Parcours Biologie & Santé – Semestre 5 THERMOREGULATION

UNIVERSITE HASSAN II-MOHAMMADIA FACULTE DES SCIENCES BEN M’SICK

DEPARTEMENT DE BIOLOGIE

THERMOREGULATION

Parcours Biologie & Santé – Semestre 5

Module de Physiologie des Grandes Fonctions

Objectifs

Ce cours s'intéresse à la physiologie de la régulation de la température corporelle des espèces homéothermes y compris l’Homme. Ses objectifs majeurs sont:

- Connaître l’origine de la chaleur corporelle - Savoir les limites de l’homéothermie

- Connaître les modalités de transfert thermique et les méthodes de mesure du métabolisme thermique

- Connaître les mécanismes comportementaux et

autonomes de lutte contre le froid et ceux de lutte contre la chaleur

- Connaître certaines situations physiopathologiques Capables de modifier la T° centrale.

Introduction

La température est un paramètre fondamental pouvant agir sur de nombreuses fonctions physiologiques de

l’organisme, telles que:

- La vitesse des réactions métaboliques

- L’association des ligands avec leurs récepteurs - La cinétique des canaux ioniques

- La fluidité des membranes biologiques - L’équilibre acido-basique

Températures limites de survie

- Cyanobactéries des sources chaudes : 73 –75 ° C - Bactéries thermophiles : 92 ° C

- Larve d’une mouche : 102 ° C pendant 1 mn - Les W d’un crustacé : 80 ° C (3 mois)

103 ° C (16h) - Abeilles : 48 – 50 ° C

- Fourmis de sable : 46,5 – 53,6 ° C (qq mn)

- Hyménoptère : - 17,5 ° C / sa larve : - 47 ° C - Diptère en Alaska : - 60 ° C

- Des poissons polaires nagent à - 1,8 ° C

- Certaines tortues et grenouilles survivent à - 8 ° C.

La respiration cellulaire est partiellement couplée à la phosphorylation de l’ADP: phosphorylation oxydative

I- Origine de la chaleur de l’organisme

+

Poïkilothermes=Ectothermes

=Animaux à sang froid Poissons, Amphibiens et

Reptiles

Hétérothermes

Hibernation, Torpidité et Estivation

Homéothermes=Endothermes

=Animaux à sang chaud Oiseaux et Mammifères

II-Classification des anmx

Spermophilus beldingi

C’est l’aptitude que possèdent les oiseaux et les mammifères à maintenir leur T ° corporelle constante en dépit des fluctuations de la T °

ambiante, grâce à des mécanismes autonomes et comportementaux.

Définition de l’homéothermie

III- Métabolisme thermique 1-M é tabolisme de base

- Toute variation du MB de 10% sera pathologique - MB théorique = 70.P(Kg)^0,75 Kcal/24h

- Unités: Kcal/h/Kg, Kcal/h/m², W/Kg, W/m².

2- M é thodes de mesure du m é tabolisme

- Calorimétrie directe

- Calorimétrie alimentaire - Calorimétrie respiratoire

ex. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 680 Kcal

volume de CO2 dégagé Quotient respiratoire (QR)=

volume de O2 consommé (G= 1; L= 0,7 et P= 0,8)

quantité d’énergie produite Coefficient thermique (CT)=

volume d’O2 consommé 5 Kcal/L

- Moment de la journée : + 0,5 ° C entre 6h et 18h - Plateau thermique du cycle menstruel

- Saison: un peu plus élevée en hiver qu’en été

3- Variations de la T ° centrale

- Age

- Sexe: T ° f > de 0,2 ° C à T ° h - Position pour la mesure

en position assise, T ° r < de 0,3 ° C à 0,4 ° C par rapport à T ° r mesurée en position debout

- Alimentation, stress, émotion, colère T ° de 0,5 ° C - Ingestion d’alcool: T ° r ou selon la dose ingérée - Exercice physique T ° r.

