L'Homme et son environnement

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L'Homme et son environnement

• Aspects bioénergétiques
• Marc Zelter
• CHU Pitié-Salpêtrière

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• La BIOENERGETIQUE a pour objet létude des
  échanges globaux dénergie des organismes vivants
• La thermorégulation permet dassurer ces échanges
  à température centrale constante

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• LHOMEOSTASIE est le maintient de certaines
  grandeurs physico-chimiques du milieu intérieur
  très proche dune valeur donnée dite grandeur de
  référence, en dépit des perturbations qui tendent
  à les en écarter. Ces grandeurs sont dites
  régulées

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• Pour une régulation donnée chaque organisme
  choisit un compromis de réponses selon une
  stratégie qui lui est propre
• Lhomme, le carnivore ou le ruminant ont besoin
  dénergie et doivent évacuer de la chaleur en
  maintenant leur température centrale constante
  mais les voies métaboliques et les mécanismes
  thermorégulateurs diffèrent selon les espèces

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Biosystème et Ecosystème

• Un être vivant peut être considéré comme un
  biosystème.
• Un système est un ensemble déléments matériels
  ayant des interactions entre eux
• Ces relations fondent son organisation
  fonctionnelle
• Tout ce qui est extérieur au biosystème est
  lécosystème

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• Un biosystème ne peut pas être défini par son
  énergie interne W (seules ses variations sont
  mesurables) mais on peut le caractériser par
  certaines propriétés dont la première est
  dassurer sa survie donc une continuelle
  auto-réplication de sa forme et de sa structure

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• Pour lutter contre la mort (le désordre en terme
  thermodynamique) il doit en permanence se
  maintenir hors déquilibre en assurant sans arrêt
  le renouvellement de ses molécules et le
  maintient des grandeurs dites de tension des
  compartiments qui le composent

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• Pour cela le biosystème doit produire du travail
• - travail de synthèse chimique
• - travail osmotique
• - travail mécanique fait sur des forces
  internes ou externes

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• Un biosystème est donc un système ouvert
• Il tire son énergie de la transformation de la
  matière empruntée à lécosystème
• Il rejette de lénergie dans lécosystème,
  matière et chaleur
• Tout bilan bioénergétique inclut nécessairement
  un bilan de matière

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• Les transformations de matière et dénergie dun
  biosystème sont désignées sous le terme de
  métabolisme

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• Lénergie est transformée à trois niveaux
• 1- la photosynthèse lénergie radiante est
  transformée en énergie chimique. Cest la
  propriété exclusive du monde végétal dit
  autotrophe
• 2- la respiration lénergie chimique empruntée
  au monde végétal est libérée par oxydation. Cest
  la propriété du monde animal dit hétérotrophe
• Ces deux mondes vivent en symbiose

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• 3- le travail cellulaire dont la forme varie
  selon les cellules
• travail mécanique interne la force appartient au
  biosystème comme pour le travail de contraction
  musculaire du myocarde
• travail interne de synthèse chimique
• - travail osmotique rénal
• - travail mécanique externe la force appartient
  à lécosystème comme pour le muscle squelettique

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• Les réactions de fusion nucléaire solaire sont
  par lintermédiaire de la photosynthèse la source
  unique de toute énergie biologique sur terre

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Flux dénergie dans le monde animal

• Les processus oxydatifs, dits de respiration,
  sont la source de lénergie du monde animal
• Toute lénergie produite par le monde animal
  provient exclusivement de la scission oxydative
  des molécules organiques, directement ou
  indirectement produites par le monde végétal, et
  qui portent le nom de nutriments ou substrats
  énergétiques

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Transformation de lénergie dans la cellule

• La biosynthèse, système ouvert, siège de
  processus irréversibles, loin de léquilibre,
  obéit nécessairement aux lois et principes de la
  thermodynamique
• Ces lois ne prennent en compte que les aspects
  macroscopiques de la transformation (P, V, T,
  composition chimique)
• Elles ne prennent pas en compte les étapes
  intermédiaires de la transformation (principe de
  létat initial et de létat final) ni létat
  atomique de la matière

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• Toute transformation obéit aux deux principes de
  la thermodynamique

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Principes de la thermodynamique

• Lénergie se conserve quand elle se transforme
• corollaire seul compte létat initial et létat
  final
• Lénergie se dégrade quand elle se transforme
• corollaire lentropie de lunivers augmente

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• La masse des biosystèmes constitue une part de
  lunivers de moindre entropie
• Le plus grand ordre qui la caractérise nest
  obtenu quau prix dune augmentation de
  lentropie de lécosystème
• Le vivant rejette de lentropie et lensemble
  bio-écosystème évolue de façon telle que
  lentropie augmente

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Application du premier principe de la
thermodynamique

• Le premier principe ne sera envisagé que sous
  langle des transformations énergétiques
  survenant au terme des réactions doxydation des
  substrats

