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Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin I) La dépense énergétique A) Le concept de la dépense énergétique L’homme est incapable de fabriquer de l’energie. - Apport = réserves et milieu extérieur (nutriments). - Tran...

Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin I) La dépense énergétique A) Le concept de la dépense énergétique L’homme est incapable de fabriquer de l’energie. - Apport = réserves et milieu extérieur (nutriments). - Transformation de l’énergie des liaisons chimiques de carburant cellulaires (glucose, acides gras…) en une énergie chimique utilisable : l’ATP. Cette forme d’énergie est réutilisable en la cassant pour sortir de l’énergie. L’homme est incapable de consommer de l’énergie. - Cette énergie qu’on obtient du milieu extérieur est restituée d’une manière ou d’une autre sous différentes formes : (Métabolisme, Thermogénèse, Mécanique = mouvements, Chimique = urée ; créatinine). - A l’état de base, l’ensemble des apports énergétiques doivent couvrir l’ensemble des dépenses : notion d’équilibre. La principale monnaie d’échange de l’énergie est l’ATP (=Adénosine-5’-triphosphate) - 3 ions phosphates assemblés les uns à la suite des autres. - Commun à l’ensemble des organismes vivants. - Molécule de stockage et d’utilisation de l’énergie. - Apport de l’énergie nécessaire aux réactions chimiques (ATP → ADP). - En très faible quantité dans l’organisme. - L’ATP représente + de 85% des échanges d’énergie (formation et consommation de 150 Kg d’ATP/j). B) Répartition de la dépense énergétique chez un sujet sain 1. Le métabolisme de base (60%) Dépense énergétique minimale pour le fonctionnement de l’entretien de l’organisme. 2. La thermogenèse (10%) Pour augmenter sa température corporelle et la monter à 37°C = fonctionnement optimale de nos enzymes. 3. Activité physique (15 à 30%) Mouvements en plus du métabolisme de base. Plutôt 15% en position assise et 30% en conditions sportives. De l’ordre de 2600 Kcal/j (en fait variable de 100 à 200 W/heure). 4. Autres postes important de dépenses énergétiques Ces dépenses énergétique peuvent être variables selon les circonstances (physiologiques ou pathologiques) : 2/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin - Croissance - Cicatrisation (grands brûlés) - Réaction immunitaire - Grossesse - Allaitement Dans ces différents exemples, la consommation énergétique est augmentée. Le régime doit donc être adapté à ces circonstances. On retrouve cela dans certaines pathologies graves notamment chroniques avec inflammation (infection, grand brûlé = cicatrisation très importante…). II) Les apports d’énergies A) Sources alimentaires d'énergie et nutriments après digestion Il y a 3 sources de macronutriments majeurs : - Glucides : représentent 50% des apports énergétiques quotidiens (principale source). Ils peuvent être sous forme de monosaccharides (glucose, fructose, galactose) ou de polysaccharides plus complexes. - Lipides : 35% des apports énergétiques. Ils entrent dans l’alimentation sous forme de TG (=triglycérides) majoritairement et un peu d’AGL (=acides gras libres) - Protides : 15% des apports énergétiques. Les protides ne sont pas tellement faits pour produire de l’énergie. Ils servent avant tout à renouveler nos propres protéines. Ils sont présents sous forme d’acides aminés. Il existe d’autres molécules importantes mais qui ne sont pas dans un but de produire de l'énergie : cholestérol, vitamines, minéraux et oligoéléments. B) Réserve énergétique Nous n'avons pas toujours à nous alimenter toute la journée. Il y a des périodes où on s’alimente et d’autres où on dépense. On a besoin d’une capacité de stockage des nutriments. La majorité de ce stockage se fait sous la forme de TG. Pour un homme de 70kg, on aura 12 kg de triglycérides. C’est une réserve quasi illimitée. Il existe également un faible stockage de glycogène