4- Variations de la T ° centrale

la T ° centrale est aussi influencée par - Le jeûne

- Les hypothyroïdies et les hyperthyroïdies - La présence d’agents infectieux

- L’existence de phéochromocytome - L’existence de tumeurs malignes

- Le syndrome d’hypermétabolisme de Luft*

- L’hyperthermie maligne

* Syndrome de Luft : défaut de couplage entre respiration et phosphorylation

TCI TCS

Zone d’hypothermie

Zone de thermo- régulation chimique

Zone de thermo- régulation physique

Zone de neutralité th. Zone d’hyperthermie

5-Marge de régulation thermique

L'évolution du métabolisme et de la température

centrale en fonction de la température ambiante permet de définir 3 zones (homme nu, à jeu, au repos) :

- La zone de neutralité thermique (entre 20 et 32°) ou la température centrale est maintenue avec un

métabolisme minimum

- La zone de régulation au froid (en dessous de 20°) coûteuse en énergie et peu efficace puisque la

température centrale ne peut être maintenue en dessous de 15° de température ambiante

- La zone de régulation au chaud (au dessus de 32°) efficace et peu coûteuse en énergie.

IV-Transferts thermiques

Homéotherme divisé en 2 parties

- Noyau: Homéotherme, thermogénétique (muscles et viscères)

- Périphérie: Poïkilotherme, thermolytique (tissus sous cutanés et peau) 1-Transfert thermique

*Noyau Périphérie

Conductance de tissu en tissu, Convectance sanguine

*Périphérie Ambiance

Conduction, Convection, Radiation et Evaporation.

Un homme de 65 Kg au repos 1872 Kcal/j Reins 0,29 Kg

Cœur 0,29 Kg Poumons 0,60 Kg Cerveau 1,35 Kg Viscères 2,5 Kg

5 Kg

1355,3 Kcal/j 72,4%

Peau 5 Kg Muscles 27 Kg Autres 27,97 Kg

60 Kg 516,7 Kcal/j

27,6%

2- Importance du noyau dans la thermogénèse

p.100 de la production totale d'énergie

Organes

Territoires splanchniques 20,4 pendant le jeûne

7,2 Rein

4,8 Téguments

Muscles squelettiques au 20 repos

13,2 Myocarde

18,4 Cerveau

0,2 Squelette et autres tissus

3- Comparaison de la thermogénèse de différents organes

4- Rapport Surface/Poids Adultes

- grosse masse corporelle par rapport à la surface - gros stock de chaleur

- petite surface relativement pour les échanges

Nouveau né

- masse corporelle très petite - très grande surface cutanée

- échanges thermiques pouvant être rapides par rapport au stock de chaleur

- réchauffement ou refroidissement bcp plus rapide : décès très rapide par hyperthermie ou hypothermie.

S/P

S/P

5- Modalités des transferts thermiques

Conduction

échanges par contact entre la peau et les solides ou fluides

W

h

T

T

A

T_k: T de la substance en contact avec la peau T_sk: T cutanée

h_k: coefficient d’échanges par conduction A_k: surface de contact

- h_k est bcp plus faible dans l’air que dans l’eau

- en plongée sous-marine sans combinaison isolante et dans une eau même si elle est à 33°C, on pourrait mourir de froid sous L’effet de l’hyperbarie profonde.

Convection

échanges entre 2 milieux se déplaçant l’un par rapport à l’autre (peau et fluide)

W

h

T

T

A

T_a: T du fluide T_sk: T cutanée

h_c: coefficient d’échanges par convection A_c: surface cutanée exposée

- modulée par: la surface (posture, vêtements), le sens du gradient thermique, la climatisation et l’état vasomoteur périphérique

- à une Ta de + 4°C avec un vent de 30 km/h, on se refroidit comme s’il faisait - 8°C.

Radiation

Rayonnement électromagnétique émis par les corps en f^on de leur T et reçu par eux selon leurs propriétés de S

W

h

T

T

A

T_W: T des parois T_sk: T cutanée

h_R: coefficient d’échanges par radiation A_k: surface cutanée exposée aux échanges

Dans 1 pièce vide: pas de radiations (sauf celles des murs et du sol) Dans 1 pièce encombrée: les objets émettent des radiations qu’on transforme en chaleur (sensation de réchauffement).

Evaporation

580 Kcal par L d’eau évaporée

W

h

P

P

A

P: pressions partielles de vapeur d’eau

h_E: coefficient d’échanges par évaporation A_E: surface cutanée mouillée

WE max: 20000 Kj/j si pertes hydriques compensées et HR < à 75 %.

Etude d’un cas:

T° de la pièce: 21°C

VI- Lutte contre le froid

1-Définition de la thermogénèse - Thermogénèse basale ou MB - Thermogenèse adaptative

(thermogenèse régulatrice) dépense énergétique provoquée par des modifications de l’environ-

nement tels que le froid, un excès de prise

alimentaire, une infection microbienne ou virale

– Thermogenèse provoquée par l’exercice.

