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UE3.2 - Physiologie - Bioénergétique

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Bioénergétique I – Dépenses bioénergétiques 1 – Définitions a – Bioénergétique La bioénergétique est l’ensemble des processus biologiques qui vont produire et consommer de l’énergie chez les êtres vivants. Pour vivre, on a besoin de renouveler tout le temps l’ensemble des molécules qui nous sont nécessaires et de maintenir l’équilibre de nos différents compartiments. Les êtres vivants fonctionnent comme des échangeurs, des accumulateurs et des transformateurs d’énergie chimique au niveau cellulaire. Cette énergie est la bioénergie, renouvelable à partir de la biomasse et échangeable au sein de l’organisme lui-même. La biomasse est l’ensemble des organismes vivants, c’est-à-dire l’ensemble des végétaux (capables, à partir de l’énergie lumineuse et par photosynthèse, de créer leurs propres composants) et des animaux. À partir d’eux, on aura les glucides, lipides et protides qui vont être ingérés par l’organisme. Il y aura alors un mécanisme de métabolisme respiratoire à partir de l’O 2 que l’on respire au niveau de l’organisme, et formation d’ATP. La bioénergie est l’énergie produite et échangeable au sein de l’organisme. L’unité de mesure en bioénergétique est la Kilocalorie. On peut l’écrire sous différentes formes : 1 Kcal = 1 Cal = 1 000 cal = 4,19 kJ. L’ATP (adénosine triphosphate) est une molécule riche en énergie qui permet la réalisation de toutes les activités en libérant de l’ADP, de l’énergie et un phosphate. Il y a production de déchets : CO2, H2O, urée (NH3) et chaleur. Il y a un besoin de dépenses d’énergie pour répondre à ces besoins.

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b – Production d’énergie Nutriments + O2 → CO2 + H2O + énergie L’être humain est une transformateur d’énergie potentielle en d’autres formes d’énergies. Apports : ● apportant de l’énergie : ○ glucides ○ lipides ○ protides ● n’apportant pas d’énergie : ○ sels minéraux ○ vitamines ○ eau La production d’énergie est confrontée a un problème : les besoins énergétiques sont continus alors que les apports alimentaires sont discontinus. Il va donc falloir que l’organisme stocke l’énergie, sous forme de substrats ou de molécules énergétiques qui seront riches en énergie. Substrats : ● les glucides sont stockés dans le foie et les muscles squelettiques sous forme de glycogène, ● les lipides sont stockés dans le tissu adipeux sous forme de graisse, un peu dans les muscles. Énergie : L’énergie est fournie en grande majorité par l’ATP (adénosine triphosphate) par un mécanisme appelé hydrolyse de l’ATP : ATP + H2O → ADP

+ Pi +

H+ + 7 Kcal (= 29,33 kJ)

2 – Lois de l’énergétique a – Loi de conservation de l’énergie La loi de conservation de l’énergie a été donnée en 1773 par Lavoisier, qui avait déjà démontré que : “Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme”. La quantité d’énergie contenue dans un système donné est constante. L’énergie ne peut être ni détruite, ni créée, elle peut seulement être convertie d’une forme en une autre, d’où : ⇒ énergie fournie = énergie dépensée b – Loi de l’état initial et de l’état final La quantité d’énergie libérée lors d’une réaction énergétique dépend uniquement de l’ état initial et de l’état final, mais pas des réactions intermédiaires. La mesure des étapes intermédiaires est donc inutile, il suffit de connaître la quantité de matière engagée dans la réaction. Dans l’organisme, on aura des réactions d'oxydation (combustion). Les aliments ingérés seront oxydés par l’O2 (le comburant). Cela libère de l’énergie potentielle (formation d’ATP) et des déchets, notamment

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de la chaleur. Aliments + O2 → Énergie potentielle (ATP) + Déchets (chaleur, entre autres) C + O2 → CO2 + 94 Cal (ou Kcal) Étapes intermédiaires : ● C + ½ O2 → CO + 26,4 Cal ● CO + ½ O2 → CO2 + 67,6 Cal ⇒ Bilan énergétique global = État initial - État final Les étapes enzymatiques ou autres ne sont pas importantes. Exemple : ● Combustion du glucose dans un calorimètre (directe) : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 673 Kcal ● Oxydation du glucose dans l’organisme (indirecte) : C6H12O6 → G-6-P → F-6-P → … → 6 CO2 + 6 H2O + 673 Kcal 3 – Méthodes de mesure des dépenses énergétiques Il faut que la dépense soit compensée par les apports en nutriments.

