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METABOLISME ENERGETIQUE MITOCHONDRIAL DANSDES SITUATIONS DE PERTE DE POIDS
Jean-François Dumas
To cite this version:
Jean-François Dumas. METABOLISME ENERGETIQUE MITOCHONDRIAL DANSDES SITUA- TIONS DE PERTE DE POIDS. Biochimie [q-bio.BM]. Université d’Angers, 2004. Français. �tel- 00128547�
UNIVERSITE D’ANGERS Année : 2004 N° ordre : 624
METABOLISME ENERGETIQUE MITOCHONDRIAL DANS DES SITUATIONS DE PERTE DE POIDS
THESE DE DOCTORAT
Spécialité : Biologie cellulaire et moléculaire
ECOLE DOCTORALE D’ANGERS
Présentée et soutenue publiquement Le : 10 novembre
à : ANGERS
par : Jean-François DUMAS
Devant le jury ci-dessous :
M. Bernard FROMENTY (Rapporteur), Chargé de Recherche, INSERM M. Eric FONTAINE (Rapporteur), Docteur, Université Joseph Fourier M. Charles COUET (Examinateur), Professeur, Université de Tours M. David MACHEREL (Examinateur), Professeur, Université d’Angers M. Yves MALTHIERY (Examinateur), Professeur, Université d’Angers
Directeur de thèse: M. Patrick RITZ, Professeur, Université d’Angers
Nom et coordonnées du Laboratoire :
Laboratoire de Biochimie et de Biologie Moléculaire, INSERM EM 00.18, CHU, 4 rue Larrey, 49033 ANGERS cedex 01
ED 363
Je tiens à remercier vivement :
Messieurs Eric Fontaine et Bernard Fromenty,
Sensible à l’intérêt que vous avez bien voulu porter à ce travail, en acceptant d’être rapporteurs et ceci en dépit de vos charges, je vous prie de croire en ma profonde reconnaissance.
Messieurs Charles Couet, David Macherel et Yves Malthièry,
Pour l’attention que vous avez portée à ce travail et pour l’honneur que vous me faites en acceptant d’être examinateur malgré vos nombreuses charges, recevez ici l’expression de mon profond respect. Je remercie également, Monsieur Yves Malthièry, pour son accueil au sein du laboratoire de Biochimie et de Biologie Moléculaire.
Monsieur Patrick Ritz,
Avec enthousiasme, disponibilité, efficacité et sympathie, vous avez encadré ces années de recherche. Vous avez pris une part prépondérante dans ma formation de jeune chercheur et m’avez donné l’envie d’aller plus loin. L’excellence est assez rare pour que l’on puisse la souligner. Vous resterez à jamais un exemple pour moi.
Angers Agglomération
Pour avoir soutenu le projet et financé mon salaire durant toute la durée de la thèse.
Monsieur Gilles Simard,
Pour votre temps passé à lire et corriger les articles et le manuscrit de cette thèse.
Messieurs Jean-Pierre Renou et Guy Bielicki,
Pour votre collaboration précieuse et efficace sur les expériences de RMN.
Monsieur Damien Roussel,
Pour m’avoir fait partager vos connaissances techniques et intellectuelles sur la bioénergétique mitochondriale.
Mesdemoiselles, Mesdames et Messieurs Miriam Ryan, Laëtitia Lagoutte, Agnès Sallé, Françoise Foussard, Olivier Douay, Pierre-Henri Ducluzeau, Gyasi Johnson, Matthieu Arvier, Florent Favreau
Pour les discussions et conseils lors des réunions, pour la correction de l’anglais des articles et pour l’aide technique dans certaines expériences.
Un travail de thèse c’est aussi tout ce qui se passe hors de la paillasse et hors du labo. Pour tous ces très bons moments, autour d’un café ou autres boissons, autour d’un pique-nique, à faire du vélo…je tiens aussi à remercier très chaleureusement, Agnès, Anne, Arnaud, Aurélie, Carole, Caroline, Catherine, Cathy, Charline, Christelle, Chrystèle, Damien, Dany, Delphine, Fabien, Florent, Gilles, Gyasi, Hélène, Jean-Fred, Julie, Julien, Laëtitia, Marc, Matthieu, Mireille, Miriam, Nikki, Olivier, Patrick, Stéphanie, Valérie, Véro. Je doute qu'un travail de thèse puisse se dérouler dans une ambiance plus sympathique que celle que vous avez su créer.
Je m’en voudrais de ne pas également remercier très amicalement, Anne, Dominique, Florence, Frédérique, Jean-Luc, Jocelyne, Philippe, Pascal, Patrice, Patricia, Yves, qui ont aussi contribué à rendre ce parcours plus agréable.
Enfin merci à ceux qui auront fait l’effort de lire ces remerciements jusqu’au bout…
A mes parents,
A ma sœur,
A ma famille.
« La théorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c'est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi. Ici, nous avons réuni théorie et pratique : Rien ne fonctionne et personne ne sait pourquoi ! »
Albert Einstein
Abréviations
∆ψ : potentiel de membrane
∆p : force proton-motrice
ADNc : acide désoxyribonucléique complémentaire ADP: adénosine 5'-diphosphate
AGL : acides gras libres
ANT : translocase des nucléotides adényliques ARNm: acide ribonucléique messager
ATP: adénosine 5'-triphosphate COX : cytochrome c oxydase CS : citrate synthase
DEXA : absorptiométrie bi-photonique DNP : dinitrophénol
EDL : muscle extenseur long des doigts
FADH2 : flavine adénine dinucléotide hydrogénée
FCCP : carbonylcyanide-p-trifluorométhoxyphenylhydrazone GDPHmt : glycérol phosphate deshydrogenase mitochondrial GR : récepteur aux glucocorticoïdes
HK : hexokinase IL-1β : interleukine 1β
NADH : nicotinamide-adénine dinucléotide hydrogéné NF-κB : facteur nucléaire κB
O : oxygène
PCr : créatine phosphate PF : pair-fed
PGC-1 : coactivateur-1, gamma des récepteurs activés par les proliférateurs des peroxysomes PIF : facteur d’induction de la protéolyse
PPAR-α : récepteur gamma activé par les proliférateurs des peroxysomes RMN : résonance magnétique nucléaire
ROS: molécules réactives dérivées de l'oxygène rT3 : tri-odo-thyronine inverse
SAB : sérum albumine bovine SD : succinate deshydrogénase SOD : superoxyde dismutase T2 : di-iodo-thyronine T3 : tri-odo-thyronine T4 : tetra-iodo-thyronine
TMPD : N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine TNF-α : facteur de nécrose de tumeur
UCP : protéine découplante
VIH : virus de l'immuno-déficience humaine
LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES
LISTE DES TABLEAUX ET DES FIGURES
TABLEAUX
Tableau 1. Etudes sur la dépense d’énergie en cas de perte de poids. verso page 19 Tableau 2. Métabolisme énergétique mitochondrial hépatique. verso page 35 Tableau 3. Métabolisme énergétique mitochondrial musculaire. verso page 36
FIGURES
Figure 1. Chaîne respiratoire mitochondriale. verso page 8
Figure 2. Tracé d’oxygraphie. verso page 10
Figure 3. Consommation d’oxygène en fonction du potentiel
de membrane. verso page 11
Figure 4..Complexe IV ou cytochrome c oxydase. verso page 13 Figure 5. Action de la restriction calorique sur le métabolisme
énergétique de mitochondries de foie. verso page 50
Figure 6. Mode d’action de la dexaméthasone sur le métabolisme
énergétique de mitochondries de foie. verso page 89
Figure 7. Mode d’action de la dexaméthasone sur le métabolisme
énergétique de mitochondries de muscle squelettique. verso page 90
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS 1
FONCTIONS ENERGETIQUES MITOCHONDRIALES DANS LES SITUATIONS DE PERTE DE POIDS: RESTRICTION CALORIQUE ET HYPERCATABOLISME. 8
I. Introduction 9
II. Régulation du rendement de la conversion d'énergie mitochondriale. 10
A. Découplage extrinsèque de la phosphorylation oxydative 11
1. Perméabilité membranaire. 11
2. Fuite de protons inductible 12
B. Découplage intrinsèque de la phosphorylation oxydative 14
1. Stœchiométrie H+/e- 14
2. Stœchiométrie H+/ATP 15
III. Les situations de perte de poids. 17
A. La perte de poids volontaire. 18
1. Perte de poids volontaire et dépense d'énergie du corps entier 18
2. Quels sont les mécanismes de cette adaptation ? 21
a) La masse des organes métaboliquement actifs 21
b) Profil hormonal 21
(1) Hormones thyroïdiennes 21
(2) Leptine 22
c) Métabolisme énergétique mitochondrial: 25
(1) au niveau du foie. 26
(2) au niveau du muscle squelettique. 27
B. La perte de poids involontaire. 30
1. Perte de poids involontaire et dépense d'énergie du corps entier 31
2. Quels sont les mécanismes et causes responsables de cet état d’hypermétabolisme ? 33
