Travaux dirigés
Dépense énergétique
Dr GHOMARI-BOUKHATEM H
• Origine de l’énergie depuis LAVOISIER
Nutriments +O2 H2O + Energie
L’homme = transformateur d’énergie chimique en d’autres formes d’énergie.
• Le métabolisme énergétique est l’ensemble des processus de transformation de l’énergie indispensable au maintient de la vie, à la croissance et à la reproduction des organismes.
• La dépense énergétique d’un individu est divisée en trois composantes:
• Le métabolisme basal • La thermogénèse
1. Le métabolisme de base ou métabolisme basal
Le seul fait d'exister nécessite de l'énergie, il existe une production d'énergie de base, appelée métabolisme de base, liée à la vie des cellules et à l'activité minimum de base des appareils assurant les grandes fonctions (circulation, respiration, excrétion, digestion) et le tonus musculaire.
C’est l’énergie utilisée au repos par le corps pour le fonctionnement des organes comme le tube digestif, les reins, le cerveau, le cœur, c’est la composante principale (60-70%) de la dépense énergétique.
Cette dépense énergétique de base se définit alors comme étant, chez un individu adulte, la quantité d'énergie dépensée lorsqu'il est au repos, à jeun depuis une douzaine d'heures et placé dans une enceinte dont la température est telle qu'il n'ait à lutter, ni contre le froid, ni contre la chaleur.
1.1 Facteurs influent sur cette dépense énergétique de base :
• le sexe : la femme ayant une masse adipeuse plus importante et un taux d'hormones sexuelles plus faible, son métabolisme de base est de 5 à 10% inférieur à celui de l'homme
• l'âge : l'enfant et l'adolescent ont au cours de la croissance, qui est une période de constitution (synthèses protéiques) et de développement, un métabolisme de base supérieur à celui de l'adulte. A l'âge adulte, l'activité métabolique de base diminue d'environ 2% tout les 10 ans.
• la surface corporelle : la valeur du métabolisme de base est proportionnelle à la surface corporelle qui diffère d'un individu à l'autre. Elle est déterminée à partir de la taille et du poids (masse corporelle) du sujet
2. Activité physique
L’activité physique d’un individus est l’énergie utilisée au cours des déplacements, des activités ménagères, professionnelles, sportives; c’est le second poste de la dépense énergétique (20-30%)
• C'est le facteur qui apporte les plus grandes modifications au métabolisme énergétique, puisque toute activité musculaire est productrice d'énergie, dont 20 à 25% est transformée en énergie mécanique et 75 à 80% en énergie thermique.
• Cette dépense énergétique est proportionnelle à la masse musculaire mise en jeu et à l'intensité et à la durée du travail musculaire effectué.
3. La thermorégulation
• La thermorégulation étant l'ensemble des mécanismes thermorégulateurs chargés d'assurer une égalité entre la production de chaleur (thermogenèse) et sa déperdition (thermolyse), toute variation de la température extérieure, au dessous ou au dessus de 20 à 22° (zone de neutralité thermique) entraînant une production d'énergie et, de ce fait, augmentera la dépense énergétique.
• La lutte de l'organisme contre le froid (augmentation de la thermogenèse) et contre le chaud (augmentation de la thermolyse) sera donc génératrice de dépenses énergétiques supplémentaires, nécessitant, de ce fait, une alimentation adaptée.
• Ainsi, lors d'exposition prolongée au froid, la valeur du métabolisme peut atteindre jusqu'à 4 fois sa valeur.
• L'action dynamique spécifique des aliments
• L'assimilation métabolique des aliments consommés entraîne une augmentation de la thermogenèse. Cette dépense énergétique supplémentaire est due, en effet, à la digestion, à la résorption et à la transformation des substances nutritives et va varier en fonction de la nature des nutriments ingérés. • Ainsi, l'action dynamique spécifique des glucides, représente
une augmentation de la dépense énergétique totale à l'ordre de 5 à 9%, de 3 à 4% pour les lipides, de 15 à 20% pour les protéines.