Egestat : résultante de la combustion Pour mesurer la dépense énergétique, on utilise la calorimétrie : ● calorimétrie directe : mesure directe de l’énergie libérée, ● calorimétrie indirecte : ○ mesure de l’ingestat et egestat : thermochimie alimentaire ○ comparaison de l’O2 consommé et du CO2 libéré : thermochimie respiratoire a – Calorimétrie directe

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Elle mesure la chaleur produite : on mesure la production de chaleur corporelle par un calorimètre direct. Cette méthode est assez compliquée à réaliser, donc très peu utilisée. Il faut mettre quelqu’un dans une chambre de calorimétrie. Cette pièce est isolée de l’extérieur avec seulement une entrée d’O 2 pour que le sujet puisse respirer, et une sortie d’air pour permettre d’aspirer l’air expiré par le sujet (pour éliminer le CO 2) et on peut aussi éliminer la chaleur. Un serpentin envoie de l’eau froide, puis on mesure la température de l’eau à la sortie. On peut demander au sujet de faire différentes activités ou le laisser simplement au repos. La différence de température correspond à la chaleur dégagée par le sujet pour réaliser les activités demandées. §b – Calorimétrie indirecte α – Thermochimie alimentaire Principe : on calcule la dépense énergétique d’un sujet à partir de la nature et du poids des aliments ingérés. Il faut des informations sur les aliments. Il y aura combustion, etc... Aliments + O2 → CO2 + H2O + Énergie Difficultés principales : ● les aliments ingérés ne seront pas totalement brûlés, une partie de l’énergie est perdue dans les excrétas (selles et urines), ● l’apport alimentaire peut ne pas couvrir parfaitement les besoins du sujet : ○ excès de nourriture → création d’une réserve de graisse (pas de transformation en CO2, H2O ou énergie, donc mesure faussée), ○ déficit de nourriture → utilisation des réserves (on surestime l’apport des aliments). Rigueur des mesures très importante : Le poids du sujet doit être parfaitement stable pendant la mesure (une variation de poids peut traduire un excès de nourriture ou une utilisation des réserves). Application pratique : La mesure s’effectue en 4 temps. 1. Pesée de tous les aliments qui seront ingérés par le sujet, 2. Calcul de la quantité de protides, lipides et glucides ingérés par rapport aux aliments fournis :

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Pour 100 g d’aliments

Protides en g

Lipides en g

Glucides en g

Beurre

0,6

81

0,4

Bœuf

17,5

22

1,0

Pommes de terre

2,0

0,1

19,1

3. Calcul de la quantité d’énergie apportée par chaque catégorie d’aliment. On réalise à nouveau des calculs. On met les aliments dans le calorimètre pour mesurer leur chaleur de combustion moyenne : ● 1 g de glucides = 4,2 Kcal, ● 1 g de lipides = 9,4 Kcal, ● 1 g de protides = 4,6 Kcal. 4. Calcul de la dépense énergétique : valable seulement si le poids du sujet est resté stable pendant toute la période de la mesure. Généralement, les mesures s’effectuent sur 1 semaine pour montrer l’apport énergétique normal, habituel.

β – Thermochimie respiratoire On part de l’O2 (le CO2 peut aussi jouer un rôle mais il est mineur par rapport à celui de l’O 2). Exemple : calcul du coefficient thermique de l’O 2 pour les glucides C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 673 Kcal (pour 1 mole de glucose) 6 moles d’O2 x 22,4 L/mol (volume molaire de l’O2) = 134,3 litres d’O 2, permettant de brûler 673 Kcal. Proportionnellement, 1 L d’O2 permet de brûler 5 Kcal (673 / 134,3 = 5) Ainsi, quand on consomme 1 L d’O 2, on brûle 5 Kcal. Plus on bouge, plus on ventile, plus on consomme d’O2, et plus on consomme d‘énergie. On fait ensuite le même calcul pour les autres nutriments. Coefficient thermique de l’oxygène des nutriments : 1 L d’O2 utilisé équivaut à :

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● ● ●

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pour les glucides : 5,0 Kcal libérés, pour les lipides : 4,7 Kcal libérés, pour les protides : 4,6 Kcal libérés.