a) Inflammation et modifications endocriniennes 33
b) Phénomènes consommant de l'ATP 33
c) La masse des organes métaboliquement actifs 34
d) Augmentation de l’activité des protéines découplantes 37
e) Métabolisme énergétique mitochondrial 35
(1) au niveau du foie. 36
(2) au niveau du muscle squelettique. 36
IV. Conclusion 38
RESTRICTION CALORIQUE ET METABOLISME ENERGETIQUE MITOCHONDRIAL 39
Article 1 52
Article 2 59
DEXAMETHASONE ET METABOLISME ENERGETIQUE MITOCHONDRIAL 77
Article 3 92
Article 4 102
Article 5 108
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 125
BIBLIOGRAPHIE 129
FICHES TECHNIQUES 159
Fiche technique n° 1. Isolement de mitochondries de foie 161
Enrichissement en mitochondries de foie (homogénat) 161
Fiche technique n° 2. Isolement des populations mitochondriales musculaires 163
Enrichissement en mitochondries de muscle (homogénat) 164
Fiche technique n° 3. Dosage protéique par spectrophotométrie 165
Fiche technique n° 4. Dosage enzymatique des complexes de la chaîne respiratoire par spectrophotométrie 166
Fiche technique n° 5. Détermination de la consommation d’oxygène mitochondriale par l’utilisation d’une électrode sensible à l’oxygène 175
Fiche technique n° 6. Détermination du potentiel de membrane par l’utilisation d’une électrode sensible au TPMP 179
Fiche technique n° 7. Détermination de la relation entre la consommation d’oxygène mitochondriale et le potentiel de membrane en condition non-phosphorylante 182
Fiche technique n° 8. Détermination de la relation entre la consommation d’oxygène mitochondriale et le potentiel de membrane en condition phosphorylante 185
Fiche technique n° 9. Détermination de la synthèse d’ATP par spectrophotométrie 188 Fiche technique n° 10. Détermination du rapport ATP/O 190
Fiche technique n° 11. Quantification des cytochromes par spectrophotométrie 193 Fiche technique n° 12. Dosage de la concentration de glycogène par
spectrophotométrie 194
AVANT-PROPOS
Depuis 2000, le laboratoire de Biochimie et de Biologie Moléculaire développe un thème de recherche animé par le professeur Patrick Ritz et centré sur la régulation de la conversion énergétique mitochondriale chez le patient en situation de perte pondérale influencée par l’état nutritionel. Les premières études sur ce sujet, peu exploré à l’époque, ont débuté à mon arrivée, par des travaux sur des modèles expérimentaux animaux qui font partie de ma thèse d’université.
La dénutrition est un processus dynamique qui résulte d’un déséquilibre entre apports alimentaires et dépense d’énergie. Les conséquences sont multiples en termes de mortalité augmentée, de morbidité et d’économie de santé: altération des fonctions immunitaires et musculaires (autonomie), augmentation des durées et des coûts de séjour, diminution de la qualité de vie (Morley, 1998). La dénutrition concerne tout particulièrement les personnes âgées, avec une prévalence variant entre 5 et 85% selon les groupes, en fonction de leur situation clinique et pathologique. De plus, un état de dénutrition peut intervenir très rapidement (quelques jours), ce qui fait que cette pathologie se rencontre fréquemment chez les personnes hospitalisées. Il s'agit donc d'une problématique de santé publique à cause de la gravité des conséquences, du coût social et de l'incidence importante de cette pathologie.
Dans tous les cas, la dénutrition relève d'un déséquilibre entre apports et besoins. Elle peut être consécutive à un défaut d'apport (restriction calorique et ses conséquences adaptatives) et/ou à une augmentation des besoins (état d'hypercatabolisme et son environnement physiopathologique). Cette distinction claire est parfois schématique et les situations cliniques réelles sont parfois plus intriquées. Ainsi, par exemple chez les personnes âgées, la dénutrition résulte d'une réduction des apports alimentaires (anorexie liée à l'âge, défaut d'adaptation de l'alimentation et de l'appétit; Wilson et al., 2002), d’une anorexie induite par la maladie et c'est souvent le facteur prédominant (Reilly, 2002). La dénutrition peut également résulter d'une augmentation de la dépense d'énergie. Bien que celle-ci soit généralement modérée (environ 10% en cas de fracture du col du fémur; Paillaud et al.., 2000) cela est suffisant pour entraîner un déficit énergétique chronique (Ritz et Elia, 1999). Ces deux causes de perte de poids apparaissent donc intimement liées en pathologie. D’un autre côté, une restriction calorique de quelques jours est aussi un phénomène fréquemment rencontré en médecine (préparation pour explorations fonctionnelles, situation pré-opératoire).
En cas de restriction calorique, le métabolisme de base s'adapte et génère un système d'économie (Blanc et al., 2003). A l’inverse, l’état d’hypercatabolisme est paradoxal, puisque
la dépense d’énergie est augmentée, malgré des apports alimentaires réduits (Cunningham, 1990; Schwenk et al., 1996; Chiolero et al., 1997; Paillaud et al., 2000). Cependant, quelle que soit la situation de perte de poids considérée, les mécanismes impliqués dans les modifications de dépense d’énergie sont discutés. Parmi ceux-ci, il est tout à fait envisageable que l’efficacité de synthèse de l’ATP mitochondriale soit modifiée, induisant en retour une modification de la consommation d’oxygène du corps entier. En effet, plus de 90% de la consommation d’oxygène de repos est d’origine mitochondriale, dont environ 80% couplée à la synthèse d’ATP et 20% perdue sous forme de chaleur (Rolfe et Brown, 1997). Cependant ce rapport ATP/O (efficacité de la phosphorylation oxydative) n’est pas constant. Par conséquent, pour une demande en énergie (ATP) donnée, la consommation d’oxygène correspondante sera diminuée si l’efficacité de la phosphorylation est améliorée. A l’inverse, la consommation d’oxygène sera augmentée si le rapport ATP/O est diminué. Il est de plus envisageable que ces modifications se déroulent entre autres dans le foie et les muscles squelettiques, qui participent pour 50% au métabolisme de base (Rolfe et Brown, 1997).
Le but des travaux de cette thèse était donc l’étude du métabolisme énergétique mitochondrial et de l’efficacité de la phosphorylation oxydative en particulier, dans deux modèles de rats avec perte de poids (restriction calorique et dénutrition) à court terme (quelques jours). L’étude du métabolisme énergétique consistait à déterminer l’ensemble des mécanismes intervenant dans l’efficacité de la phosphorylation oxydative (respiration mitochondriale, synthèse d’ATP, fuite de protons, activité et efficacité de la chaîne respiratoire, quantification de l’expression de gènes codant pour des protéines de la chaîne respiratoire).
La première partie de la thèse consiste en l’étude bibliographique du métabolisme énergétique mitochondrial et ses relations avec la restriction calorique et l’hypercatabolisme.
La deuxième partie, concerne les différents travaux où nous avons étudié les modifications du métabolisme énergétique de mitochondries isolées dans les deux modèles de perte de poids (rat restreint en calories et rat traité par dexaméthasone).
Pour le modèle de restriction calorique, nous avons étudié l’impact de 3 jours de restriction calorique (50% des apports alimentaires) sur le fonctionnement de la chaîne respiratoire de mitochondries isolées de foie (premier article). Dans le deuxième article, nous avions formulé l’hypothèse que l’adaptation du métabolisme énergétique des mitochondries de foie était d’une part proportionnelle à l’intensité de la restriction calorique
(rats restreints de 25, 50 et 75%), et que d’autre part, elle pouvait être sous le contrôle de la tri-odo-thyronine (T3) et/ou de la leptine (analyse de corrélation pas à pas entre les paramètres respiratoires et les concentrations plasmatiques des deux hormones).
