 A) en kcal. |
ou E = 17 G + 17 P + 38 L + 29 A en kJoules
Pour 100 g de crème glacée à la vanille :
il y a 4 g de protides, 13 g de lipides, 21 g de glucides ; le
reste est de l’eau.
E = (4 x 4) + (13 x 9) + (4 x 21) = 217 kcal.
Il y a des tables de composition des aliments.
Il n’existe pour l’organisme aucune différence entre les
calories selon leur provenance : 100 kcal de céleri ont le
même effet que 100 kcal de mayonnaise : cependant 6 g de
mayonnaise suffisent alors qu’il faut 100 g de céleri !
La ration quotidienne moyenne = 2300 kcal
pourrait ainsi être apportée par :
• 2,5 l de rouge à 10°
• ¼ de litre d’huile
• 30 oeufs
• 120 carottes
III. LES DEPENSES D’ENERGIE
A. Méthodes de mesures
Schéma des flux énergétiques :
A.1) Mesure des dépenses : calorimétrie
i calorimétrie directe
|
|
Elle se fait en chambre calorimétrique : l’individu est enfermé dans une chambre étanche isolée thermiquement où l’on fait passer un serpentin d’eau dont on connaît le débit et la température à l’entrée et à la sortie. On calcule ainsi la chaleur dégagée par le sujet. Il faut fournir de l’O2. : c’est un bilan de combustion avec production de chaleur |
ii par calorimétrie indirecte = respiratoire
Tout l’O2 sert à brûler les aliments. L’énergie libérée par catabolisme des aliments est de l’énergie libérée à l’extérieur du corps, considéré comme une bombe calorimétrique.
Pour le Glucose : C6 H12 O6 + 6
O2 6 CO2 + 6 H2O + 686
kcal.
1 mole de glucose fournit 686 kcal
6 moles d’O2 permettent la production de 686 kcal soit 6 x
22,4 = 134,4 l d’O2 pour 686 kcal
Par conséquent, 1 l d’O2 permet de produire 686/134,4 soit
5,10 kcal/l O2.
C’est la valeur énergétique du litre d’O2 dans la combustion
glucidique = VElO2G.
Pour les lipides on prend l’acide
palmitique
C16 H32 O2 + 23 O2 -------> 16 CO2 + 16 H2O + 2398 kcal
VElO2L = 4,66 kcal/l O2 (variable). Le rendement est moins bon
que pour le G.
Pour les protéines : alanine
2 mol C3 H17 NO2 + 6 O2 -------> 1 urée : CO(NH2)2 + 5 CO2 + 5 H2O + 624 kcal.
Le résultat est variable en fonction du corps considéré.
VElO2P = 624/6 x 22,4
VElO2P = 4,64 kcal/l.
Conclusion :
A la différence des valeurs énergétiques des différents
nutriments, la VElO2 reste dans des limites assez étroites
(4,64 à 5,10). On a calculé pour une alimentation occidentale
moyenne une valeur moyenne
VElO2 = 4,85 kcal/lO2.
Cette notion est très utile pour mesurer les dépenses
énergétique du sujet car il suffit de connaître sa
consommation d’O2.
V(O2) est exprimé en l/mn dans les conditions STPD.
La dépense énergétique peut ainsi être mesurée chez le sujet
en activité, au repos... en mesurant sa consommation d’O2 :
DE = V(O2) x 4.85 Kcal
Remarque : la mesure de la quantité
d’énergie fournie par les aliments (mesurables par tables)
permet une estimation de la quantité d’énergie dépensée mais
la mesure est faussée par le fait que l’énergie peut être
stockée ; de plus, l’alimentation est discontinue. Sur une
longue durée, la démarche est valable si les réserves et donc
le poids restent stables. Une telle méthode s’appellerait
calorimétrie indirecte alimentaire.
La calorimétrie indirecte respiratoire est très utile car la
consommation est continue en O2 et il n’y a pas de stock d’O2.
(1,5 l O2 répartis en 1l sur hémoglobine, 400 ml dans la CRF,
150 ml sur la myoglobine des muscles soit moins de 2,3 l d’O2
de réserve dans l’organisme).
A chaque minute, la quantité d’O2 consommée est prélevée dans
l’air ambiant et la consommation ventilatoire est égale à la
consommation tissulaire.
