Biologie énergétique : Introduction








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Biologie énergétique : Introduction
C’est l’étude des organismes vivants assimilés à un système de transfert d’énergie. On peut donc appliquer à cet organisme les lois de la thermodynamique. L’énergie former provient de la combustion des aliments, il n’y a que cette énergie ainsi produite qui est utilisée, les autres formes d’énergie ne sont pas utilisées. Le phénomène de combustion qui entre en jeu se produit grâce à la présence d’O2 (dans les phénomènes respiratoires). Cette énergie sert aux dépenses de fonctionnement qui sont la thermogenèse de réchauffement (énergie qui doit lutter contre le froid) ou l’activité physique pas seulement sportive mais musculaire. S’il n’y a pas de dépense de fonctionnement l’énergie servira aux dépenses de fond ; c’est le métabolisme basal.
1-Les lois de la thermodynamique

a) Premier principe

L’énergie contenue dans un système clos faisant passer d’un état initial à un état final reste constante.

Ereçue = E dépensée ± ΔE
Dans le cas d’un homme, l’énergie reçue provient des aliments et l’énergie dépensée provient de l’activité physique. La variation d’énergie représente un stock d’énergie du tissu adipeux. On peut noter que l’énergie reçue peut être transformée en d’autres formes comme par exemple l’énergie mécanique (travail), l’énergie chimique (synthèse moléculaire), énergie de transport des molécules de part et d’autres de la membrane (phénomène osmotique)  c’est une énergie convertible. On va donc utiliser des unités communes qui est le Joule ou KJ mais couramment on utilisera la calorie ou Kcal ; à savoir que 1Kcal = 4,18 joules. La calorie représente la quantité de chaleur qui peut élever la température de 1 g d’eau d’1 °C.
b) Deuxième principe

Notion d’entropie qui représente la dégradation d’énergie, le désordre croissant de la matière. Quand l’énergie passe d’une forme à une autre, elle se dégrade en partie sous forme de chaleur. Il n’y a pas de rendement à 100%, cette énergie sous forme de chaleur est perdue et est restituée à l’environnement. L’organisme vivant est représenté par une hétérogénéité de ses structures qui vont évoluer vers l’égalisation. Pour lutter contre le désordre, l’organisme utilise une énergie haute qualité (chimique) qu’il transforme en énergie basse qualité (chaleur), au passage il va prélever de l’ “ ordre ”.

Notion de biosphère

On utilise une cloche retournée sur un milieu végétal, humains avec aussi de l’air (c’est un système clos) ; on retrouve le milieu quelques milliers d’années plus tard et on se rend compte qu’il ne reste plus que des cendres mais la quantité d’énergie mesurée reste toujours la même.
Aliments (énergie potentielle) Respiration cellulaire (acétyl CoA) énergie utile disponible

Mise en réserve utilisée quand jeûne par exemple

Energie mécaniq.


Environnement

Perte sous forme de chaleur
Travail externe

Energie osmotique
Energie chimique
Les flux peuvent se mesurer à plusieurs niveaux. L’énergie sous forme chimique est appelée ATP, elle est utile et disponible et est utilisée dans des phénomènes mécaniques, osmotique  forme de transport vers les sites de production (mitochondries) aux sites d’utilisation. Cette molécule peut se stocker à court terme. Si l’on fait un exercice long, on va puiser dans nos réserves de graisse pour fabriquer de l’ATP.
Premier chapitre

L’aliment est un composé complexe comestible, il apporte de l’énergie. Un aliment est composé d’un certain nombre de nutriment que l’on peut classer en différents groupes.

Par exemple, le pain contient comme nutriments du gluten, de l’amidon (c’est le nutriment), des vitamines, des sels minéraux …

Il faut savoir que tous les nutriments n’apportent pas d’énergie, c’est le cas notamment des fibres. Chaques nutriments n’apportent pas la même quantité d’énergie. On distingue alors 4 catégories :

  1. Les protides (peptides + protéines + acides aminés)

  2. Les lipides (matière grasse)

  3. Les glucides qui sont soit des monosaccharides (ose) comme le fructose, des disaccharides (dioside) comme le lactose ou le saccharose, les polysaccharides (polyoside) comme l’amidon.