Pour le modèle de dénutrition, dans le troisième article, nous avons déterminé l’impact spécifique d’un traitement par dexaméthasone (5 jours à raison de 1,5 mg par jour et par kg) sur le métabolisme énergétique de mitochondries de foie et de muscles squelettiques.
Dans le quatrième article, nous nous sommes intéressés tout particulièrement à la relation entre le potentiel de membrane et la consommation d’oxygène en condition non- phosphorylante (respiration état 4-oligomycine), ceci afin de déterminer la fuite de protons et/ou l’efficacité de la chaîne respiratoire à former le potentiel de membrane dans des mitochondries de foie et de muscles squelettiques chez les rats traités par dexaméthasone.
Le but du cinquième article, était d’analyser in vivo (résonance magnétique nucléaire du phosphore 31) le métabolisme énergétique (détermination des concentrations en ATP, PCr) de muscles squelettiques de rats traités par dexaméthasone.
Au cours de ces travaux, j’ai été amené à mettre en place les techniques d’isolement des mitochondries (cf. fiches techniques n°1 et 2), de mesure de la consommation d’oxygène sur mitochondries isolées de foie et de muscles (oxygraphie; cf. fiche technique n°5), de mesure de l’efficacité de la phosphorylation oxydative (rapport ATP/O avec un système enzymatique, hexokinase + glucose, générant des concentrations différentes et non-saturantes d’ADP; cf. fiche technique n°10). Ces techniques sont couramment utilisées en routine. J’ai aussi été amené à utiliser la technique de la mesure du potentiel de membrane (technique apportée par Damien Roussel).
Au cours (et à la suite) de cette thèse, j’ai été amené à participer à une étude humaine (thèse de Agnès Sallé) dont le but est l’analyse du métabolisme énergétique (au niveau du corps entier et de mitochondries musculaires) chez des personnes obèses soumises à 6 mois de restriction calorique. Dans cette étude, je réalise les mesures de respiration sur fibres musculaires perméabilisées. J’ai aussi débuté une étude humaine qui a pour objectif de déterminer le métabolisme énergétique (au niveau du corps entier et de mitochondries musculaires) chez des personnes dénutries et ayant une fracture du col fémoral.
Ce travail de thèse a donné lieu aux publications et communications suivantes :
Publications
1) Food restriction affects energy metabolism in rat liver mitochondria. BBA 2004, 1670: 126-131.
Dumas JF, Roussel D, Simard G, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
2) Food restriction induces an adaptation in liver mitochondrial energy metabolism: a role for leptin ? Soumis à Diabetes.
Dumas JF, Jonhson G, Roussel D, Savagner F, Gallois Y, Malthièry Y, Simard G, Ritz P.
3) Mitochondrial energy metabolism in dexamethasone-induced undernutrition model.
Br J Nutr. 2003, 90: 969-977.
Dumas JF, Simard G, Roussel D, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
4) Dexamethasone treatment specifically increases the basal proton conductance of rat liver mitochondria. FEBS Lett. 2003 Apr 24;541(1-3):75-9.
Roussel D, Dumas JF, Augeraud A, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Simard G, Ritz P.
5) Dexamethasone impairs muscle energetics, studied by 31P NMR, in rats. Sous presse dans Diabetologia.
Dumas JF, Bielicki G, Renou JP, Roussel D, Ducluzeau PH, Malthièry Y, Simard G, Ritz P.
Communications Orales
Effet de différentes intensités de restriction calorique sur le métabolisme mitochondrial hépatique chez le rat. Congrès Groupe Français de Bioénergétique, septembre 2003.
Dumas JF, Roussel D, Johnson G, Simard G, Sallé A, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
Adaptation des fonctions mitochondriales à la restriction calorique chez le rat. Forum des Jeunes Chercheurs, juin 2002.
Dumas JF, Simard G, Roussel D, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
Affichées
Effets in vivo et ex vivo d'un traitement par dexamethasone sur le métabolisme mitochondrial du muscle squelettique chez le rat. Congrès ALFEDIAM, mars 2004.
Dumas JF, Bielicki G, Roussel D, Renou JP, Simard, G, Malthièry Y, Ritz P.
Le foie participe à l’hypermétabolisme associé à un traitement par dexamethasone chez le rat. Congrès ALFEDIAM, mars 2003.
Dumas JF, Simard G, Roussel D, Sallé A, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
Augmentation spécifique de la fuite de proton mitochondriale dans le foie chez le rat traité par dexaméthasone. Relation avec le potentiel redox des mitochondries hépatiques.
Congrès ALFEDIAM, mars 2003.
Roussel D, Dumas JF, Augeraud A, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Simard G, Ritz P.
Le foie participe à l’adaptation du métabolisme énergétique à la restriction calorique chez le rat. Congrès Journées Francophones de Nutrition, novembre 2002.
Dumas JF, Simard G, Roussel D, Sallé A, Douay O, Foussard F, Malthièry Y, Ritz P.
Autres publications
Oral supplements differing in fat and carbohydrate content: effect on the appetite and food intake of undernourished elderly patients. Clin Nutr. 2004 Aug;23(4):683-9.
Ryan M, Sallé A, Favreau AM, Simard G, Dumas JF, Malthièry Y, Berrut G, Ritz P.
Kinetics and control of oxidative phosphorylation in rat liver mitochondria after dexamethasone treatment. Biochem J. 2004 Jun 3.
Roussel D, Dumas JF, Simard G, Malthièry Y, Ritz P.
Effects of changes in water compartments on physiology and metabolism. Eur J Clin Nutr. 2003 Dec;57 Suppl 2:S2-5.
Ritz P, Sallé A, Simard G, Dumas JF, Foussard F, Malthièry Y.
Adaptation de la dépense énergétique à la restriction calorique. Cahier de nutrition et de diététique 2003, 38, 4, 2003.
Dumas JF, Sallé A, Ritz P.
Thyroid hormones and obesity. Ann Endocrinol (Paris). 2002 Apr;63(2 Pt 1):135-9.
Ritz P, Dumas JF, Sallé A, Simard G, Malthièry Y, Rohmer V.
Processing of vegetable-borne carotenoids in the human stomach and duodenum. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2003 Jun,284(6):G913-23.
Tyssandier V, Reboul E, Dumas JF, Bouteloup-Demange C, Armand M, Marcand J, Sallas M, Borel P.
FONCTIONS ENERGETIQUES MITOCHONDRIALES DANS LES
SITUATIONS DE PERTE DE POIDS: RESTRICTION CALORIQUE ET
HYPERCATABOLISME.
I.Introduction
Les organismes aérobiques synthétisent l'ATP principalement par deux voies, (1) la glycolyse dans le cytosol et (2) la phosphorylation oxydative sur la membrane interne de la mitochondrie chez les eucaryotes. La phosphorylation oxydative représente la source majoritaire d'énergie, puisqu’elle fournit 17 fois plus d’ATP que la glycolyse, pour une même quantité de glucose dégradée.
La synthèse d'ATP par la mitochondrie est donc principalement couplée à la consommation d'oxygène et représente 80% de la consommation d'oxygène au niveau de la mitochondrie (Rolfe et Brown, 1997). De plus, 90% de la consommation d'oxygène de repos (métabolisme de base), chez les mammifères, est d'origine mitochondriale (Rolfe et Brown, 1997). Il apparaît donc que la respiration et la synthèse d'ATP au niveau de la mitochondrie sont deux éléments au centre du métabolisme énergétique.