au niveau du foie et du muscle (500-700g). Dans le foie il s’agit d’une petite réserve servant à synthétiser du glucose pour d’autres organes. Quant au muscle, celui-ci l’utilise uniquement pour lui-même. Par ailleurs, on possède une réserve non négligeable de protéines (6 kg) retrouvée dans les muscles, mais celle- ci est peu mobilisable. Synthétiser des protéines est difficile et sert à beaucoup de choses donc l’organisme va tout faire pour puiser dans d’autres réserves. C’est uniquement en cas de malnutrition sévère que l’on observe une fonte musculaire. De plus, on a quasiment pas de stock d’ATP (quelques grammes seulement) et pourtant on en produit 150 kg par jour. 3/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin C) Malnutrition protéino énergétique 1. Le marasme Les sujets atteints ont une carence calorique globale. On observe une grande maigreur, une fonte musculaire, un arrêt de la croissance, une disparition de la graisse sous cutanée. 2. Le kwashiorkor Les sujets atteints ont une carence essentiellement en protéines. On observe une fonte musculaire (même si cela paraît moins évident que pour le marasme) et l’apparition d’oedèmes. En effet, lorsqu’on a moins de protéines, la pression oncotique est moins importante, ce qui entraîne une extravasation de l’eau dans les tissus. On remarque aussi une ascite importante D) Destinée des nutriments ⇒ fournir de l’ATP (et lorsqu'on en a trop on constitue des réserves) Les nutriments ont une destinée première qui est énergétique. L'ensemble de ces molécules passent par des carrefours. Les glucides et les protéines vont passer par le pyruvate. Les lipides vont passer par l'acétyl-CoA et le pyruvate. Puis, ces molécules vont entrer dans le cycle de Krebs dans les mitochondries pour produire de l'énergie. La mitochondrie est la chaudière énergétique de la cellule : elle peut produire de l’ATP ou de la chaleur. 1. La mitochondrie Elle a deux fonctions essentielles : - Transformer le métabolite clé de la transformation des nutriments en acétyl-CoA pour en extraire, par le cycle de Krebs, des atomes d'hydrogène (H+). Cela permet de créer un gradient d’hydrogène. - Utiliser les hydrogènes dans la chaîne respiratoire pour fabriquer de l’énergie en transformant une molécule d’ADP en ATP. C’est la mitochondrie qui fournit le plus d’énergie à la cellule. Fonction accessoire : dégager de la chaleur par le passage des molécules d’hydrogène au sein de la mitochondrie 4/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin En résumé : l’ensemble des nutriments (glucides, lipides, protides) vont être transformés en petites briques élémentaires puis en pyruvate et/ou acétyl-CoA. Ces derniers constituent un véritable carrefour moléculaire pour la synthèse énergétique. Ainsi on peut interchanger les nutriments grâce aux réactions du cycle de Krebs. Exemple : le glycogène peut donner du glucose qui pourra être transformé en triglycérides (et inversement). 2. Le dosage du lactate / pyruvate Le pyruvate est le produit final de la glycolyse. Le lactate est la forme réduite du pyruvate par la LDH (=lactate déshydrogénase = forme mal brûlée du glucose). C’est la forme qui est brûlée lorsqu’on a pas d’oxygène (lors de la glycolyse anaérobie). Il existe un équilibre entre la quantité de pyruvate et de lactate dans l’organisme. Il est possible de doser ces molécules qui peuvent servir de biomarqueurs dans certaines pathologies. On étudie le rapport pyruvate / lactate. Si le lactate augmente, cela est signe : - d’une hypoperfusion tissulaire due à des brûlures étendues, un état de choc, un infarctus du myocarde ou un choc septique. - de complications rares de certains traitements antirétroviraux - d’acidocétoses (diagnostic différentiel avec les acidoses métaboliques) - de maladies métaboliques rares (notamment des cytopathies mitochondriales) - d’exercice physique (réalisé dans le but de déterminer les capacités sportives chez