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Concept denthalpie

• Lenthalpie est lénergie maximum libérable au
  cours dune réaction doxydation
• ?H ?W à P et V constant
• ?H peut uniquement être mesurée par réaction
  explosive dans un calorimètre sous forme de
  libération de chaleur
• Cest lénergie produite par lorganisme à partir
  dun substrat énergétique à condition que les
  produits terminaux soient les mêmes,
  indépendamment de la voie métabolique choisie

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• En physiologie la variation denthalpie ainsi
  mesurée est égale à la valeur énergétique dun
  nutriment
• On lexprime par mole de substrat oxydé ou plus
  habituellement par gramme

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• Inversement comme la quantité doxygène
  nécessaire à loxydation est liée de manière
  univoque et stochiométrique à la quantité de
  substrat oxydé on peut exprimer lenthalpie en
  litres doxygène STPD entrant dans la réaction
• On parle alors déquivalent énergétique de
  loxygène

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• Pour un substrat que lorganisme ne peut pas
  totalement dégrader lenthalpie sera la chaleur
  dégagée pour arriver au stade de dégradation
  possible dans lorganisme considéré

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• Par exemple, pour les protéines qui ne peuvent
  pas être dégradée au delà de lurée, lenthalpie
  liée à la dégradation de lurée en ses composants
  par oxydation devra être déduite de lenthalpie
  totale de la dégradation de la protéine en ses
  composants élémentaires pour calculer lenthalpie
  des protéines dans lorganisme

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Application du deuxième principe

• Le travail maximal Wm quune machine thermique
  peut libérer sous forme de travail mécanique à
  partir de lénergie Q quelle absorbe est donnée
  par le principe de Carnot
• WmQ x (T1-T2) / T1 Q - (Q/T1) / T2
• Le facteur Q/T1 est lentropie (S)
• Il correspond à la part dénergie non convertible
  en chaleur

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• Le travail, encore appelé énergie libre
• parce que représentant lénergie fournie
  convertible sexprime par
• Travail énergie libre Q - T?S

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• La chaleur ne peut pas être utilisée par les
  biosystèmes pour convertir lénergie en travail
  car les réactions doxydo-réduction se font à T,
  P, V constants et en solutions diluées
• Il ny a pas de différence de température à
  lintérieur de la cellule qui permette de
  transformer la chaleur en travail

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Notion dénergie libre

• Or le but de la cellule est de faire du travail à
  partir de lenthalpie des substrats
• Lénergie libre G, dite énergie de Gibbs, se
  définit comme la part de lénergie totale dun
  système qui peut être transformée en travail en
  conditions isothermes

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• ?G ?H - T?S
• On sait calculer G dans les conditions standard
  (G0)
• Lénergie libre de Gibbs représente la quantité
  maximale dénergie que peut donner une mole de
  substrat lorsquelle est oxydée en conditions
  isothermes

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Exemple de travail interne le cœur gauche

• Le cœur gauche produit une énergie potentielle
  par synthèse chimique très supérieure à celle
  quil restitue sous forme de travail
• Lénergie consommée est mesurée par la
  consommation en oxygène du myocarde

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Réserves énergétiques

• Lapport énergétique chez lhomme est discontinu
  alors que les dépenses sont variables mais
  permanentes
• Lorganisme doit donc disposer de réserves de
  substrats dont loxydation fournira lénergie
  dans lintervalle des apports

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Réserves de substrat

• Les réserves énergétiques quantitativement les
  plus grandes sont constituées par les graisses et
  le glycogène hépatique et musculaire,
  quantitativement faible mais fonctionnellement
  important, éventuellement par les protéines de
  constitution

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Réserve énergétique

• La réserve énergétique la plus importante est
  contenue dans les tissus adipeux.
• Cest le moyen de stocker le plus dénergie sous
  le poids le plus faible et sous forme du substrat
  le plus énergétique
• La libération des substrats est sous contrôle
  neuro-hormonal complexe

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• Les réserves sous forme dATP sont faibles et en
  partie sous forme de créatinine phosphate
  hydrolysable (15 KJ)
• Les réserves théoriques couvrent 70 jours de
  fonctionnement pour une dépense moyenne de 100W,
  sous réserve dapports en eau, vitamines et
  oligoéléments

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Mesure des échanges dénergie

• Calorimétrie directe mesure de la chaleur
  produite
• Calorimétrie indirecte entrée dénergie sous
  forme denthalpie des substrats
• Dans tous les cas il devra être tenu compte de la
  variation de masse du sujet qui représente sa
  variation dénergie interne

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Exemples de dépenses dénergie
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Dépense de fonds

• La dépense énergétique se décompose en
• 1- la somme des dépenses variables liées à
  lactivité musculaire, la thermorégulation, la
  thermogenèse alimentaire
• 2- la dépense de fond
• lorsque lorganisme est au repos musculaire
  absolu, à la température de neutralité thermique,
  à jeun cest à dire dans les conditions basales