La mesure de la consommation doit être faite en état stable,
stationnaire : le patient fait la même activité depuis
plusieurs minutes. A l’état stable (steady state), la quantité
d’O2 prélevé dans l’air ambiant = la quantité d’O2 consommée
par l’organisme. Cette précaution permet de mesurer en toute
situation.
B. Analyse factorielle de la dépense
énergétique
B.1) Le métabolisme basal
i Définition
C’est la consommation d’O2 exprimée en l/mn
STPD ou en kcal ou en kcal/h chez un sujet :
• à jeun depuis 12 h. : c’est un état post absorptif
• avec jeûne protéique depuis 18 h.
• placé dans un environnement thermique neutre : ne lutte ni contre
le froid ni contre le chaud : 25° pour un sujet légèrement
vêtu.
• couché, au repos musculaire depuis 30 mn.
• au calme émotionnel
• dans l’obscurité.
La quantité d’énergie dépensée par le sujet est la quantité
d’énergie nécessaire au maintien de la vie au repos. Seules
les grandes fonctions vitales respiration, circulation, survie
cellulaire sont concernées.
Cette dépense d’énergie est le métabolisme basal.
Pendant le sommeil, la dépense d’énergie est encore plus
faible.
Comme il est difficile de mettre un sujet dans les conditions
du métabolisme basal, on mesure le métabolisme de repos, le
matin à jeun.
ii Modes d’expression
Pour
comparer la dépense d’énergie de différents sujets, de masse
différente, on rapporte les résultats à la surface corporelle.
--> Rapport du MB à la masse corporelle
le MB d’un éléphant est supérieur à celui d’une souris.
Mais Les résultats ne sont pas homogènes : un kg de souris
dépense 12 fois plus d’énergie qu’un kg d’éléphant. On observe
également chez l’homme des disparités importantes.
--> Rapport du MB à la surface corporelle
les valeurs sont plus homogènes, à l’intérieur de l’espèce
humaine et entre espèces : l’énergie est dissipée dans
l’atmosphère par la surface corporelle. On l’évalue en tenant
compte de la masse et de la taille.
Remarque : les résultats deviennent homogènes quand on
fait varier la puissance de la masse corporelle :
: meilleure homogénéité des résultats entre espèces et dans
l’espèce humaine. P0,75 permet de tenir compte de la
différence entre tissus métaboliquement très actifs et peu
actifs
Habituellement, le MB est rapporté à la surface corporelle
iii Résultats
MB = 37 kcal/m2/h
soit 155 kj/m2/h.
La dépense de fond d’un individu est la dépense énergétique
théoriquement libérée dans les conditions du MB pendant 24 h.
: c’est le MB pendant 24 h, ou la dépense de repos pendant 24
h.
Pour un adulte moyen dont la surface corporelle est de 1,73
m², DF = 37 x 1,73 x 24 .
DF = 1540 kcal
DF = 1 kcal/mn
Cette kcal est dépensée par les organes
métaboliquement actifs, essentiellement foie, coeur, rein,
cerveau : ce sont les organes nobles. Leur consommation
d’énergie est non proportionnelle à leur masse ou à leur
volume :
• foie : 1,5 kg - 2 % du poids du corps MB = 27 % du MB total :
plus de ¼ de l’énergie dépensée
• cerveau : 2 % du poids total : 19 % du MB : dépense constante.
• coeur : 0,4 % du poids total - 7 % du MB de repos - augmente à
l’effort.
• Reins : 0,4 % du poids total - 10 % MB.
• Muscles : 44 % du poids - 18 % MB.
|
|
% poids total |
% MB |
|
foie |
2 % |
27 % |
|
cerveau |
2 % |
19 % |
|
coeur |
0,4 % |
7 % |
|
reins |
0,4 % |
10 % |
|
muscles |
44 % |
18 % |
Les os, la peau, l’eau, la graisse représentent
• la moitié du poids du corps (51 %)
• 19 % du MB
Le coeur est le plus actif : 100 fois plus à masse égale qu’un tissu métaboliquement peu actif.
iv Variations du MB
• Age :
• nourrissons (2 à 18 mois) : 53 kcal/m²/h au cours de la première
année
• 25 ans : 37 kcal/m²/h
• 70 ans : 34 kcal/m²/h.
dans le MB des nourrissons est inclus le coût énergétique de
la croissance : plus ils sont petits, plus ils grandissent
vite.
Chez le vieillard, la réduction du MB s’explique par la
réduction de la masse maigre qui se transforme en masse
grasse. [Masse maigre = masse totale - masse grasse.]