un individu) 3. Les corps cétoniques Les corps cétoniques, qui sont synthétisés par le foie à partir de l’acétyl-CoA, permettent de donner de l’énergie à l’organisme lorsque tout le glucose a été consommé. On peut former 3 corps cétoniques à partir de l’acétyl CoA : l’acétone (odeur de pomme verte caractéristique des patients en situation de comas acidocétosique), l’acétoacétate et le β-hydroxybutyrate. Après un repas : on a plein d’AG et de glucose ⇒ donc on utilise le cycle de krebs pour fournir de l'énergie. Lors d’un jeun : le foie va servir de banque de glucose pour l’ensemble des tissus. Il va synthétiser du glucose à partir d’autres molécules. De plus, les acides gras qui sont au niveau du foie vont servir à la synthèse de corps cétoniques. Cela est important en pathologie pour les sujets diabétiques qui ne sont pas capables de faire rentrer le glucose dans leurs cellules (du fait de leur manque d’insuline). Conséquences : synthèse permanente de corps cétoniques pour compenser et donc acidification du sang (car les corps cétoniques sont acides). Cela peut alors créer un comas acidocétosique. Les corps cétoniques sont utilisés par le cerveau, les muscles… Ils pourront être transformés dans ces tissus en acétyl-CoA pour entrer dans le cycle de Krebs. 5/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin E) Destinée anabolique ⇒ Synthèse de molécules plus complexes à partir des glucides, lipides et protides. Glucides retrouvés dans… Lipides retrouvés dans… Protides retrouvés dans… - Des composants structuraux - Lipoprotéine (rôle de transport) - Protéines +++ : énormément de (glycosaminoglycanes important - Hormones et prostaglandines protéines qui sont très complexes pour donner la structure élastique et (signalisation) avec une diversité incroyable. Les résistante au coup des cartilages) protéines portent la majorité des - Des mucus (pour protéger les Rôle de structure car c’est le fonctions de l’organisme. La muqueuses) principal composant des membranes majorité des protides ingérés - Des glycoconjugués (présence de cellulaires (phospholipide et servent à renouveler les protéines glucides au niveau des lipides de la cholestérol) vieillissantes. membrane de globules rouges pour - Hormones donner les groupes sanguin ABO) - Neurotransmetteurs - Les acides nucléiques (à partir du ribose/désoxyribose pour l’ARN et l’ADN) F) Destinée d’élimination ⇒ Gestion des déchets Les déchets principaux sont l’eau et le CO2. L’eau sera éliminée via les urines, le CO2 via l’expiration. Pour les protéines, il y a un déchet plus embêtant qu’est l’azote. L’azote peut s’accumuler sous forme d'ammoniac, substance très toxiques pour l’organisme. 6/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin Pour cela on groupe deux groupements amine ensemble pour donner de l’urée. Cette urée est facilement dissoute dans l’eau et se transporte dans le sang. On l’élimine ensuite dans les urines. III) Les glucides Rôle principal = fournir de l’énergie. Les glucides ont également une petite destinée anabolique. Ils produisent peu de déchets. A) Destinée énergétique Les glucides représentent environ 50% de l’apport alimentaire énergétique quotidien (environ 1300 Kcal). Exemple : 250Kcal apportées par 200g de riz, 200g de pomme de terre ou de pâtes ou 1⁄2 baguette de pain. Presque tous les glucides ingérés vont être transformés en glucose qui est le meilleur carburant. La cellule préférera le glucose devant tous les autres nutriments. Il existe 2 types de glycolyse : - glycolyse anaérobie : elle est réalisée lorsque le tissu n’est pas assez oxygéné. Elle permet le clivage du glucose en 2 molécules de pyruvate. Celles-ci fournissent alors 2 molécules de lactate qui pourront être transportées dans d’autres tissus pour les transformer en glucose. Lors de la glycolyse anaérobie, on produit un peu d’ATP : 2 ATP. L’intérêt est de fournir de l’énergie rapidement. - glycolyse aérobie : en présence d'oxygène on peut brûler complètement le glucose. Le pyruvate est transformé par la PDH en acétyl-CoA et 1 NADH2. L'acétyl-CoA entre alors dans le cycle de Krebs et fournit au total 38 ATP théoriques. L’intérêt est d’obtenir un rendement élevé. Il existe différentes notions de rendement énergétique : - Le rendement théorique maximum correspond au rendement dans un tube à essai. 