LHomme et son environnement

1. L'Homme et son environnement Aspects bio�nerg�tiques Marc Zelter CHU Piti�-Salp�tri�re

2. La BIOENERGETIQUE a pour objet l��tude des �changes globaux d��nergie des organismes vivants La thermor�gulation permet d�assurer ces �changes � temp�rature centrale constante

3. L�HOMEOSTASIE est le maintient de certaines grandeurs physico-chimiques du milieu int�rieur tr�s proche d�une valeur donn�e dite grandeur de r�f�rence, en d�pit des perturbations qui tendent � les en �carter. Ces grandeurs sont dites r�gul�es

4. Pour une r�gulation donn�e chaque organisme choisit un compromis de r�ponses selon une strat�gie qui lui est propre L�homme, le carnivore ou le ruminant ont besoin d��nergie et doivent �vacuer de la chaleur en maintenant leur temp�rature centrale constante mais les voies m�taboliques et les m�canismes thermor�gulateurs diff�rent selon les esp�ces

5. Biosyst�me et Ecosyst�me Un �tre vivant peut �tre consid�r� comme un biosyst�me. Un syst�me est un ensemble d��l�ments mat�riels ayant des interactions entre eux Ces relations fondent son organisation fonctionnelle Tout ce qui est ext�rieur au biosyst�me est l��cosyst�me

6. Un biosyst�me ne peut pas �tre d�fini par son �nergie interne W (seules ses variations sont mesurables) mais on peut le caract�riser par certaines propri�t�s dont la premi�re est d�assurer sa survie donc une continuelle auto-r�plication de sa forme et de sa structure

7. Pour lutter contre la mort (le d�sordre en terme thermodynamique) il doit en permanence se maintenir hors d��quilibre en assurant sans arr�t le renouvellement de ses mol�cules et le maintient des grandeurs dites de tension des compartiments qui le composent

8. Pour cela le biosyst�me doit produire du travail - travail de synth�se chimique - travail osmotique - travail m�canique fait sur des forces internes ou externes

9. Un biosyst�me est donc un syst�me ouvert Il tire son �nergie de la transformation de la mati�re emprunt�e � l��cosyst�me Il rejette de l��nergie dans l��cosyst�me, mati�re et chaleur Tout bilan bio�nerg�tique inclut n�cessairement un bilan de mati�re

10. Les transformations de mati�re et d��nergie d�un biosyst�me sont d�sign�es sous le terme de m�tabolisme

11. L��nergie est transform�e � trois niveaux 1- la photosynth�se: l��nergie radiante est transform�e en �nergie chimique. C�est la propri�t� exclusive du monde v�g�tal dit autotrophe 2- la respiration: l��nergie chimique emprunt�e au monde v�g�tal est lib�r�e par oxydation. C�est la propri�t� du monde animal dit h�t�rotrophe Ces deux mondes vivent en symbiose

12. 3- le travail cellulaire dont la forme varie selon les cellules travail m�canique interne: la force appartient au biosyst�me comme pour le travail de contraction musculaire du myocarde travail interne de synth�se chimique - travail osmotique r�nal - travail m�canique externe: la force appartient � l��cosyst�me comme pour le muscle squelettique

13. Les r�actions de fusion nucl�aire solaire sont par l�interm�diaire de la photosynth�se la source unique de toute �nergie biologique sur terre

15. Flux d��nergie dans le monde animal Les processus oxydatifs, dits de respiration, sont la source de l��nergie du monde animal Toute l��nergie produite par le monde animal provient exclusivement de la scission oxydative des mol�cules organiques, directement ou indirectement produites par le monde v�g�tal, et qui portent le nom de nutriments ou substrats �nerg�tiques

16. Transformation de l��nergie dans la cellule La biosynth�se, syst�me ouvert, si�ge de processus irr�versibles, loin de l��quilibre, ob�it n�cessairement aux lois et principes de la thermodynamique Ces lois ne prennent en compte que les aspects macroscopiques de la transformation (P, V, T, composition chimique) Elles ne prennent pas en compte les �tapes interm�diaires de la transformation (principe de l��tat initial et de l��tat final) ni l��tat atomique de la mati�re

17. Toute transformation ob�it aux deux principes de la thermodynamique

18. Principes de la thermodynamique L��nergie se conserve quand elle se transforme corollaire: seul compte l��tat initial et l��tat final L��nergie se d�grade quand elle se transforme corollaire: l�entropie de l�univers augmente