• Sexe : la femme a une masse grasse plus
élevée que l’homme ; son MB est 10 % moins élevé.
v Conclusion
La DE de fond, 1 kcal/mn, est une dépense
énergétique très importante. Elle correspond à l’énergie
nécessaire pour élever de 30°c la température de 60 litres
d’eau
pour soulever une masse de 60 tonnes sur une hauteur de 10 m.
B.2) La thermogenèse post prandiale
TPP ou :
activité dynamique spécifique des aliments : ADSA
extra chaleur postprandiale : ECPP.
effet thermique des aliments : ETA.
C’est la quantité de chaleur dégagée en supplément de la DF
dans les heures qui suivent l’ingestion d’aliments.
Après un repas, la DE de repos augmente de 10 % pendant 1h30.
L’augmentation dépend
• du volume du repas
• de sa valeur énergétique (contenu calorique)
• de sa composition (proportion LPG) : elle est plus élevée si le repas
est riche en protéines
• de l’état physiologique du sujet, en restriction calorique ou
gavé
• des qualités sensorielles des nutriments : goût, odeur,
onctuosité...
Elle n’est pas due qu’au coût énergétique de
l’absorption car elle apparaît également lors de l’injection
intraveineuse des nutriments. On a alors pensé qu’il
s’agissait d’un coût de stockage dû à la mise en réserve des
nutriments mais cette explication apparaît incomplète.
Il s’agit donc des conséquences à court terme de l’arrivée des
nutriments dans l’organisme.
Il faut distinguer la TPP de l’adaptation à long terme de la
dépense énergétique des sujet en état de jeûne chronique
(diminution de la DE) et des sujets en état de gavage
(augmentation de la DE).
B.3) La thermogenèse de réchauffement
Quand la température ambiante chute sous 19°c
chez un sujet nu, la thermolyse augmente : les pertes de
chaleur augmentent.
Pour maintenir une température corporelle constante
(homéothermie), si le sujet ne peut pas se couvrir, sa
thermogenèse augmente. Cette production de chaleur est la
conséquence d’un dépense d’énergie.
Elle se fait essentiellement par le frisson
thermique :
• précédé d’une augmentation du tonus musculaire : augmentation de
la contraction musculaire basale
• défini comme une succession de contractions musculaires rythmées,
inefficaces sur le plan mécanique : toute l’énergie est
libérée sous forme de chaleur.
Les muscles intéressés sont les muscles de la posture :
muscles paravertébraux et de la ceinture scapulaire, muscles
des mâchoires (masséters : les plus puissants de l’organisme),
jamais des extrémités.
Chez certaines espèces animales, il existe une thermogenèse de
réchauffement sans frisson, appelée thermogenèse chimique,
dues à des boucles métaboliques observées dans la graisse
brune du tissu adipeux du rat. Chez l’homme, son existence est
discutée chez l’adulte, elle est sûre chez le nouveau-né qui
ne frissonne pas.
Dans la pratique, chez l’homme, la dépense énergétique de
lutte contre le froid est devenue très faible, avec les
vêtements, le chauffage et l’augmentation de la masse grasse :
la graisse sous-cutanée sert d’isolant thermique.
La thermogenèse post prandiale peut être utilisée comme
thermogenèse de réchauffement.
B.4) Dépense énergétique liée à l’activité musculaire
Elle est très variable d’un individu à l’autre,
contrairement au MB, à la TPP et à la TR.
On peut mesurer par calorimétrie indirecte respiratoire la DE
dans différentes situations.
Par exemple, chez un sujet de 70 kg
DE = 1 kcal/mn au repos à jeun
Si lors d’une activité physique, comme éplucher les pommes de
terre on mesure 2 kcal/mn, on pourra dire que le coût
énergétique de l’épluchage est de 1 kcal/mn.
Il existe des tables de DE :
• taper à la machine
• 2 kcal pour une machine mécanique
• 1,5 kcal pour une machine électrique
• marcher lentement : 2 à 3 kcal/mn
• courir : 7 à 20 kcal/mn : quand on court vite on peut
dépenser plus de 20 fois son MB.
• scier : 8 kcal/mn
Le travail intellectuel n’entraîne aucune augmentation de coût
énergétique, aucune augmentation de la DE de repos.