1g de glucose libère 4Kcal ⇒ Pas dans les conditions in vivo. - Le rendement moléculaire théorique est le rendement des biochimistes. 1 mole de glucose (180g) libère 38 molécules d’ATP soit 38 x 7,5 Kcal = environ 300 Kcal 1,6 Kcal/gramme, car perte partielle en chaleur - Le rendement des nutritionnistes (+++) est plus intéressant. Il prend en compte toutes les pertes liées au fait qu’il faille passer les membranes, digérer ces glucoses, les transporter etc… C’est un calcul global. Pertes réelles : absorption 13%, digestion 4%, perte de rendement cellulaire 30% Il y a environ 53% d’énergie récupérable (1g de glucose = 2,1Kcal/gramme ) 7/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin B) Régulation du métabolisme énergétique des sucres 1. En période alimentaire L’insuline est l’hormone “chef d’orchestre” dans l’utilisation énergétique du glucose. Sa fonction est d’utiliser le glucose dans le sang, de le capter, et de l’utiliser dans la cellule. L’excès de glucose est mis en réserve sous forme de glycogène : c’est la glycogénogénèse. Lorsque que l’on arrive à saturation du stock de glycogène (rappel : stock max de 500-700 g), les sucres sont transformés en triglycérides. Exemple : Un repas riche en sucre avec 90g de glucose (1⁄2 baguette avec une canette de coca) On retrouve environ 60% du glucose qui est oxydé par la glycolyse permanente et l’exercice. Si peu d’exercice dans les heures suivantes 30% seront transformés en graisse et 10% en glycogène. En effet, nous avons une capacité d’interconversion des molécules. Le glucose peut être transformé en glycogène mais aussi en acide gras et en acide aminé. La quantité excessive de glucose est stockée sous différentes formes. 2. En période de jeune : Il n’y a pas d’apport de glucose mais certains tissus en ont besoin pour fonctionner. Le foie va alors libérer le glycogène qui est un polymère de glucose (glycogénolyse). Il pourra alors le redistribuer à l’organisme. Si son stock de glycogène est épuisé, le foie a la capacité de synthétiser du glucose à partir d’autres molécules comme le lactate ou des acides aminés : c’est la néoglucogenèse. Ce glucose est principalement utilisé par le cerveau, les globules rouges, le rein et l’intestin. A retenir : 7h de jeun (soit 1 nuit de sommeil) consomme environ 50% de la réserve hépatique. IV) Les lipides A) Destinée des lipides Il permettent de fournir de l’ATP à partir d’AG qui sont très énergétiques (+++) et de constituer des réserves de TG (ce qui peut parfois être pathologique = obésité). On distingue 2 destinées : - Destinée anabolique : synthèse de molécules complexes (renouvellement de la membrane ; synthèse d’hormones). - Destinée catabolique (élimination) : gestion des déchets. B) Digestion des lipides La digestion des lipides est plus complexe que celle des autres substrats énergétiques. En effet, au niveau du tube digestif, ce qui est digéré se retrouve dans du liquide. Or la graisse est non miscible à l’eau. La digestion se déroule selon un mécanisme complexe de dégradation-resynthèse : 8/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin 1. Hydrolyse des lipides : en gouttelettes de graisse pour réduire leur taille 2. Emulsification des gouttelettes de graisse : en micelle grâce aux sels biliaires et à la lipase pancréatique (rôle d’un savon = rôle tensio-actif). Ces substances diminuent la tension superficielle permettant de séparer un grosse gouttelette en plusieurs plus petites qui pourront être absorbées par les entérocytes 3. Formation des micelles 4. Absorption