La respiration consiste en une série de réactions d'oxydo-réduction, de donneurs d'électrons (NADH + H+ et FADH2), provenant de la dégradation de métabolites (hydrates de carbone, acides gras, acides aminés), vers un accepteur final, l'oxygène (cf. figure 1). Ce transfert d'électrons a lieu au sein de la chaîne respiratoire et met en jeu des accepteurs d’électrons (l'ubiquinone et le cytochrome c) et 4 complexes enzymatiques (le NADH déshydrogénase ou complexe I, la succinate déshydrogénase ou complexe II, le cytochrome c réductase ou complexe III et la cytochrome c oxydase ou complexe IV). Les complexes I, III et IV permettent en plus le pompage de protons au travers de la membrane interne mitochondriale vers l'espace intermembranaire, aboutissant ainsi à un gradient électrochimique de protons ou force proton-motrice (∆p) qui est la somme du potentiel de membrane (∆Ψ) et du gradient de pH (∆pH). Une quatrième pompe à protons, le complexe F0-F1 ATP-synthétase, utilise l'énergie de la force proton-motrice pour coupler le retour de protons vers la matrice mitochondriale avec la phosphorylation d'ADP en ATP. Le phosphate inorganique (Pi), nécessaire pour cette réaction, est importé dans la mitochondrie par le transporteur de phosphate. L’ATP formé est exporté dans le cytosol, en échange d'ADP, par la translocase des nucléotides adényliques (ANT). L'ensemble représente ainsi la phosphorylation oxydative et permet la synthèse d'ATP à partir de nutriments selon la théorie du couplage chimiosmotique (Mitchell, 1961).
La mitochondrie obéit à un grand principe de la thermodynamique qui stipule que l'énergie n'est ni créée, ni détruite, mais uniquement transformée d'une forme en une autre.
C'est le principe de la conversion d'énergie. De plus, selon le deuxième principe de la
thermodynamique cette conversion d'énergie ne peut pas se faire avec un rendement de 100%, une partie de l'énergie étant convertie en chaleur. La notion de rendement de la conversion d'énergie est donc primordiale pour la mitochondrie et toute activité métabolique s’accompagnera d’une dissipation de l’énergie sous forme de chaleur ou thermogenèse.
D’un autre côté, les demandes en énergie ne sont pas constantes et varient fortement selon l’état physiologique et pathologique. La phosphorylation oxydative est donc contrôlée principalement pour répondre à deux objectifs: (1) réguler le taux de synthèse d’ATP et donc le taux de la respiration et (2) réguler l’efficacité de la synthèse d’ATP et donc l’intensité de la thermogenèse.
S’appuyant sur les principes de thermodynamique hors équilibre, Stucki (Stucki, 1980) a introduit la notion de "missions" physiologiques pour la mitochondrie. Il a calculé 4 valeurs de degré de couplage thermodynamique q (Kedem and Caplan, 1965), partant de l’idée que la mitochondrie doit réduire l'efficacité de la phosphorylation oxydative pour produire une quantité maximale d'énergie, ou augmenter l'efficacité pour économiser la réserve d'énergie.
Pour un taux de synthèse d'ATP maximum sans regard du coût énergétique, une valeur de q égale à 0,786 a été calculée. Pour un taux de synthèse d'ATP maximal avec une efficacité optimale, une plus haute valeur (0,91) était trouvée. Pour une production plus économique d'ATP, une valeur de q égale à 0,953 était déterminée. Enfin, pour une production maximale d'ATP tout en préservant au mieux la réserve énergétique, une valeur de 0,972 était trouvée.
Le taux et l’efficacité de la phosphorylation oxydative apparaissent donc comme des paramètres très importants dans l'énergétique mitochondriale. Nous nous intéresserons ici uniquement à l'efficacité de la phosphorylation oxydative et sa régulation.
II.Régulation du rendement de la conversion d'énergie mitochondriale.
L'efficacité de la phosphorylation oxydative est définie par le rapport de la quantité d’ATP produite sur la quantité d’oxygène consommée (ATP/O). La diminution du couplage de la phosphorylation oxydative correspond à tout phénomène capable de diminuer le rapport ATP/O soit en modifiant la force proton motrice ("découplage extrinsèque") soit en diminuant l'efficacité des pompes à protons ("découplage intrinsèque") c'est à dire en diminuant la stœchiométrie H+/e- ou en augmentant la stœchiométrie H+/ATP
A.Découplage extrinsèque de la phosphorylation oxydative
Ce phénomène implique tous les composés ou mécanismes qui augmentent la perméabilité de la membrane interne mitochondriale aux protons ou aux cations, induisant ainsi une diminution de ∆p et donc une augmentation de l'oxydation de donneurs réduits (perte d'énergie) et une augmentation de la thermogenèse. Le FCCP (Carbonylcyanide-p- trifluorométhoxyphenylhydrazone) est le parfait exemple de molécule chimique utilisée pour dégrader le gradient de protons (cf. figures 2 et 3).
1. Perméabilité membranaire.
En conditions non-phosphorylantes, le retour des protons, pompés par la chaîne respiratoire, dans la matrice est lié uniquement à la non-parfaite imperméabilité de la membrane interne. C'est Nicholls (1974) qui le premier montra que cette fuite de protons augmentait de façon non-linéaire en fonction de l'intensité du potentiel de membrane. Cette fuite de protons basale, présente dans les mitochondries de tous les tissus, a une intensité variable. Il a ainsi été montré que la perméabilité aux protons de mitochondries de foie est inversement corrélée à la masse corporelle (Porter et Brand, 1993; Brand et al. 2003), est influencée par le statut thyroïdien (cf. figure 3; Hafner et al., 1988) et diffère entre les espèces puisqu’elle est inférieure chez un reptile par rapport à celle d’un mammifère de même masse corporelle (Brand et al., 1991). Cependant, les mécanismes précis de cette fuite de protons au travers de la membrane interne de la mitochondrie restent mal connus (Rolfe et Brand, 1997;
Brand et al., 1999; Stuart et al., 2001). Parmi les hypothèses proposées, la variation de la fuite de protons pourrait s'expliquer partiellement par une modification de la surface de la membrane interne de la mitochondrie. Autrement dit plus la surface membranaire est importante (mg phospholipides totaux/mg protéines mitochondriales) et plus la fuite de protons est élevée (flux protons par mg protéines mitochondriales). Chez les mammifères, 69% de la différence de la fuite de protons liée à la masse corporelle s’expliqueraient par des changements de surface membranaire (Porter et al., 1996). Donc plus les mammifères sont petits (exemple de la souris) et plus les mitochondries de foie ont une surface de membrane interne importante et plus la fuite de protons est élevée. De même, près de la moitié de la variation de la perméabilité membranaire liée au statut thyroïdien s’explique par des changements de la surface de la membrane interne (Brand et al., 1992). D’un autre côté, il semble que la variation de la fuite de protons pourrait aussi s’expliquer par des modifications des propriétés intrinsèques de la membrane interne. Ainsi, il apparaît que la perméabilité
membranaire aux protons dépend de l'aspect de la membrane interne (Fontaine et al., 1996;
Porter et al., 1996; Brand et al., 2003). Globalement la fuite de protons mitochondriale hépatique corrèle positivement avec la concentration d'acides gras polyinsaturés, avec l’index d’insaturation des acides gras composant les phospholipides. A l’inverse elle corrèle négativement avec le taux en acides gras monoinsaturés et le taux d’acide linoléique (18:2 n- 6) (Fontaine et al., 1996; Porter et al., 1996; Brand et al., 2003). Par exemple, la composition en acides gras de la membrane interne explique les variations de la fuite de protons entre espèces (Brand et al., 1991) et celles liées à la masse corporelle chez les oiseaux (Brand et al., 2003). Dans ce dernier cas, la diminution de la perméabilité membranaire mitochondriale hépatique liée à l’augmentation de la masse corporelle s’expliquerait majoritairement par la diminution du taux en acides gras polyinsaturés et/ou par l’augmentation du taux en acides gras monoinsaturés des phospholipides (Brand et al., 2003). Cependant les mécanismes précis de cette fuite de protons dépendante de la composition lipidique restent inconnus. Il est aussi intéressant de noter que l'ajout in vitro de cardiolipines dans des mitochondries isolées de foie entraîne une fuite de protons augmentée associée avec un léger découplage de la phosphorylation oxydative (Bobyleva et al., 1997).
Cette fuite basale de protons représente une part importante du métabolisme de base.
Ainsi Rolfe et Brand (1996) ont montré que la fuite de protons de l'ensemble des organes pouvait expliquer 20-25% de la dépense d'énergie de repos chez le rat. Cependant cette fuite de protons ne serait pas seulement impliquée dans la thermogenèse, elle pourrait aussi jouer un rôle dans l'élimination des radicaux libres en diminuant le potentiel de membrane de la mitochondrie (Brand, 2000). En effet, la production de radicaux libres est dépendante de la valeur du potentiel de membrane (Korshunov et al., 1997). Ainsi, une diminution de 10% du potentiel de membrane résulte en une diminution de 75% du taux de production de radicaux libres (Korshunov et al., 1997).