19. La masse des biosyst�mes constitue une part de l�univers de moindre entropie Le plus grand ordre qui la caract�rise n�est obtenu qu�au prix d�une augmentation de l�entropie de l��cosyst�me Le vivant rejette de l�entropie et l�ensemble bio-�cosyst�me �volue de fa�on telle que l�entropie augmente

20. Application du premier principe de la thermodynamique Le premier principe ne sera envisag� que sous l�angle des transformations �nerg�tiques survenant au terme des r�actions d�oxydation des substrats

21. Concept d�enthalpie L�enthalpie est l��nergie maximum lib�rable au cours d�une r�action d�oxydation ?H= ?W � P et V constant ?H peut uniquement �tre mesur�e par r�action explosive dans un calorim�tre sous forme de lib�ration de chaleur C�est l��nergie produite par l�organisme � partir d�un substrat �nerg�tique � condition que les produits terminaux soient les m�mes, ind�pendamment de la voie m�tabolique choisie

24. En physiologie la variation d�enthalpie ainsi mesur�e est �gale � la valeur �nerg�tique d�un nutriment On l�exprime par mole de substrat oxyd� ou plus habituellement par gramme

25. Inversement comme la quantit� d�oxyg�ne n�cessaire � l�oxydation est li�e de mani�re univoque et stochiom�trique � la quantit� de substrat oxyd� on peut exprimer l�enthalpie en litres d�oxyg�ne STPD entrant dans la r�action On parle alors d��quivalent �nerg�tique de l�oxyg�ne

26. Pour un substrat que l�organisme ne peut pas totalement d�grader l�enthalpie sera la chaleur d�gag�e pour arriver au stade de d�gradation possible dans l�organisme consid�r�

27. Par exemple, pour les prot�ines qui ne peuvent pas �tre d�grad�e au del� de l�ur�e, l�enthalpie li�e � la d�gradation de l�ur�e en ses composants par oxydation devra �tre d�duite de l�enthalpie totale de la d�gradation de la prot�ine en ses composants �l�mentaires pour calculer l�enthalpie des prot�ines dans l�organisme

29. Application du deuxi�me principe Le travail maximal Wm qu�une machine thermique peut lib�rer sous forme de travail m�canique � partir de l��nergie Q qu�elle absorbe est donn�e par le principe de Carnot Wm=Q x (T1-T2) / T1= Q - (Q/T1) / T2 Le facteur Q/T1 est l�entropie (S) Il correspond � la part d��nergie non convertible en chaleur

30. Le travail, encore appel� �nergie libre parce que repr�sentant l��nergie fournie convertible s�exprime par Travail = �nergie libre = Q - T?S

31. La chaleur ne peut pas �tre utilis�e par les biosyst�mes pour convertir l��nergie en travail car les r�actions d�oxydo-r�duction se font � T, P, V constants et en solutions dilu�es Il n�y a pas de diff�rence de temp�rature � l�int�rieur de la cellule qui permette de transformer la chaleur en travail

32. Notion d��nergie libre Or le but de la cellule est de faire du travail � partir de l�enthalpie des substrats L��nergie libre G, dite �nergie de Gibbs, se d�finit comme la part de l��nergie totale d�un syst�me qui peut �tre transform�e en travail en conditions isothermes

33. ?G = ?H - T?S On sait calculer G dans les conditions standard (G0) L��nergie libre de Gibbs repr�sente la quantit� maximale d��nergie que peut donner une mole de substrat lorsqu�elle est oxyd�e en conditions isothermes

38. Exemple de travail interne: le c�ur gauche Le c�ur gauche produit une �nergie potentielle par synth�se chimique tr�s sup�rieure � celle qu�il restitue sous forme de travail L��nergie consomm�e est mesur�e par la consommation en oxyg�ne du myocarde

40. R�serves �nerg�tiques L�apport �nerg�tique chez l�homme est discontinu alors que les d�penses sont variables mais permanentes L�organisme doit donc disposer de r�serves de substrats dont l�oxydation fournira l��nergie dans l�intervalle des apports

41. R�serves de substrat Les r�serves �nerg�tiques quantitativement les plus grandes sont constitu�es par les graisses et le glycog�ne h�patique et musculaire, quantitativement faible mais fonctionnellement important, �ventuellement par les prot�ines de constitution

42. R�serve �nerg�tique La r�serve �nerg�tique la plus importante est contenue dans les tissus adipeux. C�est le moyen de stocker le plus d��nergie sous le poids le plus faible et sous forme du substrat le plus �nerg�tique La lib�ration des substrats est sous contr�le neuro-hormonal complexe

43. Les r�serves sous forme d�ATP sont faibles et en partie sous forme de cr�atinine phosphate hydrolysable (15 KJ) Les r�serves th�oriques couvrent 70 jours de fonctionnement pour une d�pense moyenne de 100W, sous r�serve d�apports en eau, vitamines et oligo�l�ments

45. Mesure des �changes d��nergie Calorim�trie directe: mesure de la chaleur produite Calorim�trie indirecte: entr�e d��nergie sous forme d�enthalpie des substrats Dans tous les cas il devra �tre tenu compte de la variation de masse du sujet qui repr�sente sa variation d��nergie interne

46.