par endocytose du contenu micellaire : par la paroi de l’intestin = entérocytes 5. Resynthèse des lipides : en intracellulaire pour les transporter dans le sang via les chylomicrons Puis, les lipides sont transportés dans le sang (via les lipoprotéines) et la lymphe aux différents tissus. Ce transport des lipides dans le sang est complexe. Il implique de nombreuses lipoprotéines (Chylomicrons; VLDL; LDL; HDL) C) Les graisses : rôle dans le métabolisme énergétique Les lipides sont très concentrés énergétiquement. Ce sont des molécules hydrophobes donc leur volume est faible et leur concentration énergétique élevée. Ils représentent 30 à 35% de l’apport alimentaire énergétique quotidien (environ 800 Kcal) Exemple : 3 tartines beurrées 10g, 1 plat de viande en sauce 30 à 50g, 1 pâtisserie industrielle 20g. Totale = 70g ou 500Kcal sur les 700Kcal Le rendement nutritionnel est très élevé (=85% contre 53% pour les glucides) 5% sont perdus avec la digestion et 10% sous forme de chaleur. 1g de lipides apporte environ 9Kcal x 0,85 = 7,6Kcal La réserve lipidique est énorme. Les cellules adipocytaires ont un poids total d’environ 12 Kg soit 100 000 Kcal (chez un sujet sain). Cela peut dépasser la centaine de kilos chez les patients en état d’obésité. D) L’acide gras : carburant L’AG est le terme de la lipolyse. Il est la forme énergétiquement utilisable des lipides. Formule : CH3-[CH2]n-COOH ou “n” carbones seront oxydés. Sur une molécule de 16C, 7 cycles se succèdent. Chaque Acétyl-CoA formé est oxydé successivement dans le cycle de Krebs pour libérer de l’ATP, de l’eau et du CO2. Au total on forme: 8 Acétyl-CoA; 7 FADH2 et 7 NADH2. Ce qui permet la libération, en théorie, de 131 ATP 9/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin E) Rendement énergétique - Rendement théorique maximum : rendement des chimistes. 1g d’AG libère 9Kcal. Cependant, ce ne sont pas les conditions in vivo. - Rendement moléculaire théorique : rendement des biochimistes. 1 mole d’AG (16C) libère 129 ATP. Soit 129 x 7,5Kcal = 980Kcal. - Rendement des nutritionnistes (+++) : 85 % d'énergie récupérable. A quantité égale, la graisse est 2,5 fois plus énergétique que le sucre. Pourquoi donc consommer du sucre s’il est moins énergétique ? Car le sucre est plus vite absorbé, transporté (il est hydrosoluble). F) Rôle énergétique : au niveau moléculaire de la lipolyse La lipolyse adipocytaire libère des AGL (=acides gras libres) sans consommation d’énergie. Les AG libérés sont transportés par la sALB (=sérum albumine) et seront oxydés dans les tissus périphériques (sauf les tissus gluco-dépendants : cerveau et GR). Le muscle en exercice est un gros consommateur d’AGL (jusqu’à 40g/h) G) Régulation du métabolisme énergétiques des lipides 1. En période alimentaire - Élévation de la sécrétion d’insuline. - Le tissu adipeux produit à partir du glucose des triglycérides sous l’effet de l’insuline - Si excès de glucose → production de TG - Si excès d’AG → stockage dans le foie en plus du tissu adipeux 2. En période de jeûne - Augmentation du rapport glucagon/insuline. - Lipolyse et libération d’AGL dans la circulation sanguine (utilisés notamment par le muscle à l’état d’exercice). Le sport favorise donc la perte de poids. - Autre voie de dégradation des AG = production de corps cétoniques (pour le cerveau). - Le glycérol est également libéré par le foie pour servir à différentes molécules : notamment les TG V) Les protides A) Destinées de protides - Destinée énergétique : fournir de l’ATP et constituer des réserves. Cependant cette destinée est minoritaire. Le rôle premier des protides est le renouvellement du stock de protéines vieillissantes = rôle anabolique. - Destinée anabolique : synthèse de molécules complexes (protéines à partir d’AA = acides aminés). Pour notamment lutter contre les éléments stressants (infection, inflammation) - Destinée d’élimination : gestion des déchets (élimination de l’azote = cycle de l’urée). Cette voie est coûteuse en énergie. 