  4. Les alcools


L’énergie contenue dans un aliment est mesurée grâce à une bombe calorimétrique, c’est un système où l’on place l’aliment à étudier dans un sac entouré d’une enceinte pleine d’eau isolée de l’environnement ; on met de l’O2 dans le sac pour la combustion et un dispositif de mis à feu pour démarrer cette combustion. On va, à la fin mesurer la chaleur produite représentant la variation de la température de l’eau environnant.
Pour les glucides : G + O2  CO2 + H2O + E soit 4,1 Cal/g

Pour les lipides : L + O2 CO2 + H2O + E soit 9,45 Cal/g

Pour les protides : P + O2  CO2 + H2O + N2 + E soit 5,65 Cal/g
Ce sont des valeurs moyennes que l’on calcule par l’intermédiaire d’une bombe calorimétrique mais ce n’est pas les mêmes valeurs que l’on retrouve pour le corps humain et ceci pour 2 raisons :

Il y a encore un peu d’énergie dans les excrétats (pour 2000 Cal ingérer, il reste encore 50 Cal dans les selles). Tous les ingestats ne sont pas absorbés et le rendement est quand même de 97% soit (2000 – 50)/2000 qui représente le coefficient d’utilisation digestive CUD = (Qi – Qe)/Qt

Ce coefficient est pour les glucides d’environ 100%, pour les lipides 95%, pour les protides 78 à 97 % selon la nature des protides et pour l’alcool de 100%.

La deuxième raison et que les protéines se dégradent dans l’organisme mais pas jusqu’au stade de N2 mais de l’urée.

P + O2  CO2 + H2O + Urée + E soit 4,35 Cal/g
Valeurs énergétiques des nutriments :

Glucides = 4 Cal/g

Lipides = 9 Cal/g

Protéines = 4 Cal/g

Alcool = 7 Cal/g
Bioénergétique

Introduction :

La bioénergétique est l’étude des organismes vivants envisagés comme des systèmes de transfert d’énergie.

L’énergie provient de la combustion des aliments :



Principes de la thermodynamique :

Dans un système isolé, si l’on passe d’un état initial à un état final et que le système est isolé, le contenu en énergie reste le même.

Si par contre il y a une variation du contenu de l’énergie :

Energie reçue = énergie dépensée  ΔE. (variation de l’énergie)

Energie reçue des aliments = énergie dépensée (fcont et fond)  ΔEc (énergie corporelle)

L’énergie reçue par les aliments est convertie en d’autre sorte d’énergie : énergie chimique (nécessaire au transport des ions), mécanique…

On utilise comme unité la calorie ou le kilojoule. Une calorie permet d’élever la température d’1 gramme d’eau de 1°C.

Comme la calorie est une petite unité, on utilise volontiers la kilocalorie (kcal) ou grande calorie.
Principe d’entropie : où principe du désordre croissant (de la dégradation de l’énergie)

L’énergie lorsqu’elle passe d’une forme à une autre, se dégrade et apparaît sous forme de chaleur.

L’organisme vivant est caractérisé par la diversité et la complexité de la structure.

Pour lutter contre cette tendance au désordre, l’organisme utilise l’énergie chimique (une énergie de haute qualité). L’organisme la restitue sous forme d’énergie de Low Teel (chaleur) à l’environnement.

Respiration cellulaire.

oxygène

Réserve de graisse (tissu adipeux)

Energie disponible (utile)

Energie chimique (macromolécules)

Energie osmotique

(transport)

Energie mécanique

Travail mécanique (Wméca)

Chaleur

H2O

Biosphère

Quelques millions d’années plus tard.

Q


Tout a été transformé en chaleur

les aliments contiennent une énergie potentielle :


L’ATP est rattaché à ce système.
I) Les apports nutritionnels :

I)1) les aliments (assemblage complexe)

On recherche dans notre alimentation les nutriments situés dans les aliments :

Pain

Glutène

Amidon

Vitamines

Protides

Protéine

Peptides

Acides aminés

Glucides

Mono-saccharide : ose.

Disaccharide : lactose saccharose.

Polysaccharide : amidon.


Alcool

Apport énergétique

Lipides

Corps gras



O2

°C

H2O

Bombe calorimétrique :

On brûle un aliment dans une bombe calorimétrique, on observe :

G(glucide) + O2 CO2 + H2O + E.

E = 4,1 Kcal/g.

L(lipide) + O2 CO2 + H2O + E.

E = 9,45 Kcal/g.

Protide + O2 CO2 + H2O + E.

Ingesta

Excreta

2000

50

1950

E = 5,65 Kcal/g.

On étudie ici le CUD (coefficient d’Utilisation Digestive) :

CUD =

Qi – Qe

Qi

Qi : quantité ingérée

Qe : quantité excrétée
Si, par exemple, on ingère une bille, elle ressortira intact, alors :

CUDbille =

1 – 1

1


= 0

Sur 2000 Kcal ingérée, notre organisme en prélève 1950 grâce à la digestion (CUD) et rejette environ 50Kcal.