Pour simplifier, on peut utiliser le coefficient thermique moyen de l’O2 : 1 litre d’O2 = 4,8 Kcal (20 kJ) À partir de cette valeur, on peut faire les calculs. Application pratique de la thermochimie respiratoire : → Utilisation du quotient respiratoire C’est le rapport entre la libération de CO 2 et la consommation d’O 2. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 673 Kcal QR = V’CO2 / V’O2

où V’ représente des débits

C’est le rapport entre la production de gaz carbonique et l’utilisation d'oxygène donc entre le volume de gaz carbonique produit et le volume d’O 2 consommé. Glucides purs (si on ne mange que des glucides, et qu’on mesure le QR) : QR = 1 Lipides purs : QR = 0,7 (le volume d’O2 consommé est plus important que le volume de CO2 produit) Protides purs : QR = 0,8 (le volume d’O2 consommé est plus important que le volume de CO2 produit) Lorsque l’on est à jeun (pas mangé depuis 12 heures), l’organisme ne consomme que des lipides. Cette technique est peu utilisée. Le coefficient respiratoire donne une indication sur les types de molécules utilisées. On utilise des tables de coefficients thermiques qui permettent d’analyser les mélanges. Exemple : coefficient respiratoire de 0,75 → consommation de 15,6 % qui vient des glucides, 84,4 % des lipides. → Mesures de la consommation d’O2 ●

Méthode en circuit fermé : spirométrie

C’est une méthode peu utilisée mais intéressante chez le sujet surtout au repos.

●

Méthode

Elle est beaucoup

en circuit ouvert plus utilisée. Le

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sujet respire l’air qui est présent autour de lui dans son environnement, et non l’air présent dans une cloche. On lui met un masque sur la bouche et le nez pour éviter les fuites (avant on mettait juste un masque sur la bouche et une pince sur le nez). Mesure de la consommation d’O2 : V’O2 = Volume d’O2 inspiré par minute – Volume d’O 2 expiré par minute, ce qui revient à : V’O2 = (Volume d’air inspiré par minute x FiO2) – (Volume d’air expiré par minute x FeO 2) Finalement, on peut dire que : V’O2 = V’e x (FiO2 – FeO2), avec : ● V’e : ventilation ou air inspiré ou expiré par minute (le même dans les 2 cas) ou encore volume d’air passant dans le corps par minute : débit ventilatoire, ● FiO2 : fraction de l’O2 présent dans l’air ambiant, inspiré (on le connaît) ● FeO2 : fraction de l’O2 présent dans l’air expiré Un système de turbines mesure la ventilation : plus il tourne, plus le sujet a ventilé fort. L’air passe ensuite dans des analyseurs et détermine les quantités d’O 2 et de CO2. Exemple : ● V’e air = 20 L/min ● FiO2 = 21 % ● FeO2 = 17 % V’O2 = 20 x (0,21 – 0,17) = 0,8 L/min, d’où DE = 0,8 x 4,8 = 3,8 Kcal. Le sujet a consommé 0,8 L/min d’O2 et donc oxydé 3,8 Kcal. 4 – Résultats a – Dépense énergétique minimale = métabolisme basal/de base Le métabolisme basal correspond à une dépense irréductible, c’est-à-dire ce que le sujet doit, au minimum, consommer pour survivre. Pour la mesurer, le sujet doit répondre à 3 conditions de mesure : ● à jeun depuis 12 heures (la digestion demande de l’énergie), ● éveillé, au repos complet, calme et détendu, immobile, ● à la température de neutralité thermique (pour qu’il ne dépense pas d’énergie pour lutter contre le froid ou le chaud) : 25°C. Métabolisme de base moyen : 1 Kcal/kg/h : cela correspond à 3,5 mL d’O2/min/kg = 1 M.E.T (Metabolic Equivalent of the Task) 1 500 (1440) Kcal/24h pour un adulte jeune (en bonne santé) Si quelqu’un consomme 5 MET → 5 x 3,5 mL d’O 2/min/kg, cela fait 5 Kcal/min Chez les sujets obèses, le métabolisme de base est diminué (ils dépensent moins au repos donc grossissent encore plus). Facteurs de variations du métabolisme basal : ● le sexe : H > F, la masse musculaire est plus importante chez l’homme et la masse graisseuse est plus importante proportionnellement chez la femme que chez l’homme. Or, la graisse ne consomme pas d’oxygène, donc à poids égal, si on a plus de muscle on consomme plus