10/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin B) Rôle dans le métabolisme énergétique Les protides représentent 15% de l’apport alimentaire énergétique quotidien (environ 400 Kcal). Exemple : 70g de protéines contenues dans : 200g de viande + 300g de pâtes Le rendement métabolisable est peu élevé (=30%) 1g de protéines apporte environ 4Kcal x 0,30 = 1,2Kcal d’énergie utilisable. De plus, la réserve potentielle de protides est d’environ 25 000Kcal : elle est présente surtout dans le muscle. Les protides sont peu mobilisables. - Le rôle essentiel des protéines est d’apporter de l’azote (nécessaire à notre métabolisme) et des acides aminés essentiels (qu’on ne peut pas synthétiser). Les protides ont donc un rôle anabolique = synthèse de protéines (+++) pour renouveler le stock de nos protéines. VI) La gestion de l’énergie L’organisme à des apports et des dépenses énergétiques multiples. Selon la situation, il utilise diverses nutriments. Mais dans l’ordre de préférence on retrouve le glucose, les TG puis les protides (qui servent peu à la gestion de l’énergie). Le rendement cellulaire de ces nutriments est variable selon : - les tissus, cellules; - la présence ou non d’oxygène, d’hormones - les rythmes circadiens (d'où la notion de chrono-nutrition : exemple des hormones sécrétées à des moments différents de la journée qui facilite + ou - l’absorption de certains nutriments) - les phénomène de découplage des mitochondries A) Les différents types de glycolyse - La glycolyse permanente non insulino-dépendante Elle concerne le cerveau et les globules rouges. Elle est d’environ 7g/h. - La glycolyse anaérobie ou aérobie liée à l’effort musculaire Elle est comprise entre 20g/h si activité modérée et 50g/h au maximum. Exception : si course de fond → épuisement du glycogène en 2 heures et consommation jusqu'à 200g/h. Au début le muscle est en glycolyse anaérobie (mise en place rapidement) puis quand l’exercice se prolonge il bascule sur la glycolyse aérobie (mise en place lentement mais plus efficace). A l’état de base, l’organisme utilise la glycolyse aérobie et anaérobie. - La glycolyse anaérobie de maintien Elle se localise dans le rein. Elle est d’environ de 1,5g/h - Glycolyse anaérobie Rapide mais peu efficace (rendement global = 5%). 2 ATP et 2 lactates sont produits - Glycolyse aérobie Lente mais efficace. Fournit 38 ATP/mole de glucose soit environ 1,6 Kal/g de glucose utilisable 11/12 Charonéo 2023-2024 BMCP - Le métabolisme énergétique Dr. V. Huin - Balance glycolyse aérobie / glycolyse anaérobie Elle permet d’adapter le rendement énergétique en fonction de la demande (effet court, ou prolongé) : voir exemple du muscle cité précédemment. La production de lactate (forme mal brûlée du glucose) présente l’intérêt d’être consommable directement par le cerveau et de le réutiliser par le foie pour la néoglucogenèse. Il est notamment libéré par le muscle en condition anaérobie. B) Effort et gestion de l’énergie - Epreuve de 100m Hydrolyse de la CP (=créatine phosphokinase) (48%) ; glycolyse anaérobie (48%) ; glycolyse aérobie (4%) - Epreuve de 800m Hydrolyse de la CP (=créatine phosphokinase) (6%) ; glycolyse anaérobie (50%) ; glycolyse aérobie (44%) - Épreuve du marathon (80Kcal/km) Glycolyse anaérobie (1%) ; glycolyse aérobie (99%) + Consommation du glycogène dans le foie et les muscles à 40% et consommation des AG circulants à 60% On observe un épuisement si plus de 80% du stock de glycogène est consommé au bout d’1h30 de course. - Marche vitesse moyenne 5km/h (durée > 3h) (30Kcal/km) C’est l’activité qui fait le plus maigrir. L’homme est fait pour marcher longtemps. + Consommation du glycogène dans le foie et les muscles à 20% et consommation des AG circulants à 80% Conclusion : le métabolisme a la capacité de “changer de vitesse” en fonction de la nature et l’intensité de l’effort. 12/12