• La thermogénèse alimentaire est l’énergie utilisée pour assurer la digestion, l’absorption intestinale, le stockage des aliments, cette composante ne représente que 10% de la dépense énergétique totale.
• Chaleur de combustion des aliments:
c’est la valeur calorique maximale, on la mesure avec la bombe calorimétrique: le nutriment est placé dans un creuset, lui-même placé dans une enceinte d’acier solide et étanche. Un filament que l’on peut chauffer par le passage d’un courant est au contact du nutriment. Une valve permet le remplissage par l’O2 sous pression, l’ensemble est placé dans un calorimètre et le nutriment est brulé, on mesure la chaleur dégagée.
Chaleur de combustion Cal/g Amidon 4,1
Glucose 3,69 Graisse 9,4 Protéines 5,65 Ethanol 7,1
• Valeur calorique physiologiquement utilisables
• Pertes digestives: les organisme n’absorbent pas intégralement les aliments ingérés. Il faut corriger les quantités ingérées de quantités perdues dans l’excrétion digestive.
Le coefficient d’utilisation digestive brut est: CUD= (ingéré-Excrété)/ingéré X 100
Perte urinaires: pour les lipides et les glucides elles sont
négligeables chez le sujet normal. Pour les protéines l’urée correspond à une perte d’énergie de 1,25 Cal/g de protéines. Coefficients pratiques globaux de conversion calorique: en corrigeant les valeurs obtenues à la bombe calorimétrique par le CUD et les pertes urinaires, on obtient:
Méthodes de mesure de la dépense énergétique 1- Méthode de calorimétrie directe.
Cette méthode de référence est réservée au domaine de la recherche ; une chambre calorimétrique est un dispositif encombrant, onéreux, difficile à mettre en œuvre. Cela permet la quantification des différentes composantes de la perte de chaleur
2- Méthodes de calorimétrie indirecte.
Cette méthode repose sur l’équivalence entre l’énergie utilisée dans l’organisme et celle convertie à partir de l’oxydation des nutriments. Il est donc possible d’utiliser la consommation globale d’oxygène comme témoin de la dépense d’énergie. La mesure des échanges gazeux respiratoires (consommation d’oxygène, et production de gaz carbonique) peut être réalisée en chambres calorimétriques, dans des conditions où le sujet pourra reproduire ses activités quotidiennes. La mesure peut également être réalisée sous une cagoule ventilée. Cet appareil est plus léger et ne permet que des mesures limitées dans le temps, (métabolisme de base et effet thermique des aliments). Les échanges gazeux respiratoires sont couramment mesurés avec un embout buccal en physiologie du sport ; la dépense énergétique au cours d’un exercice peut être évaluée ainsi.
2-1 La méthode à l'eau doublement marquée
La méthode à l’eau doublement marquée est également une mesure de calorimétrie indirecte qui permet de déterminer la dépense énergétique totale dans les conditions habituelles de vie. Elle consiste à faire ingérer au sujet un mélange d’eau marquée sur l’oxygène (18O) et sur l’hydrogène (deutérium). L’oxygène est plus rapidement éliminé que le deutérium et cette différence de vitesse d’élimination dépend de la production de CO2. La mesure de la différence d’élimination du deutérium et de l’oxygène 18 dans les urines permet le calcul de la production de CO2 et de la dépense énergétique.
2.2 La méthode d’enregistrement de la fréquence cardiaque :
Elle est basée sur la relation linéaire étroite existant entre la fréquence cardiaque et la dépense énergétique, pour des activités physiques d’intensité croissante. Cette méthode peut être utilisée dans des études épidémiologiques pour évaluer les dépenses énergétiques moyennes de groupes de personnes. Il suffit alors de disposer d’un enregistrement de la fréquence cardiaque.
2.3. La méthode des accéléromètres
Cette méthode permet de quantifier et d’enregistrer l’intensité de mouvement selon un ou trois axes au cours d’une activité physique, et de le convertir en dépense d’énergie.