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d’oxygène. C’est donc pour cela que les hommes ont un métabolisme de base plus élevé. l’âge : jeune > âgé, avec l’âge, il y a souvent une prise de poids, qui est physiologique, car le métabolisme de base d’une vieille personne est plus faible que celui d’une personne jeune alors que les apports restent sensiblement les mêmes. la morphologie : taille et poids.

On raisonne souvent en unités de surface corporelle pour déterminer la dépense énergétique. La dépense énergétique par unité de surface corporelle est sensiblement la même pour tous les sujets homéothermes. Chez un adulte jeune : ● homme : 37 Kcal/m²/heure ● femme : 35 Kcal/m²/heure On peut déterminer la surface corporelle avec la taille et le poids. Cependant, la masse graisseuse est métaboliquement inerte : elle ne consomme pas d’énergie. Cela peut fausser la mesure. Si deux patients font 100 kg, leur métabolisme de base sera différent selon la fraction de graisse. Or cette mesure ne permet pas de mettre en évidence cette différence. Elle entraîne donc un biais, qui est souvent oublié. b – Dépenses énergétiques supplémentaires α – Le travail musculaire

Sans effort musculaire, le débit d’O 2 (V’O2) présente un plancher de 250 mL/min. Il augmente proportionnellement à l’intensité musculaire, mais lors d’un exercice musculaire important (ici course à 13 km/h) l’organisme consomme 2,5 L/min au maximum. Ce seuil ne peut être dépassé : si le sujet veut augmenter sa vitesse de course il devra alors utiliser le métabolisme anaérobie. L’Homme a un rendement mécanique médiocre : seulement 25 % de l’énergie chimique fournie est transformée en énergie mécanique. Les 75 % restants produisent de la chaleur. La dépense énergétique est fonction de l’intensité et de la durée de l’exercice : DE (Kcal) = 4,8 x intensité de l’exercice x durée Écrire assis

2 Kcal/min

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Nettoyer les vitres

3,5 Kcal/min

Faire un lit

6 Kcal/min

Marche (4 km/h)

4 Kcal/min

Course (10 km/h)

11 Kcal/min

Bicyclette (15 km/h)

7 Kcal/min

β – La thermorégulation : cf cours Thermorégulation S’il y a nécessité de lutte contre le froid, on dépense de l’énergie. C’est aussi le cas pour la lutte contre le chaud, mais dans des proportions moins importantes.

γ – L’action dynamique spécifique des aliments (ADS) L’ADS est l’énergie nécessaire à l’assimilation complète des aliments au niveau hépatique. Elle est supérieure à l’énergie nécessaire à la digestion. La désamination des protéines a un rôle majeur dans l’ADS : elle consomme beaucoup de calories. L’ADS est de : ● ●

30 % de plus pour les protides (leur désamination) que la consommation énergétique de base nécessaire à la digestion. 12 à 15 % de plus pour les lipides et les glucides δ – La croissance

Il y a une synthèse protéique très importante pendant la croissance. Les besoins en énergie sont plus importants chez l’enfant que chez l’adulte, et il faut donc adapter les apports alimentaires en conséquence : prendre un goûter lorsqu’on est enfant est une bonne chose, en revanche il est moins adapté pour l’adulte. II – Rations alimentaires

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1 – Le bilan énergétique

Il faut qu’il y ait équilibre entre les apports énergétiques (protides, glucides et lipides) et les dépenses (activité physique, action dynamique spécifique des aliments , métabolisme de base, croissance pour les enfants et thermorégulation). Bilan énergétique positif → apports caloriques > dépense : surpoids. Si jamais le fléau de la balance penche du côté des apports, on a une prise de poids. Dans l’autre sens, on aura perte de poids. Un bilan énergétique positif indique que les apports caloriques sont supérieurs aux dépenses. En général, un surpoids n’est pas dû à un excès d’apports mais plutôt à un manque de mouvement. Enfin, l‘apport en eau, vitamines et sels minéraux n’a pas de réel impact sur l’énergie apportée ou consommée, même s’ils sont essentiels pour d’autres raisons.