2. Fuite de protons inductible
A la différence de la fuite de protons basale, la fuite de protons inductible n’est pas présente dans les mitochondries de tous les tissus.
Les protéines découplantes (UCP) apparaissent comme les premiers candidats susceptibles d’induire une fuite de protons. En effet, depuis 1997, plusieurs nouveaux gènes codant pour des protéines homologues à UCP1, protéine decouplante du tissu adipeux brun et impliquée dans la thermogenèse, ont été découverts (UCP2, 3, 4 et 5; Fleury et al., 1997;
Vidal-Puig et al., 1997; Sanchis et al., 1998; Mao et al., 1999). Cependant, ces protéines ne participent pas aux processus de thermogenèse et l’activité de découplage de la phosphorylation oxydative induite par ces UCPs est plus une conséquence de leur fonction principale qui reste encore mal connue (Collins et al., 2001; Argyropoulos and Harper, 2002;
Nagy et al., 2004). Une fonction probable de ces nouvelles UCPs serait de contrôler la production de radicaux libres de l’oxygène (ROS) (hypothèse d’un « découplage modéré »;
Skulachev, 1998; Skulachev, 1999). En effet, il a été montré que l’inactivation de l’activité d’UCP2, s’accompagne d’une augmentation de la formation de peroxyde d’hydrogène (H2O2) mitochondrial (Negre-Salvayre et al., 1997). De plus, l’invalidation des gènes UCP2 et UCP3 dans des modèles de souris transgéniques (Arsenijevic et al., 2000; Vidal-Puig et al., 2000;
Brand et al., 2002) ou l’utilisation d’oligonucléotides antisens sur des lignées cellulaires (Duval et al. 2002) ont confirmé qu’un défaut d’expression et donc d’activité de ces protéines découplantes, s’accompagnait d’une augmentation de la production de ROS. Récemment, il a été montré que les ROS et leur accumulation dans la matrice mitochondriale étaient des coactivateurs obligatoires des UCPs (Echtay et al., 2002; Echtay et al., 2002; Talbot et al., 2004). La nécessité de coactivateurs pourrait expliquer que l’augmentation de l’expression des gènes UCPs n’entraine pas toujours une augmentation de l’activité découplante de ces protéines. L’acide rétinoïque et les dérivés lipidiques de peroxydation, tel que le 4- hydroxynonenal, seraient également des coactivateurs des UCPs (Echtay et al., 2003). De même, il semble que les acides gras soient aussi capables de stimuler la fuite de protons médiée par UCP2 et UCP3, mais que ceci nécessite la présence de coenzyme Q et implique la formation de ROS (Echtay et Brand, 2001; Echtay et al., 2001; Moreno et al., 2003).
Quoiqu’il en soit, l’ensemble de ces études suggère que les radicaux libres sont capables de stimuler la fuite de protons induite par UCP3 et UCP2 directement et indirectement (via la formation de dérivés lipidiques de peroxydations). Ainsi stimulées, UCP2 et UCP3 limiteraient la formation de ROS par la chaîne respiratoire, participant ainsi à la détoxification de la matrice mitochondriale (Himms-Hagen et Harper, 2001; St-Pierre et al., 2002; Goglia et Skulachev, 2003; Schrauwen et al., 2003).
Une fuite de protons induite par les acides gras a aussi été montrée pour d’autres transporteurs d’anions mitochondriaux tels que l’ANT et l’antiport glutamate/aspartate (Samartsev et Mokhova, 1997; Wojtczak et Wieckowski, 1999).
B.Découplage intrinsèque de la phosphorylation oxydative
Ce phénomène, qui fut suggéré pour la première fois par Pietrobon et al. (1981; 1983), implique tous les composés ou mécanismes qui entrainent une diminution de l'efficacité des pompes à protons, c'est à dire qui diminuent la stœchiométrie H+/e- ou qui augmentent le rapport H+/ATP. A la différence du découplage extrinsèque, le découplage intrinsèque n'est pas couplée à une diminution de la force proton-motrice. On distingue 1) le "slip-redox" (ou
« patinage » des pompes à protons au sein de la chaîne respiratoire) qui résulte en un pompage d'un nombre réduit de protons pour un même taux de transport d'électrons dans la chaîne respiratoire, conduisant ainsi à une augmentation de l'oxydation de donneurs réduits (perte d'énergie redox) pour le maintien d'un même gradient de protons, 2) le découplage de l'ATP- synthétase (ou « patinage » de la pompe à protons au sein du complexe ATP-synthéthase) qui résulte en une stœchiométrie H+/ATP augmentée conduisant ainsi à une diminution de la synthèse d'ATP.
1. Stœchiométrie H+/e-
Un tel découplage des réactions chimiques et du pompage des protons est en théorie possible aux 3 sites de pompage des protons (complexes I, III et IV). Cependant, seul un changement de stœchiométrie H+/e- au niveau de la cytochrome c oxydase (COX) semble avoir une signification physiologique in vivo (Murphy, 1989; Papa et al., 1994). Chez les eucaryotes comme chez les procaryotes, il semble que la stœchiométrie H+/e- au niveau de la COX soit de 1 (Babcock et Wikstrom, 1992; Ferguson-Miller et Babcock 1996).
Si la variation de la stœchiométrie H+/e- au sein de la COX est maintenant bien acceptée (Murphy, 1989; Papa et al., 1994; Kadenbach, 2003), le mécanisme moléculaire de translocation des protons et en particulier le couplage entre le transport des électrons et le pompage des protons restent eux encore discutés (Wikstrom, 2000; Ludwig et al., 2001;
Richter et Ludwig, 2003). Quel que soit le mécanisme de pompage des protons, il doit impliquer une translocation d’un électron au cœur de l’enzyme (centre bi-nucléaire composé des noyaux hémiques a3 et Cub, site de réduction du dioxygène) accompagnée par le mouvement d’un proton pour maintenir une électro-neutralité (Rich, 1995; cf. figure 4). Ainsi, le transfert d’électrons de l’hème a au centre binucléaire ne peut se faire sans le transport de protons. Les modèles les plus récents proposent cette étape comme le lieu du couplage entre le transport des électrons et le pompage des protons. Les protons seraient transportés soit de l’hème a à l’hème a3 et dirigés vers l’espace intermembranaire (pompage de protons) soit de
l’hème a au centre binucléaire et utilisés pour la réduction du dioxygène en eau (pas de pompage de protons). La prépondérance de l’une ou de l’autre de ces deux voies serait sous le contrôle de l’état redox et/ou de changements conformationnels du cœur de l’enzyme, de facteurs cinétiques (intensité du flux d’électrons) et thermodynamique (intensité de la force proton-motrice) (Capitanio et al., 1996; Brzezinski et Larsson, 2003; Wikstrom et al., 2003).
Il a ainsi été montré que la stœchiométrie H+/e- de la COX diminue en fonction de l’augmentation du potentiel de membrane (Murphy et Brand, 1988), du gradient de pH et du flux d’électrons (Capitanio et al., 1991; Papa et al., 1991; Capitanio et al., 1996).
De plus, il semble que la stœchiométrie H+/e- de la COX soit aussi fonction du type de tissu et plus précisément de l’isoforme de la sous-unité VIa de la COX présente (Kadenbach, 2003). Ainsi, dans les tissus musculaires, l’isoforme VIaH a une stœchiométrie H+/e- diminuée en présence d’un fort rapport ATP/ADP mitochondrial (Frank et Kadenbach, 1996).
A l’inverse, la stœchiométrie H+/e- de l’isoforme VIaL (présente dans les tissus non musculaires) n’est diminuée qu’en présence de palmitate (Lee et Kadenbach, 2001). Une telle diminution de la stœchiométrie H+/e- de la COX pourrait induire une thermogenèse tissu spécifique.