2.4. La méthode factorielle
Elle
permet d’évaluer les dépenses énergétiques journalières et fragmentaires d’un individu à partir de l’enregistrement du type et de la durée des activités pratiquées au cours de la journée, et du coût énergétique unitaire de chaque activité. Ce dernier peut être exprimé en multiples du métabolisme de base pour uniformiser les données entre les individus.3. LE CONCEPT DE QUOTIENT RESPIRATOIRE
La transformation de l’énergie chimique contenue dans les macronutriments en une autre énergie chimique utilisable par l’organisme, l’ATP, passe par des réactions de phosphorylation oxydative qui vont, in fine, consommer de l’oxygène et produire du gaz carbonique. On appelle quotient respiratoire le rapport entre la quantité de gaz carbonique produit par l’oxydation totale d’un substrat (VCO2) sur la quantité d’oxygène nécessaire à cette oxydation complète (VO2).
Le quotient respiratoire varie en fonction du substrat considéré. Schématiquement, il est égal à 1 pour les glucides, à 0,7 pour les lipides et à 0,8 pour les protides. Chez l’homme, le calcul du quotient respiratoire à partir de la mesure de la VCO2 et de la VO2 informe sur la nature des substrats oxydés. Plus le quotient respiratoire mesuré se rapproche de l’unité, plus l’organisme utilise les glucides pour assurer son besoin d’ATP. Lorsque le quotient respiratoire se rapproche de 0,7, les lipides sont alors un substrat privilégié pour la fourniture d’ATP. La mesure du quotient respiratoire sur 24 heures réalisée chez un grand nombre de sujets appartenant à des familles différentes montre une agrégation familiale du quotient respiratoire.
Il existe des familles dont le quotient respiratoire est élevé et des familles dont le quotient respiratoire est plus bas. Les familles qui ont un quotient respiratoire plus bas oxydent une plus grande quantité de lipides par 24 heures et, face à une alimentation hyperlipidique, constitueront moins de réserve et prendront moins de poids que les familles disposant d’un quotient respiratoire élevé. Il existe une relation entre la typologie des fibres musculaires et le quotient respiratoire. Plus la proportion de fibres de type I dans le muscle est importante (fibres à contraction lente, résistantes, sollicitées pendant les efforts d’endurance et équipées pour oxyder facilement les acides gras), plus le quotient respiratoire est bas et plus l’adiposité corporelle totale est réduite. Les sujets noirs américains ont une plus faible proportion de fibres de type I et une plus forte proportion de fibres de type IIA (fibres rapides puissantes et glycolytiques) que les caucasiens. Cette différence peut contribuer à expliquer le risque accru d’obésité dans la population noire américaine.
La mesure du quotient respiratoire (QR) est parfois utile à la prescription diététique. En effet, pour maintenir un poids stable il faut que les apports énergétiques et les dépenses énergétiques soient équivalents mais aussi que les substrats sources d’énergie soient oxydés en quantités égales à leurs apports. Il est possible de calculer aisément le quotient respiratoire théorique d’une alimentation mixte (ou quotient alimentaire QA) dès lors que l’on connaît les contributions relatives des glucides, lipides et protides (voire de l’alcool) qui la composent.
Ainsi une alimentation apportant 55 % de glucides (QR = 1), 35 % de lipides (QR = 0,7), 10 % de protides (QR = 0,8) aura un quotient alimentaire égal à :
Toute personne qui ingère des quantités de glucides, de lipides et de protides juste suffisantes pour couvrir ses dépenses énergétiques et dans des proportions ci-dessus indiquées, devra avoir un quotient respiratoire des 24 heures égal au quotient alimentaire calculé, c’est à dire égal à 0,875, pour maintenir un poids stable. Un quotient alimentaire inférieur au quotient respiratoire signifie que la contribution des lipides à la ration alimentaire dépasse les capacités d’oxydation lipidique de l’organisme et place le sujet à risque de prise de poids. Inversement un quotient alimentaire supérieur au quotient respiratoire place le sujet en situation favorable à la perte de poids.