Toute dépense énergétique mesurée au cours du travail peut
s’exprimer comme un multiple de la dépense de fond :
• travail léger : 1 à 4 fois
• travail modéré : 4 à 6 fois
• travail intense : 6 à 8 fois (scier)
• travail sévère : 8 à 10 fois
• travail maximal : plus de 10 fois la dépense de fond.
Ces valeurs sont des valeurs moyennes données par des tables.
Elles varient d’un individu à l’autre selon :
• la masse corporelle : pour une action verticale comme la
marche, le coût énergétique est supérieur pour un individu
plus lourd.
• la façon dont est réalisée l’activité physique.
Pour une mesure correcte, il faut que le sujet soit en état
stable. Les mesures sont faciles pour les tâches répétitives
comme taper à la machine ou scier. D’autres activités ne sont
pas mesurables (se lever) : on compte une adaptation de 3 mn.
La dépense énergétique au cours d’un travail n’est pas égale
au travail musculaire : DEtotale = Dew + Derepos.
Le sujet qui a une DE de 2 kcal/mn ne dépense en fait que 1
kcal/mn pour cette activité.
Toute l’énergie liée au travail n’est pas convertie en énergie
mécanique mais aussi en chaleur.
On mesure le travail mécanique fourni par un ergomètre
(bicyclette, tapis roulant...)et simultanément la DE par
calorimétrie indirecte respiratoire. On peut ainsi calculer le
rendement :
W(mec)
R = ------------
DE
Les physiologistes parlent de
W(mec)
R2 = -------------
DE - MB
pour mieux tenir compte de la dépense d’énergie effectivement liée au travail fourni. Bien sûr, plus la DE est élevée, plus les 2 types de calcul se rapprochent.
Exemple :
1. on mesure chez un sujet la
consommation d’O2 de repos
repos = 0,25 l STPD/mn.
La correspondance est de 4,85 kcal/lO2 et 4,18 J/cal, cela
fait donc 5 kJ/mn.
La dépense énergétique de repos est de l’ordre de 5 kJ/mn : 1
kcal/mn
2. On place le sujet sur une
bicyclette ergonomique pour qu’il développe 150 watts :
150 J/s soit 9000 J/mn.
Le travail réalisé est de 9 kJ/mn. Après 3 à 5 mn de pédalage
constant l’état est stable.
Effort stable = 2l . mn-1.
La DE à l’état stable est alors de 40 kJ/mn (2 x 4,85 x 4,18).
3. Calcul du rendement :
9Kj
-------- = 22%
40Kj
9Kj
ou ------------- = 26%
40 - MB
Le rendement du travail physique de l’homme
varie entre 0 et 30 %.
A 0 %, toute l’énergie est dissipée sous forme de chaleur.
C’est le cas des contractions isométriques : fait d’appuyer
sur une table : aucun mouvement n’est produit, ou mêlée de
rugby : en quelques secondes, la quantité de chaleur fournie
est suffisante pour faire chauffer une tasse de café.
Le rendement est optimal chez un sujet bien entraîné,
effectuant un travail modéré dans les meilleures conditions.
Le choix de la meilleure combinaison est inconscient (DE
minimum pour ce travail)
L’entraînement améliore en effet le rendement. Il est plus
faible chez l’enfant.
On court en déplaçant notre corps par bonds successifs.
Le rendement de la marche est de 23 %. Le rendement de la
course est plus élevé.
L’homme est habitué à dépenser le moins d’énergie possible.
Ainsi pour se déplacer il marche plutôt qu’il ne court.
L’homme occidental est progressivement devenu
un « homo sedentarius ». L’activité d’un français moyen :
couché 8 h
assis 6 h
debout 6 h
marche 2 h
divers 2 h.
La dépense énergétique est de plus en plus faible, surtout
chez le citadin. Cela est dû à la mécanisation des tâches
professionnelles et des transports.
La DE liée à l’activité musculaire dépend pour une activité
qui implique un déplacement corporel de la masse corporelle.
Chez des sujets de masse identique réalisant la même activité
physique, la DE peut varier du simple au double car le
rendement est différent, notamment pour la gestualité.
Méthode pratique d’évaluation de la DE :
on utilise la fréquence cardiaque car à partir d’un certain
niveau d’activité physique (2 x MB), la fréquence cardiaque
augmente de façon linéaire à la DE.
Elle est plus facile à mesurer que la consommation d’O2.