2- Systèmes mis en jeu par l’hypothalamus postérieur

● Le système extra pyramidal

frissons thermiques, 5xMB, fatigant, épuisant des stocks glucidiques «Thermogénèse avec frisson »

● Le système nerveux adrénergique -horripilation des poils

- vasoconstriction

- libération des catécholamines surrénales pour augmenter le M de certains tissus essentiellement

le TAB et MSS «Thermogenèse sans frisson »

Nouveau-né: voies extrapyramidales immatures, mais présence de TAB.

3- Réponses thermogénétiques à long terme ou adaptation au froid

- Développement de l’isolation thermique: plumage, pelage, fourrure, graisse (2 cm chez le phoque).

Graisse

Masse viscérale

Isolant

Phoque

- Echangeurs thermiques des extrémités

Échangeurs thermiques à contre-courant.

Localisation

-Veines jugulaires

-Veines sous clavières -Aorte thoracique

-Aorte dorsale -Cœur

-Reins

Localisation du TAB

(centrale calorifère) plus stratégique et particulière

- Développement de la graisse brune ou TAB

Hypothalamus Moelle épinière

Fibres sympathiques

Adipocyte brun Vaisseaux sanguins Adipocyte blanc de l’adipocyte

Lipolyse Vasodilatation Lipolyse GlycérolAGL Mitochondries

de l’adipocyte brun

Chaleur

NA NA

VII- Méthodologie de la recherche d’une thermogénèse sans frisson:

In vivo

1- Marge de régulation thermique 2- Décalage thermique

3- Perfusion iv d’une solution d’Adrénaline (mammif.) ou de Glucagon (oiseaux)

4- Perfusion d’une solution d’un bb adrénergique 5- Curarisation de la jonction neuromusculaire 6- Dénervation du muscle strié squelettique.

Méthodologie de la recherche d’une thermogénèse sans frisson:

In vitro

(préparation d’une suspension mitochondriale à partir du tissu siège)

1- Etude morphologique

2- Etude fonctionnelle: découplage de la phosphorylation oxydative par oxygraphie avec réalisation des tests à l’ADP et aux AGL sur une suspension mitochondriale.

MSS acclimaté au froid MSS acclimaté à la chaleur

1- Etude morphologique

Acclimaté

à la NT Acclimaté au Froid

2-Mise en évidence du phéno- mène de découplage de la

phosphorylation oxydative.

ADP

ADP ADP

ADP

ADP ADP

ADP ADP succinate

succinate

succinate

Mitoch. Mitoch.

succinate

Chaîne respiratoire

Etat de repos

Etat stimulé

ATP

Synthétase

GDP

UCP : Protéine découplante

Membrane

mitochondriale interne

Acyl CoA ADP+P ADP+P

ATP ATP

Découplage de la phospho- rylation oxydative

3- Protéines modulatrices du découplage de la phosphorylation oxydative

- Adipocytes bruns dissipent la plus grande partie de l’énergie des oxydations sous forme de chaleur à l’aide d’une protéine de la membrane interne mitochondriale appelée UCP1 (uncoupling protein 1) (Gène murin Ucp1) - Faible contribution du gène UCP1 dans le contrôle du poids corporel chez l’homme

- Gène UCP2 s’exprime dans la plupart des tissus et types cellulaires

- Gène UCP3 est exprimé principalement dans les MSS.

Ad, NA Médullosurrénale Frisson thermique

Corticosurrénale

Hypothalamus

Cortisol Thyreolibérine TRH Adénohypophyse Thyréostimuline TSH

Thyroïde

Vasoconstriction Thyroxine périphérique Vitesse du métabolisme

- Glycogénolyse - Lipolyse

- Vasocon.périph.

- Vasod.TAB,MSS

FR O ID

4- Importance des hormones calorigéniques

Adaptations comportementales

Lutte contre le froid

- Regroupement ,

ex. Manchot empereur de l’antarctique:

Groupement en colonies (des milliers). Couvaison de l’W/2 mois à -40°C et à jeun d’où perte pondérale de 0,2Kg/j - Mise en boule ou

pelotonnement, ex. Lama pelotonnée : diminution de la conduct. thermique de 5 fois (variation du DS) - Léchage