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• La dépense de fond représente le minimum
  irréductible au dessous duquel ne peut pas
  descendre la dépense énergétique lorsque
  lorganisme est placé dans les conditions
  basales, cest à dire après suppression de toutes
  les dépenses contingentes
• La dépense de fond est remarquablement fixe chez
  un sujet donné

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• Lexistence de la dépense de fond et sa fixité
  indiquent que le maintien pur et simple de la vie
  exige une dépense dénergie invariable chez un
  sujet donné
• Le travail de synthèse chimique représente 80 de
  la dépense de fond. Les 20 restants sont pris
  par dautres formes de travail

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Loi des surfaces
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Loi des surfaces et similitudes biologiques

• La loi de similitude biologique exprime que les
  êtres vivants de même niveau dorganisation sont
  bâtis sur un modèle semblable en dépits
  daberrations ou de fantaisies comme le cou de la
  girafe et la queue du rat

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• La loi repose sur lanalyse dimensionnelle des
  grandeurs et 4 axiomes
• 1- Il existe une similitude géométrique entre les
  êtres vivants L1/L2 l
• 2- Les masses volumiques sont égales r1 r2
• 3- Les temps biologiques homologues sont dans le
  même rapport que les dimensions linéaires T1/T2
  l
• 4- Le rapport des volumes L3 et des masses r3 est
  L13/L23 l3

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Conséquences de la loi des similitudes

• On peut obtenir des dimensions biologiques
  normalisées qui permettent de comparer des
  individus entre eux
• Débit cardiaque/surface corporelle index
  cardiaque
• Tous les sujets normaux ont le même index
  cardiaque, modulo la variabilité statistique

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• Il y a égalité des grandeurs intensives
• Températures
• Pressions (artérielles, osmotiques)
• Concentrations

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Métabolisme de base
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• Chez ladulte sain la valeur du métabolisme de
  base est de 45 à 50 Watts par m2
• Il est faible à la naissance 40 Watts par m2
• Il monte à 60 à 65 Watts par m2 à 6 ans puis
  décroît jusquà 25 ans
• Il reste stable jusquà un age avancé puis
  décroît à 40 Watts par m2
• Toute déviation de plus de 10 est pathologique

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Thermorégulation

• Lhomme est en fait un animal tropical amenant
  avec lui son environnement tropical
• Scholander et al 1950

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• Lorganisme se décompose du point de vue de la
  thermorégulation en deux zones, le noyau et
  lécorce
• Le noyau est la zone de production de chaleur
• Il est constitué des organes perfusés par le sang
  artériel dont la température est maintenue
  constante
• Il représente environ 80 de la masse corporelle

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• Le noyau nest pas une fraction constante de la
  masse corporelle
• Les différents organes ont des activités
  métaboliques différentes et qui varient avec
  lactivité
• La température du sang veineux efférent est donc
  différente dun organe à lautre et toujours
  supérieure à celle du sang artériel à lexception
  de la peau

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• La température du sang veineux mêlé est inchangée
  après passage dans les poumons et donc la même
  que celle du sang artériel
• Le but de la thermorégulation est dassurer la
  moindre variation de température du sang artériel
  perfusant les organes

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• La température rectale Tre est un index
  acceptable de la température artérielle
• La température centrale varie de 36,5 à 37 C
• dun individu à lautre
• Elle suit un cycle circadien

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• Le reste de la masse corporelle constitue
  lécorce
• On admet que la température de lécorce est celle
  du revêtement cutané sus jacent
• Pour simplifier on admet que la température de la
  peau est la même en tout point Tcut
• Elle varie avec la température extérieure 33C à
  25 C, 35 C à 34 C
• La chaleur produite par le noyau sécoule à
  travers lécorce

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• La température de la peau doit toujours permettre
  le transfert de chaleur du noyau à la périphérie
• La peau est le lieu de dissipation de la chaleur
  vers lextérieur

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Transport de chaleur du noyau à la peau

• Par conduction physique au sein des tissus
  (négligeable)
• Par convection sanguine (circulation cutanée)

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Modes déchanges de la chaleur avec
lenvironnement

• Par conduction liée à la différence de
  température entre la peau et le milieu
• Par radiation
• Par convection (libre ou forcée)
• Par évaporation

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Effecteurs de la régulation

• La vasomotricité cutanée
• Le tissus musculaire et le frisson thermique
• La sudation, seule efficace lorsque la
  température ambiante est supérieure à la
  température cutanée
• Seule la sueur évaporée est efficace
• La perspiration (évaporation deau à travers la
  peau et les voies aériennes) nest pas une
  réponse thermorégulatrice chez lhomme

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Schéma de principe dune régulation

• Notion de rétro-action ou feedback négatif

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Régulations conscientes et culturelles

• Vêtements, comportements acquis, abris etc.

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