Au total, la DE est la somme de
• DE repos : 1500 kcal
• TPP : 300 kcal
• TR : ≈ 0 chez un sujet normalement vêtu
et ne frissonnant pas.
• Activité musculaire : 300 à plusieurs milliers de calories.
Soit un minimum de ≈ 2000 kcal.
Il existe des situations dans lesquelles on peut faire
apparaître un autre poste de DE, bien que difficile à mettre
en évidence car faisant partie du MB :
Croissance : coût énergétique estimé à 5 kcal/g de tissu formé
( de la fécondation à la puberté). C’est lui qui exprime la
différence de MB chez le nourrisson et chez l’adulte. Un sujet
de 3 mois croît de 30 g/j : ce qui constitue 150 kcal/j.(DE :
800 à 1000 kcal/j).
Grossesse : la femme fabrique le foetus, les annexes
(placenta). Les organes génitaux augmentent de volume, surtout
l’utérus . Il y a mise en réserve de graisses pour la
lactation. Le coût énergétique global sur 9 mois est de 80 000
kcal.
Lactation : la production quotidienne de lait est de 850 ml/j.
Le coût énergétique est de 600 kcal/j.
IV. ADAPTATION DU BILAN ENERGETIQUE
A. Réserves énergétiques
A.1) Homéostasie énergétique
L’organisme humain accumule des réserves énergétiques nécessaire à la survie en cas de famine, ou simplement parce que les apports énergétiques sont discontinus. Chez l’adulte, les réserves sont stables.
La stabilité de la masse corporelle correspond à une homéostasie pondérale, ou plus exactement à une homéostasie énergétique par constance des réserves énergétiques. Mais ces réserves ne sont pas maintenues constantes à 1 kcal près. Il y a des fluctuations autour d’une valeur de consigne. Cette valeur a tendance à s’élever au cours de la vie : elle n’est pas la même à 20 et à 50 ans surtout dans la population occidentale. On ne sait pas si c’est physiologique ou s’il s’agit d’une anomalie du comportement alimentaire.
Chez l’hibernant, la valeur de consigne n’est
pas la même en hiver et en été.
L’équilibre n’est pas réalisé à chaque minute car la prise
alimentaire est discontinue ; on l’observe sur une période
plus longue : 1 à 2 semaines.
L’homéostasie énergétique est réalisée par un équilibre entre
les apports et les dépenses. Il y a adaptation des dépenses
aux apports, ou des apports aux dépenses.
C’est important car un sujet qui prend un supplément de poids
de 3 g par jour prend 1 kg par an. 1 g de tissu adipeux
contient 7 à 8 kcal (présence d’un peu d’eau et de protéines).
3 g de tissu adipeux correspondent à 20 kcal. Comme le besoin
énergétique est de 2000 cal par jour pour une femme, 2600 pour
un homme, cela correspond à un dérèglement de la balance de 1
% ou moins.
(10 sucres en excès par jour assurent la prise de poids de 10
kg dans l’année).
A.2) Composition corporelle
des sujets de référence : homme ou femme moyen (pas
modèle ni normal)
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HOMME |
FEMME |
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Age |
20 - 24 ans |
20 - 24 ans |
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Taille |
1,74 m |
1,64 m |
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Masse totale |
70 kg |
57 kg |
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Graisse de réserve |
8,4 kg : 12 % |
8,6 kg : 15 % |
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Masse maigre |
61,6 kg |
48,4 kg |
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Lipides constitutifs |
2,1 kg : 3 % |
2,1 kg : 3,6 % |
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Lipides liés au sexe |
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4,8 kg : 8,4 % |
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Masse musculaire |
31,4 kg : 45 % |
20,5 kg : 36 % |
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Masse osseuse |
10,4 kg : 15 % |
6,8 kg : 12 % |
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Autres tissus |
17,7 kg : 25 % |
14,2 kg : 25 % |
Les lipides de constitution font partie de la masse maigre.
Les lipides liés au sexe féminin : les seins,
la ceinture pelvienne et les cuisses.