Ex. la brebis et son agneau

Adaptation à la chaleur

* Adaptations comportementales

- Terrier des petits mammifères (ex. Gerboises) Profondeur: 1 mètre environ

Températures: 30 °C

Taux d’humidité: 70-80% alors que

Le sol extérieur pourrait atteindre 70 °C ! - Mode de vie nocturne

- Migration vers des régions tempérées - Toilettage

- Salivation - Bain

- Boue - Léchage

- Variation de l’orientation du corps par rapport au soleil - Queue parasol

- Habilles amples et balanchâtres - Régime sans sel

Les réactions comportementales

* Adaptations morphologiques

- Pelage court et clair maintenir une T° plus basse qu’un pelage foncé ( guépard, addax) diminution de la déshydratation

- Longues pattes surface corporelle éloignée du sol brûlant - Longs oreilles

- Plumage des oiseaux (isolant thermique) les sauriens peuvent rester des heures en plein soleil

Ecailles très épaisses « dos étanche » à l’évaporation.

* Adaptations physiologiques

- Seuil critique de déshydratation

15% chez les mammifères, 30% chez le dromadaire - Economie d’eau au niveau du rein

- Production d’une urine très concentrée, voir semi-solide (Autruche)

- Augmentation du rapport medulla/cortex

- Augmentation de la T corp. (ex 40°C) par rapport à la Ta pour ne pas «transpirer» (dromadaire, oryx)

- Circulation avec échangeur de chaleur (gazelles, antilopes) - Faible MB

- Faible taux de renouvellement d’eau

- Grande capacité de production d’eau métabolique - Oxydation préférentielle des lipides

(1g 1,1g d’eau)

Rq. 1g de glucides 0,3g d’eau - Recyclage d’eau expiré au niveau des voies respiratoires.

Les Fulmars

Le rete carotidien, organe de refroidissement cérébral chez différents mammifères. D'après Laburn et al. (J. Physiol., 406, 331, 1988), modifié.

Participation du système endocrinien à la thermolyse

- Bradykinine

Vasodilatation - ADH ou AVP

Réabsorption rénale d’eau - Aldostérone

Réabsorption rénale de Na+

Classification des hypothermies

- les hypothermies légères de 34 à 32 °C

- les hypothermies modérées entre 32 et 28 °C - les hypothermies profondes entre 28 et 20 °C - les hypothermies sévères en-dessous de 20 °C L’hypothermie peut être provoquée (hypothermie

thérapeutique au cours de certains actes chirurgicaux), ou accidentelle par exposition au froid.

Temp

corporelle en °C Clinique

Stade

35 - Conscient, frissons 32

1

32 - Conscient sans frissons 28

2

28 - Inconscient 24

3

24 - 15 Mort apparente ?

4

<

15 Décès ?

5 _L^{a C}

ommission Internationale de Secours Alpin

(d’après la définition de la Croix-Rouge Américaine) Niveaux de gravité des effets de la chaleur

Les Hyperthermies

La fièvre

- Tr > 37,5 le matin ou > 37,8 le soir

- Mesurée au lever ou après 20mn de repos - Enregistrée à distance des repas

- Importance de l’évaluation de la fièvre lors des frissons ou des poussées sudorales

- La fièvre de référence est tympanique.

Traitement de la fièvre: les antipyrétiques

*Paracétamol, 60mg/Kg/j en 4 ou 6 prises

*Ibuprofène et Kétoprofène

anti-inflammatoires non stéroïdiens),

20-30mg/Kg/j en 3 ou 4 prises

*Aspirine

60mg/Kg/j en 4 ou 6 prises

cyclo-oxygénases synthèse des prostaglandines.

Enfant de moins de 3 ans :

Paracétamol 15mg/Kg

heures Aspirine, 15mg/Kg Ibuprofène, 10mg/Kg

V- Contrôle nerveux

Thermorécepteurs périphériques

au chaud: pic de fréquence de décharge vers 40°C au froid: pic de fréquence vers 30°C

Thermorécepteurs centraux

Territoire splanchnique, gros troncs veineux, moelle

épinière, hypothalamus

Centres thermorégulateurs et effecteurs

- Commande vasomotrice par le SNS adrénergique - Sudation par des fibres cholinergiques

- Frisson par les voies motrices extrapyramidales puis les fibres a des nerfs périphériques.

Centre de la thermogenèse:partie postérieure de l’hypothalamus

Une variation de moins de 1°C du sang irriguant l’hypothalamus suffit à provoquer une réaction de

thermolyse ou de thermogenèse importante

Neurones activés par une élévation de la température

Neurones activés par une baisse de la température Centre de la thermolyse : partie

antérieure, dans l’aire préoptique

Centres thermorégulateurs

Hypothalamus=principal centre d’intégration de la thermorégulation (rôle de thermostat)