Ces changements mécanistiques de la stœchiométrie H+/e- au sein de la COX auront d’autant plus d’impact sur l’efficacité de la phosphorylation oxydative, qu’il existe aussi, à plus long terme, une variation du nombre d’unité fonctionnelle de ce complexe enzymatique (mitogenèse). Cette adaptation quantitative a été suggérée par Piquet et al (2000), qui montrent que chez des rats soumis à une intoxication chronique par de l'éthanol, la diminution du contenu de la COX (nombre de cytochrome a + a3) est associée à une diminution de son activité, à une diminution de la perte d’énergie redox au sein de la chaîne respiratoire et à une augmentation de l'efficacité de la phosphorylation oxydative dans des mitochondries isolées de foie. Ceci a été confirmé par Nogueira et al. (2001), qui ont montré que dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques (rats hyperthyroïdiens, hypothyroïdiens, rats soumis à un régime pauvre en acides gras poly-insaturés), la diminution du taux en cytochrome a + a3 s'accompagnait d'une augmentation de l’efficacité de la chaîne respiratoire pour maintenir un potentiel de membrane donné et d’une augmentation du rapport ATP/O.
Physiologiquement, une telle variation de l’efficacité de l’activité de la COX est capable d’influencer la thermogenèse (Kadenbach, 2003), le rendement de la phosphorylation oxydative (Piquet et al., 2000) et pourrait prévenir la production de radicaux libres (Papa et al., 1997).
D'un autre côté, l'efficacité de la chaîne respiratoire à former le gradient de protons peut aussi être due à une variation de la proportion d'électrons délivrés au premier site de couplage par rapport au deuxième site de couplage. Ainsi, le nombre de protons pompés dépend du site d’entrée des équivalents réduits (cf. figure 1). Quand l’oxydation des substrats se fait préférentiellement par le complexe II (pas de pompage concomitant de protons;
oxydation des acides gras), la quantité de protons pompés par électron transféré est moindre que dans le cas où les substrats sont oxydés préférentiellement par le complexe I (pompage concomitant de protons; oxydation du glucose). Ceci peut être la conséquence de modifications physiologiques: augmentation du taux d'acides gras oxydés; ou mécanistiques:
prépondérance du transport du NADH par la navette glycerol-phosphate par rapport à la navette malate-aspartate. En effet l’oxydation du NADH, au niveau du complexe I, se fait du côté matriciel de la membrane interne mitochondriale, et cette dernière est imperméable au NADH. Les équivalents réducteurs du NADH sont donc transportés du cytosol dans la mitochondrie par l’intermédiaire de deux navettes: glycérol-phosphate et malate-aspartate.
Dans le premier cas les équivalents réducteurs sont transportés du NADH cytosolique à un FADH2 mitochondrial alors que dans le deuxième cas les équivalents réducteurs sont transférés du NADH cytosolique à un NADH mitochondrial. Ainsi, la stimulation de l'expression du gène de la Glycérol Phosphate DesHydrogenase mitochondrial (GPDHmt), en particulier dans le foie et le cœur, pourrait être un des mécanismes par lesquels les hormones thyroïdiennes agissent sur la thermogenèse (Gong et al., 1998). Une telle surexpression de la GPDHmt favorisera l’utilisation de la navette glycérol-phosphate, ce qui diminuera le nombre d’équivalents réduits oxydés au niveau du complexe I et donc le nombre de protons pompés par électron transféré.
2. Stœchiométrie H+/ATP
Ce découplage a lieu au niveau de la F0-F1 ATP-synthétase et n'affecte pas le taux de la respiration mitochondriale mais diminue la quantité d'ATP synthétisé pour un flux de protons donné, induisant donc une diminution du potentiel phosphate. Bien que cela soit moins connu, il semble que le complexe F0-F1 ATP synthase puisse fonctionner avec une stœchiométrie variable (H+/ATP). Ceci a été montré entre autres pour des mitochondries isolées de foie de rat (Rigoulet et al., 1990; Rigoulet et al., 1998), où l'ajout d'almitrine tout en augmentant la stœchiométrie H+/ATP diminuait le rapport ATP/O. Krenn et al (1993) ont montré que chez certains procaryotes, la stœchiométrie H+/ATP variait en fonction du pH.
Cependant, si les mécanismes moléculaires de la synthèse d'ATP sont très étudiés (Junge et al., 2001; Senior et al., 2002; Weber et Senior, 2003), le fonctionnement du couplage entre la translocation des protons et l'ATP formé reste lui méconnu.
L'importance in vivo du découplage de la F0-F1 ATP-synthétase dans la régulation de la synthèse d'ATP ou pour la génération de la force proton-motrice en cas d'anomalie de la chaîne respiratoire, reste encore mal déterminé.
En conclusion, la majorité de l’ATP cellulaire est synthétisée dans la mitochondrie par la phosphorylation oxydative. Le taux et l’efficacité de la phosphorylation (ATP/O) qui sont sous le contrôle complexe de divers paramètres (activité de la chaîne respiratoire, force proton-motrice…) et molécules (acides gras, hormones…) sont sujets à d’importantes variations et font de la phosphorylation oxydative un challenge majeur dans la recherche en bioénergétique. Il est donc parfaitement concevable et requis de vouloir expliquer des modifications du rendement de la conversion d’énergie du corps entier (balance entre les apports et les besoins énergétiques), en analysant le métabolisme énergétique de mitochondries isolées.
III.Les situations de perte de poids.
Une perte de poids est le résultat d'une balance énergétique négative, c’est à dire que les apports alimentaires sont insuffisants pour équilibrer les dépenses d'énergie. Il faut distinguer la perte de poids volontaire due à une restriction calorique consciente (amaigrissement chez l'obèse, amincissement chez le sportif), de celle involontaire (dénutrition, maladies, cancers, isolement chez la personne âgée…) qui s'explique soit par une diminution des apports alimentaires associée à une anorexie, soit par une augmentation des besoins (hypermétabolisme et hypercatabolisme), soit par les deux à la fois. Nous nous intéresserons ici à la relation entre la dépense d'énergie et la perte de poids.
La dépense énergétique est classiquement divisée en plusieurs compartiments: le métabolisme de base (ou thermogenèse obligatoire), la thermogenèse facultative et l'activité physique.
Le métabolisme de base représente environ 60-75% des dépenses énergétiques quotidiennes chez un individu sédentaire, et correspond à la production de chaleur par un organisme entier sous des conditions stables (thermo-neutralité, éveil et à jeun chez les mammifères). Cette production de chaleur correspond à la consommation d'énergie nécessaire pour assurer les
fonctions vitales de l'organisme (travail des pompes membranaires pour le maintient des gradients ioniques, renouvellement des protéines…) et dépend par conséquent de l'importance et de l'efficacité thermodynamique de cette activité métabolique basale (Rolfe et Brown, 1997). Les espèces homéothermes ont ainsi un métabolisme actif plus important que les ectothermes (Else et Hulbert, 1981). De même, pour un travail mécanique identique, le muscle de mammifères génère plus de chaleur que celui d'un reptile (Woledge et al., 1989).
La thermogenèse facultative est l'augmentation de la dépense d'énergie en réponse à des stimuli tels que la prise alimentaire, l'exposition au froid, le stress, l'administration de drogues ou d'hormones capables de stimuler le métabolisme.
L'activité physique est la composante la plus variable de la dépense d'énergie totale d'un individu.
A la différence du métabolisme de base qui ne dépend que de facteurs intrinsèques (masse maigre, masse grasse, âge, sexe …), la thermogenèse facultative et l’activité physique sont aussi dépendants de facteurs extrinsèques: la quantité d’aliments ingérée, l’exposition au froid pour la thermogenèse facultative, la durée et l’intensité des exercices musculaires pour l’activité physique.
A.La perte de poids volontaire.
Cette perte de poids suppose une restriction calorique. En terme de régulation de l’énergie, il apparaît vital qu’en réponse à une baisse des apports énergétiques, les dépenses d’énergie soient diminuées. Dans ce cas, il est tout d’abord envisageable que suivant cette adaptation, le poids (et plus particulièrement la masse maigre) diminue progressivement jusqu'à ce que les dépenses égalent les apports d'énergie. Cependant, il est impensable qu'un homme ou un animal puisse perdre indéfiniment du poids sans que cela n'ait de conséquences néfastes en terme de santé. Il apparaît donc primordial qu’une adaptation à la restriction calorique plus rapide et plus active se mette en place. Cette dernière implique que la dépense d’énergie soit diminuée de façon plus importante que ne peut l’expliquer la perte de poids, ceci dans le but de stopper cette dernière. Autrement dit, cette adaptation métabolique signifie que pour une même valeur de masse maigre, la dépense énergétique doit être moindre.