CUD =

2000 – 50

2000

=

1950

2000

= 97%




Pour les glucides :

CUDG = 100%

Pour les lipides :

CUDL = 95%

Poule les protides :

CUDP = 78 à 97%

Nombre de calorie par gramme de substances

Glucides 4Kcal/g.

Protides 4Kcal/g.

Lipides 9Kcal/g.

Alcool 7Kcal/g.
Les dépenses énergétiques
Tous les aliments sont convertis en énergie disponible grâce à l’utilisation de l’O2, ces aliments seront transformés en chaleur mais aussi pour une petite part en travail externe rendu à l’environnement.
1- La DE au repos

Comment mesurer cette dépense énergétique (DE) ?

En considérant que tous sera converti en chaleur.

  1. Par calorimétrie directe : on enferme un sujet dans un calorimètre (chambre fermée qui empêche les échanges avec l’extérieur). On étudie ensuite la dépense de chaleur par un serpentin contenant de l’eau car on connaît le débit de l’eau à l’entrée et à la sortie du tube. C’est une technique très peu utilisée car nécessite un calorimètre assez grand pour y faire rentrer un homme.

  2. Par mesure de la quantité d’O2 utilisée car l’énergie est rendue disponible grâce à l’O2 respiré. Les nutriments qui sont oxydés libèrent du CO2, H2O voire de l’urée  on regarde alors la quantité d’O2 consommée.


Combien, la combustion de glucose, produit d’énergie ?

C6H12O6 + 6CO2  6CO2 + 6H2O + 686 Cal, c’est une expérience qui est faite in vitro mais les conditions de combustion in vivo sont identiques et produisent la même quantité d’énergie.

Sachant qu’une mol d’O2 représente 22,4 L d’O2 et que les 686 Cal sont apportées par 6 molécules d’O2, on en déduit que cette combustion apporte environ 5,1 Cal/L d’O2.

Cette valeur est appelée Valeur Energétique du Litre de O2 lors de l’utilisation du Glucose. On peut effectuer la même expérience pour les AG et les protéines.

VELO2LUG = 5,1 Cal/l O2

VELO2LUL = 4,66 Cal/l O2

VELO2LUP = 4,64 Cal/l O2




La quantité d’O2 utilisée pour la combustion met à la disposition une moyenne de 4,85 Cal/l O2.

Il suffit donc pour connaître la DE calculer la consommation d’O2. La DE s’exprime en Cal/min.

La quantité d’O2 présente en permanence dans l’organisme est très faible car il n’y a pas de forme de stockage, sans O2 on meurt en 3 minutes. Le peu de réserves peut quand même faire le système tampon pour améliorer l’adaptation à un effort physique.

Si on mesurait la DE d’un sujet assit, il faudrait le faire après ces trois minutes d’adaptation.
2- Analyse factorielle de la DE

  • Métabolisme basal MB

C’est la consommation d’O2 exprimée en litres d’O2 par heure ou en Cal/min chez un sujet en situation de jeun (12h) protéique (18h). Cet état physiologique élimine l’état de digestion dans un environnement thermique neutre, au repos musculaire depuis ou moins 30 Minutes et aussi au repos émotionnel (sans stress). On mesure en fait la DE qui est liée uniquement à la survie.

Ces conditions ne sont plus utilisées car on a remarqué que le métabolisme du sommeil descend encore plus bas.

Métabolisme au repos MR, on le mesure chez les personnes à jeun d’environ 12 h. Il faut savoir que le MR dépend de la dimension corporelle, du travail de certains organes comme le cœur, les reins, le foie … Cet ensemble d’activité est plus grand chez les personnes grandes. IL faut donc le rapporter à la dimension corporelle que l’on mesure de différentes façons.

La meilleure normalisation utilisée est de diviser le MR par P 0,75 qui représente la masse active du sujet c’est-à-dire ce qui coûte de l’énergie au repos comme par exemple le diaphragme(pour la respiration) à la différence du squelette qui est la masse inactive.
Actuellement, on prend préférentiellement la surface corporelle qui est quand même moins bon pour l’homogénéisation.

SC est trouvée dans les abaques (document graphique) en fonction du sexe, de la taille, du poids. Pour un adulte moyen jeune, la SC est de 1,73 m².

Chez un homme de 25 ans le MB est de 37 Cal/m²/h avec une SC de 1,73 m²  37 x 1,73 x 24 = 1540 Cal  c’est la dépense de fond qui est le coût de la vie.

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