2 – Besoins quantitatifs en énergie a – Ration d’entretien C’est l’apport énergétique journalier nécessaire à un homme adulte sédentaire, en bonne santé et vivant dans un climat tempéré. Ration d’entretien journalière : 2 500 Kcal/jour (homme). Elle comprend : ● le métabolisme de base : 1 500 Kcal (mesuré à jeun et ne comprenant donc pas l’ADS),

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● ● ●

l’ADS des aliments : 150 Kcal, la thermorégulation : 250 Kcal, le travail musculaire : 600 Kcal.

Facteurs de variations de la ration d’entretien : ● sexe (pour une femme : 2 100 Kcal/jour), ● âge (diminue avec l’âge), ● indépendant du type d’alimentation. Facteurs de régulation de la ration d’entretien : ● faim, ● satiété. Les personnes en surpoids perdent souvent la notion de satiété. b – Ration de travail Un déménageur aura besoin de plus de 2 500 Kcal que quelqu’un qui aura une activité musculaire modérée. Activité physique modérée : 3 000 à 3 500 Kcal/jour Activité physique intense : 3 500 à 7 000 Kcal/jour c – Ration de croissance La ration énergétique /kg de l’enfant est supérieure à celle de l’adulte. En effet pendant la croissance, les besoins énergétiques sont plus importants. Poids de naissance d’un enfant : ● doublé à 4 mois, ● triplé à 12 mois, ● quadruplé à 2 ans. À 1 an, pour un poids de 10 kg, la ration de croissance est d’environ 850 Kcal/j.

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d – Ration de grossesse Le fœtus a des besoins énergétiques : ainsi, le métabolisme de base est augmenté de 20 %. De plus, les dépenses énergétiques pour une même activité physique sont augmentées car une femme enceinte est plus lourde. Par exemple, elle consomme plus d’énergie pour monter les escaliers qu’en temps normal. La ration énergétique journalière d’une femme enceinte est donc de 2 400 Kcal/j (contre 2 100 pour une femme qui n’est pas enceinte). Attention : Ces rations de travail, croissance, grossesse correspondent à l’apport calorique total journalier. Elles ne s’ajoutent donc pas à la ration d’entretien. Pour l’estimation du coût calorique de chaque activité physique (voir ration de travail), le métabolisme de base est inclus dans le coût. 3 – Besoins qualitatifs en énergie a – Habitudes alimentaires journalières Pour un total de 2 500 Kcal/j : ● glucides : 400 g → 1 600 Kcal ● lipides : 50 g → 450 Kcal ● protides : 90 g → 420 Kcal Valeurs valables dans différents pays, avec ce que mangent les gens au niveau local. Les valeurs sont environ les mêmes partout. Normalement, un organisme va prendre exactement ce dont il a besoin. b – Besoins en protides α – Bilan azoté Les protides contiennent de l’azote : pour 6 g de protides, on a 1 g d’azote (N2). Sources de protides : ● d’origine animales : viandes, poissons, œufs, ● d’origine végétales : fruits et céréales. Le bilan azoté normal est nul : ● azote ingéré par jour : 90 g de protides → 15 g d’azote ( ⅙ x 90) ● azote éliminé par jour : 14 g selles + 1 g urines → 15 g d’azote Loi de l’équilibre azoté : Si l’apport d’énergie est suffisant, les pertes et les entrées d’azote s’équilibrent. Si on diminue l’apport en azote, en 2-3 jours, un équilibre se crée. De même pour un apport précipité d’azote. Mais on garde la même quantité d’apport calorique.

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