1. Perte de poids volontaire et dépense d'énergie du corps entier
Une diminution de la dépense d'énergie du corps entier en réponse à une restriction calorique est montrée par de nombreuses études (méta-analyses de 12 études, Astrup et al,
1999; de 22 études, Thompson et al, 1996; de 14 études, Blanc et al, 2003). Bien que la plupart des études portent sur le métabolisme de base, la dépense d'énergie sur 24 heures est également diminuée (Leibel et al., 1995; Doucet et al., 2003). La principale explication avancée est la diminution du poids et de la masse métaboliquement active. Ainsi, la masse maigre, qui est constituée en autres de la masse musculaire, est un déterminant important de la dépense d'énergie sur 24 heures (81% de la variance), de la dépense d’énergie de repos (69%
de la variance) et est liée à l’activité physique (71% de la variance) (Ravussin et al., 1986).
Cependant, c’est la diminution du métabolisme de base qui aura le plus d’impact puisqu’il représente 60 à 75% de la dépense d’énergie totale. Quoiqu’il en soit, que cela concerne la diminution de la dépense d’énergie liée au métabolisme de base ou celle dépendante de l’activité physique, tout dépend de la nature et de l'intensité de la perte de poids. Il semble que plus la restriction calorique est intense et plus la perte de masse maigre est importante dans la perte de poids (Hill et al., 1985; Sweeney et al., 1993). De même, il a aussi été montré que la dépense énergétique liée à l'activité physique est diminuée avec la restriction calorique et que ceci n'est pas toujours dû à une diminution de l’intensité de l’activité physique (Hill et al., 1985; Even et Nicolaidis, 1993; Leibel et al., 1995; Weyer et al., 2000). Enfin, la diminution de la dépense d’énergie induite par la restriction calorique peut aussi être la conséquence d'une baisse de la thermogenèse post-prandiale, qui s'explique par la diminution de la quantité ingérée (Even et Nicolaidis, 1993) mais aussi par une diminution réelle de l'effet thermique des repas (diminution de la quantité de chaleur par g d'aliment) (Forsum et al., 1981; Hill et al., 1985).
Si la diminution de la dépense d'énergie en valeur absolue est bien établie (Ramsey et al., 2000), l’existence d’une réelle adaptation métabolique à la restriction calorique reste discutée. Est-ce que la dépense d'énergie diminue aussi indépendamment de la variation du poids et des changements de composition corporelle, et par conséquent de façon plus importante que ne le voudrait la simple perte de masse corporelle ?
Une des explications à cette controverse provient de la méthode statistique utilisée pour normaliser les changements de dépense d'énergie en réponse à la restriction calorique.
Récemment, Blanc et al. (2003) suggéraient qu'il est préférable d'utiliser une approche basée sur des régressions (ANCOVA) par rapport à la classique comparaison du rapport dépense d’énergie/poids ou dépense d’énergie/masse maigre, laquelle est susceptible de biaiser les résultats (Ritz et al., 1999). Ainsi, en ré-analysant de façon homogène 14 anciennes études (portant sur le rat, le singe et l'homme), ces auteurs montrent que la dépense d'énergie totale ajustée pour la masse corporelle diminue en réponse à une restriction calorique. Cette
adaptation métabolique s'expliquait essentiellement par une diminution du métabolisme de base ajustée pour le taux de masse maigre (Blanc et al., 2003).
Il est également possible que dans certaines études, un trop petit nombre de sujets (6 < n
< 12) ne permette pas de détecter des différences de dépense d’énergie inférieures à 10-15%.
En effet, pour mettre en évidence une différence de 5% de la dépense d’énergie de repos (moyenne avec un écart-type de 5%) avec un risque alpha de 5% et une puissance de 90%, il faut un effectif de 25 personnes par groupe. Ainsi, Astrup et al. (1999), dans une méta-analyse de 12 études (cf. tableau 1), mettent en évidence un métabolisme de base (ajusté pour la masse maigre) inférieur de 5,1% chez des anciens obèses ayant perdu du poids suite à une restriction calorique, par rapport à des personnes appariées pour la masse maigre et n'ayant jamais été obèses.
En résumé, il apparaît qu'une adaptation métabolique se développe en réponse à une restriction calorique et une perte de poids. Cependant il semble important de préciser quelques points:
•
la diminution de la dépense d'énergie correspond surtout à une diminution du métabolisme de base (méta analyse de Blanc et al, 2003; Doucet et al, 2003).•
l'intensité de cette adaptation métabolique ne semble pas dépendre de l'intensité de la perte de poids. Ainsi, Leibel et al. (1995) montrent qu'une perte de poids de 10 ou 20% suite à une restriction calorique aboutit à une même diminution de la dépense d'énergie de base (normalisée par la masse maigre). De même, Hill et al. (1985) rapportent que chez des rats ayant subi des pertes de poids différentes (20 et 30% de leur poids initial) le métabolisme de base résultant est le même. Enfin, dans une étude de Weinsier et al. (2000), le métabolisme de base (ajusté pour les taux de masses maigre et grasse), était significativement diminué (-6%) dès le 10è jours de restriction calorique mais n'était plus modifié durant la période restante de restriction calorique (3-5 mois) en dépit d’une perte de poids correspondante de 13 kg.•
en corollaire du précédent point, l'effet d'une perte de poids n'aura pas le même impact sur le métabolisme de base selon que les mesures seront effectuées dans une période d'adaptation (restriction calorique) ou durant la phase suivante (période de stabilisation du nouveau poids).Ainsi, il semble que la dépense d’énergie ajustée diminue rapidement après l’initiation d’une restriction calorique, mais que cette diminution ne persiste que quelques temps (2 à 3 mois) après le retour à la normale du niveau d’alimentation et ceci même si le poids se stabilise ou continue de diminuer (Elliot et al., 1989; Wadden et al., 1990; Froidevaux et al., 1993). Il
semble en tout cas très improbable que cette adaptation du métabolisme de base se majore au- delà d’une année de stabilisation d’un poids réduit (Wyatt et al., 1999).
2. Quels sont les mécanismes de cette adaptation ? a)La masse des organes métaboliquement actifs
Le foie et le muscle sont responsables, à eux deux, de 50% de la dépense d'énergie de repos. Une diminution de la masse de ces tissus est donc susceptible de diminuer la dépense d’énergie en valeur absolue. De plus, le foie est un tissu à forte activité métabolique, chez l’homme par exemple, il contribue pour 17-25% de la dépense d’énergie de repos totale mais ne représente que 2% de la masse corporelle. A l’inverse, le muscle, qui représente 25-30%
du métabolisme de base et 20% de la masse corporelle totale, a une faible activité métabolique. Par conséquent, si la perte de masse hépatique (par exemple) est proportionnellement plus intense que celle d’organes à l’activité métabolique plus faible (par exemple, le muscle squelettique), une diminution supplémentaire de la dépense d’énergie (en valeur absolue ou ajustée) pourra être observée.
Chez l'animal, en réponse à une perte de poids, l’ensemble des études montre que la masse du foie en particulier et des viscères en général, est la première à diminuer et ceci de façon relativement supérieure à la perte de poids total (Ramsey et al., 2000). La masse musculaire quant à elle, ne diminue que plus tardivement et de façon moins importante.
Ramsey et al. (2000) concluent qu'une perte de masse des tissus hautement métaboliques participe à la phase initiale de l'adaptation métabolique en réponse à une restriction calorique.
b)Profil hormonal
(1)Hormones thyroïdiennes
Les hormones thyroïdiennes sont considérées comme le principal régulateur physiologique de la dépense énergétique (métabolisme de base et thermogenèse facultative), non seulement en accélérant le turnover de l’ATP mais également en diminuant l'efficacité de la synthèse d’ATP. Les mécanismes biochimiques et moléculaires expliquant ces effets restent assez peu connus. Ces phénomènes cellulaires qui impliquent directement ou indirectement l'appareil de production d'énergie mitochondrial se divisent brièvement en 3 modes d'action: les effets immédiats (quelques minutes à quelques heures) qui sont véhiculés principalement par la di-iodo-thyronine (T2) et impliquant des voies non-génomiques, les
effets directs à moyen-termes (plusieurs heures à quelques jours) qui impliquent un rôle de la T3 sur la transcription du génome mitochondrial, et les effets indirects à moyen-termes qui impliquent un rôle de la T3 sur la transcription du génome nucléaire (Freake et Oppenheimer, 1995; Wrutniak-Cabello et al., 2001; Goglia et al., 2002; Scheller et al., 2003; Silva, 2003).