Remarques : la densité corporelle est très voisine de celle de
l’eau :
femme : 1,040
homme : 1,070
A.3) Nature des réserves
énergétiques
i Lipidiques
L’énergie est stockée dans les réserves adipeuses, les triglycérides de réserve essentiellement. Chez l’homme le tissu adipeux mobilisable est de 8,4 kg (12 % de son poids corporel). Chez la femme il est de 8,6 kg soit 15 % de son poids : soit 60 000 kcal de réserve ( 7 kcal/g). Les variations interindividuelles sont importantes moins de 10 000 kcal chez le sujet amaigri, 1 000 000 kcal chez l’obèse.
ii Glucidiques
Le glycogène est une mise en réserve de glucose
sous forme d’un polymère
dans le foie : 75 g : 300 kcal
dans le muscle : 150 g : 600 kcal
Il y a donc 900 kcal de réserve de glucose. C’est pour une
dépense rapide : ce n’est pas une mise en réserve de longue
durée.
Dans le plasma, le liquide interstitiel...les compartiments
liquidiens de façon générale, le glucose circulant représente
à peine 100 kcal.
iii Protéiques
Les muscles représentent chez l’homme 31,5 kg (eau + Glycogène + lipides + protéines 20 %) soit 6,2 kg de protéines. A raison de 4 kcal/g elles représentent un potentiel de 25 000 kcal. Leur utilisation relève de l’autophagie.
A.4) Remarques
• L’organisme humain privilégie le
stockage de lipides plutôt que de glycogène. Dans le règne
végétal, c’est l’inverse. Le stockage de glycogène suppose un
stockage d’eau associé : 1 à 2 g d’eau par gramme de
glycogène. L’homme se transporte et donc transporte ses
réserves : il est plus économiques de stocker des graisses :
meilleur rapport calorie/poids.
• La graisse corporelle est sous la peau en grande partie chez
l’homme. En plus du stock énergétique, l’homme se constitue
une défense contre le froid car la graisse est un isolant.
• Les 60 000 kcal de réserve moyenne permettent de tenir 40 jours
car la dépense énergétique chute rapidement à 1500 kcal/jour
lors d’un jeûne : le sujet qui jeûne ne bouge plus.
B. Le contrôle des apports
C’est le mécanisme régulateur essentiel.
Le contrôle des entrées est la régulation de la prise
alimentaire. Elle est double :
B.1) Régulation des apports à court terme
C’est le comportement alimentaire de l’individu. Il est dû à la conjonction entre des stimuli internes induisant la sensation de faim, et des stimuli externes. Ils sont analysés au niveau des centres nerveux situés dans l’hypothalamus. La prise alimentaire ainsi déclenchée corrige ces stimuli internes.
i Stimuli internes
• Théorie
glucostatique : c’est la diminution de la glycémie
précédant le repas, perçue par les glucorécepteurs de
l’hypothalamus qui provoquerait le comportement de faim et
donc la prise alimentaire. Mais les diabétiques sont en
hyperglycémie permanente et ils ont toujours faim : théorie
fausse.
• Théorie améliorée : c’est la
diminution du taux de glucose dans certaines cellules, comme
les cellules hypothalamiques (glucocytie) qui entraîne la
faim.
• Hypothèse ischymétrique : c’est la
baisse dans certaines cellules de l’hypothalamus du taux de
molécules riches en énergie comme l’ATP qui induit la prise
alimentaire : démonstration chez le rat où la dépense de fond
diminue quelques minutes avant la prise alimentaire. C’est la
réduction du métabolisme de fond de certaines cellules qui
entraîne le comportement alimentaire.
L’alternance faim - satiété est donc induite par le niveau des
métabolites riches en énergie. C’est la réduction de la
dépense de fond des cellules qui entraîne la prise
alimentaire.
ii Stimuli externes
Ce sont des stimuli sensoriels (gustatifs,
olfactifs, visuels...) qui font intervenir les qualités
organoleptiques des aliments, leur « plalatabilité » (flaveur
= saveur + odeur ; vue ; goût ; texture...)
L’arrêt du comportement moteur de la prise alimentaire
s’accompagne du phénomène de satiation ou rassasiement
(différent du phénomène de satiété qui implique une plus
longue durée). Mais la prise alimentaire s’arrête avant que
les aliments ingérés aient été absorbés par l’intestin, avant
que le niveau des composés énergétiques ne soit modifié, donc
avant la correction des stimuli internes.
iii Facteurs supplémentaires
l’alliesthésie négative
C’est le changement de l’appréciation subjective du caractère
attractif des aliments en fonction de l’état de réplétion du
sujet (plus on en mange, moins on aime).
les réflexes
anticipateurs
ils ont comme point de départ les compteurs digestifs
oro-pharyngés qui sont susceptibles à partir de la
palatabilité des aliments d’évaluer la teneur en calories
apportées. On peut induire chez l’animal le rassasiement
volontaire même si on fait une fistule gastrique. C’est un
apprentissage à long terme : l’organisme ajuste la prise
alimentaire aux besoins énergétiques car le cerveau anticipe
la comptabilisation de la valeur énergétique apportée par les
aliments en confrontant leurs qualités organoleptiques et la
quantité ingérée et la connaissance de la quantité d’énergie
qu’ils apportent.
Exemples :
si on met une solution sucrée sur la langue, on observe une
hyperglycémie anticipatrice : ce qui a été ingéré a été
reconnu comme un sucre, l’organisme sait qu’il va avoir à se
disposition 20 kcal. L’organisme s’arrête de manger quand il a
compté d’équivalent du besoin énergétique grâce aux qualités
organoleptiques des aliments.
les aliments allégés : ils peuvent tromper les compteurs
digestifs, mais une seule fois !
les habitudes sociales
elles influencent le rythme des repas , surtout l’heure à
laquelle on se met à table : on mange parce que c’est l’heure.
La durée du repas est prédéterminée. Le volume du repas est
conditionné par la sensation de satiété, pas de faim. On n’a
jamais faim dans les pays riches, on obtient toujours le
rassasiement. La régulation à court terme doit être doublée.
B.2) Régulation des apports à
long terme
c’est la stabilité des réserves de graisses,
conformément à la valeur de consigne. La quantité d’énergie
apportée par l’alimentation est modulée en fonction de ces
réserves. Un excès ou un déficit des réserves énergétiques
module les stimuli qui conditionnent la régulation à court
terme. Le contenu en lipides de certaines cellules est un
indice transmis à l’hypothalamus : le système qui per met de
maintenir la quantité de réserve graisseuse stable est l’adipostat.
La démonstration de fait chez un sujet artificiellement
amaigri : le nombre des repas augmente ; il consomme
davantage. La faim est plus précoce est la prise alimentaire
induite par les stimuli internes et externes est renforcée par
un élément venu du tissu adipeux.
Chez un sujet artificiellement engraissé, la prise alimentaire
diminue jusqu’à ce que la masse grasse soit revenue à la
valeur de consigne.
B.3) Autres facteurs
• certains neuromédiateurs
chimiques comme la sérotonine jouent un rôle dans le phénomène
de rassasiement, qu’elle déclenche plus précocement. Il existe
des médicaments ayant un effet sérotoninergique comme
anorexigène (à court terme) comme la fenfluramine.
• Surdéterminants psychosociologiques : des conditions extra
physiologiques peuvent modifier la prise alimentaire :
• valeur affective des médicaments acquise
pendant l’enfance (ex la menace : on force l’enfant à manger)
• valeur conviviale des aliments : on attend les
autres pour manger, on ne mange pas seul...
• valeur symbolique des aliments : « l’homme ne
se nourrit pas que de pain, il mange des symboles » (Pr.
Trémolières)
• valeur économique
• Rationalisation secondaire du comportement alimentaire : il y a
un mélange des données scientifiques et des données
symboliques, philosophiques pour justifier des comportements
alimentaires (végétarisme, livres écrits par des
chanteuses...).
C.
Le contrôle des dépenses
Les dépenses sont difficiles à contrôler car elles sont influencées par l’environnement. L’équilibre thermique prévaut sur l’équilibre énergétique (un sujet affamé frissonne quand il a froid)
C.1) en cas d’apport déficitaire
la dépense énergétique s’adapte en diminuant :
• La DE liée au travail musculaire diminue
• La TPP diminue
• Le MB diminue (dépense de fond)
• Réduction du fonctionnement des grands métabolismes des grandes
fonctions physiologiques : diminution du débit cardiaque, de
la ventilation, et amélioration du rendement de la contraction
musculaire.
C.2) en cas d’apport excédentaire
si les apports sont chroniquement
excédentaires, cas du sujet gavé par une sonde gastrique par
ex., la dépense énergétique augmente :
• la DE liée à l’activité musculaire augmente.
• Apparition d’une consommation de « luxe » :
• le MB augmente
• il apparaît également une thermogenèse supplémentaire :
augmentation permanente de la production de chaleur.
D.
Conclusion
Ainsi, l’équilibre des apports et des dépenses est parfaitement réalisé et la balance énergétique est l’une des plus stables et des plus précises de la physiologie humaine.
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