La restriction calorique conduit à une diminution de la concentration sérique de T3 et une augmentation de la conversion de la tetra-iodo-thyronine (T4) en la forme inactive (tri- odo-thyronine inverse, rT3) (Kelly, 2000; Krotkiewski, 2002). Ceci participe probablement à l’adaptation métabolique induite par la restriction calorique. Ainsi Weinsier et al. (2000) montrent, d’une part que chez des femmes obèses soumises à une restriction calorique, la concentration de rT3 est significativement augmentée tandis que le taux de T3 et le rapport T3/rT3 sont diminués et d’autre part que ces paramètres évoluent parallèlement à la diminution du métabolisme de base ajusté pour les taux de masse maigre et de masse grasse.
De même, une étude réalisée chez des personnes obèses et non-obèses montre qu'une perte de poids, respectivement, de 20 et 10% (4-10 semaines de restriction calorique, 800 kcal/jour) s'accompagne d'une diminution de 10% du métabolisme de base ajusté, d'une diminution de la concentration sérique de T3 et d'une augmentation de celle de rT3 (Rosenbaum et al., 2000).
Enfin, Astrup et al. (1996) montrent que chez des femmes « post-obèses », le métabolisme de base ajusté pour les taux de masse grasse et de masse maigre est moindre (8%) que celui de femmes de même poids n'ayant pas eu besoin de maigrir. Ceci s'accompagne d'une diminution de la quantité de T3 plasmatique. Après ajustements pour ces concentrations de T3, la différence de dépense énergétique disparaît entre les femmes post-obèse et celles qui ne l'ont jamais été.
L'ensemble des ces études indique donc qu'une diminution du taux plasmatique de T3 peut, au moins en partie, expliquer l'adaptation métabolique induite par une restriction calorique, mais sans pour autant prouver de façon formelle qu’il existe un lien de causalité entre les deux phénomènes.
(2)Leptine
La leptine, produit du gène ob (Zhang et al, 1994), participe à la régulation de la masse corporelle (essentiellement la masse grasse) en diminuant la prise alimentaire et en augmentant la dépense énergétique, chez le rongeur (Campfield et al., 1995; Halaas et al., 1995; Pelleymounter et al., 1995). Ces effets sont médiés principalement par le système nerveux central (Halaas et al., 1997). De plus, son action sur la dépense d’énergie pourrait
être plus marquée dans les cas de restriction calorique, où son taux sérique est diminué, contribuant ainsi aux mécanismes d’épargne de l’énergie et de normalisation de la balance énergétique (Doring et al., 1998). Ainsi, le traitement par leptine entraîne, chez des souris restreintes en calories, une augmentation de la dépense d’énergie, alors que chez des souris nourries ad-libitum, il diminue simplement la prise alimentaire sans modifier le métabolisme de base (Doring et al., 1998). Des résultats préliminaires, obtenus chez l’homme, vont dans le même sens. Ainsi, il a été montré que durant une période de stabilisation d’un poids réduit (suite à une restriction calorique), l’injection de leptine (à doses suffisantes pour restaurer les concentrations initiales) majore la perte de poids (Rosenbaum et al., 2002).
Lors d’une restriction calorique, les études humaines et animales montrent une diminution du taux sérique de leptine (Maffei et al., 1995; Considine et al., 1996; Scholz et al., 1996; Rosenbaum et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Wadden et al., 1998; Doucet et al., 2000), sans qu’il n’y ait de relation entre l’intensité de la perte de poids et le taux basal ou la variation en leptine (Niskanen et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Wadden et al., 1998). Ainsi la restriction calorique, par elle-même, serait un plus fort déterminant de la variation du taux de leptine que ne le serait la perte de poids associée, au moins durant les premiers temps de la restriction calorique (2 premiers mois) et pour des pertes de poids inférieures à 10% du poids initial (Havel et al., 1996; Wadden et al., 1998). De plus, il apparaît que la diminution du taux de leptine sérique est plus forte durant la phase dynamique de perte de poids que durant la phase de stabilisation (Rosenbaum et al., 1997).
Parmi les paramètres hormonaux et métaboliques (insuline, cortisol, glucose, acides gras et hormones thyroïdiennes), seul les taux plasmatiques de glucose et d’acides gras sont corrélés avec les variations de concentration de leptine, induites par la restriction calorique chez l’homme (Jenkins et al., 1997; Niskanen et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Keim et al., 1998; Torgerson et al., 1999; Wisse et al., 1999). En particulier, plus les taux d’acides gras sont augmentés et plus la concentration de leptine est diminuée. Ceci suggère que la diminution du taux de leptine induite par une restriction calorique pourrait être régulée par le métabolisme lipidique (augmentation de la lipolyse) et glucidique (diminution de l’utilisation) dans les adipocytes. Toutefois, certaines études montrent que la variation de la masse grasse n’est pas toujours le seul déterminant de la diminution du taux de leptine sérique, le taux de leptine circulant étant diminué même après ajustement pour les variations de masse grasse (Havel et al., 1996; Rosenbaum et al., 1997; Wadden et al., 1998; Doucet et al., 2000). Ainsi, la leptine ne serait pas un simple régulateur du poids et de la masse grasse en particulier, mais plutôt un signal de déplétion des réserves en énergie dans les cas de restriction calorique.
Quel que soit le mode de régulation, la concentration de leptine pourrait être un paramètre important dans la régulation de la dépense énergétique. Ainsi, Doucet et al. (2000) trouvent que chez des hommes obèses soumis à une restriction calorique (15 semaines), la variation du taux sérique de leptine est le meilleur déterminant de la variation du métabolisme de base même après ajustement pour les changements de composition corporelle (masse maigre et masse grasse). Chez des femmes obèses et non obèses, Havel et al. (1996) montrent que la variation de la dépense d’énergie de repos corrèle avec les variations des taux de leptine, de masse grasse et de masse maigre. De plus, Wadden et al. (1998) montrent qu’après 40 semaines de restriction calorique (mais pas après 20 semaines), il existe une corrélation entre la diminution du taux de leptine et la diminution de la dépense d’énergie de repos. En revanche, chez des personnes obèses et non-obèses ayant perdu 10 ou 20% de leur poids initial, Rosenbaum et al. (2000) ne trouvent pas de relation entre la dépense d’énergie ajustée pour la variation de composition corporelle (masse grasse et maigre) et le taux de leptine plasmatique.
L’ensemble des ces études suggère que si la leptine peut intervenir dans l’adaptation du métabolisme de base lors d’une restriction calorique, cette hormone n’apparaît pas toutefois comme le signal majeur dans l’homéostasie de l’énergie.
Les mécanismes biochimiques et moléculaires pouvant expliquer l’effet de la leptine sur la dépense d’énergie et particulièrement dans l’adaptation métabolique induite par une restriction calorique sont encore peu connus. Quels qu’ils soient, ces mécanismes semblent indépendants de l’effet thermogène des hormones thyroïdiennes. En effet, Wang et al. (2000) montrent que chez des rats thyroïdectomisés, 3 semaines de traitement par la leptine induit une augmentation du métabolisme de base (+11%) similaire à celle induite par 3 semaines de traitement par T3 (+9%). De plus, l’injection couplée de T3 et de leptine entraînait une augmentation de 24% du métabolisme de base. Cette étude suggère que la leptine est capable de stimuler la dépense d’énergie de repos indépendamment de la présence d’hormones thyroïdiennes mais qu’elle pourrait avoir des mécanismes communs et ainsi agir en addition de la T3 pour stimuler le métabolisme de base. Au niveau musculaire, l’ajout in vitro de leptine stimule la consommation d’oxygène de muscles de souris ob/ob (souris déficiente en leptine fonctionnelle) mais n’a pas d’effet chez des souris db/db (souris déficiente en récepteurs fonctionnel à la leptine) (Dulloo et al., 2002). Ceci suggère une action thermogénique directe de l’hormone impliquant les récepteurs périphériques à la leptine et n’impliquant donc pas une action centrale sur le système sympathique comme pour d’autres tissus (tissu adipeux brun, foie, cœur et reins). De leur côté, McClelland et al. (2004), dans un