47. Exemples de d�penses d��nergie

48. D�pense de fonds La d�pense �nerg�tique se d�compose en: 1- la somme des d�penses variables li�es � l�activit� musculaire, la thermor�gulation, la thermogen�se alimentaire 2- la d�pense de fond lorsque l�organisme est au repos musculaire absolu, � la temp�rature de neutralit� thermique, � jeun c�est � dire dans les conditions basales

49. La d�pense de fond repr�sente le minimum irr�ductible au dessous duquel ne peut pas descendre la d�pense �nerg�tique lorsque l�organisme est plac� dans les conditions basales, c�est � dire apr�s suppression de toutes les d�penses contingentes La d�pense de fond est remarquablement fixe chez un sujet donn�

50. L�existence de la d�pense de fond et sa fixit� indiquent que le maintien pur et simple de la vie exige une d�pense d��nergie invariable chez un sujet donn� Le travail de synth�se chimique repr�sente 80% de la d�pense de fond. Les 20% restants sont pris par d�autres formes de travail

52. Loi des surfaces

53. Loi des surfaces et similitudes biologiques La loi de similitude biologique exprime que les �tres vivants de m�me niveau d�organisation sont b�tis sur un mod�le semblable en d�pits d�aberrations ou de fantaisies comme le cou de la girafe et la queue du rat�

54. La loi repose sur l�analyse dimensionnelle des grandeurs et 4 axiomes 1- Il existe une similitude g�om�trique entre les �tres vivants L1/L2 = l 2- Les masses volumiques sont �gales r1 = r2 3- Les temps biologiques homologues sont dans le m�me rapport que les dimensions lin�aires T1/T2 = l 4- Le rapport des volumes L3 et des masses r3 est L13/L23 = l3

58. Cons�quences de la loi des similitudes On peut obtenir des dimensions biologiques normalis�es qui permettent de comparer des individus entre eux D�bit cardiaque/surface corporelle = index cardiaque Tous les sujets normaux ont le m�me index cardiaque, modulo la variabilit� statistique

59. Il y a �galit� des grandeurs intensives: Temp�ratures Pressions (art�rielles, osmotiques) Concentrations

63. M�tabolisme de base

66. Chez l�adulte sain la valeur du m�tabolisme de base est de 45 � 50 Watts par m2 Il est faible � la naissance 40 Watts par m2 Il monte � 60 � 65 Watts par m2 � 6 ans puis d�cro�t jusqu�� 25 ans Il reste stable jusqu�� un age avanc� puis d�cro�t � 40 Watts par m2 Toute d�viation de plus de 10% est pathologique

68. Thermor�gulation L�homme est en fait un animal tropical amenant avec lui son environnement tropical� Scholander et al 1950

69. L�organisme se d�compose du point de vue de la thermor�gulation en deux zones, le noyau et l��corce Le noyau est la zone de production de chaleur Il est constitu� des organes perfus�s par le sang art�riel dont la temp�rature est maintenue constante Il repr�sente environ 80% de la masse corporelle

70. Le noyau n�est pas une fraction constante de la masse corporelle Les diff�rents organes ont des activit�s m�taboliques diff�rentes et qui varient avec l�activit� La temp�rature du sang veineux eff�rent est donc diff�rente d�un organe � l�autre et toujours sup�rieure � celle du sang art�riel � l�exception de la peau

73. La temp�rature du sang veineux m�l� est inchang�e apr�s passage dans les poumons et donc la m�me que celle du sang art�riel Le but de la thermor�gulation est d�assurer la moindre variation de temp�rature du sang art�riel perfusant les organes

74. La temp�rature rectale Tre est un index acceptable de la temp�rature art�rielle La temp�rature centrale varie de 36,5 � 37 C� d�un individu � l�autre Elle suit un cycle circadien

76. Le reste de la masse corporelle constitue l��corce On admet que la temp�rature de l��corce est celle du rev�tement cutan� sus jacent Pour simplifier on admet que la temp�rature de la peau est la m�me en tout point Tcut Elle varie avec la temp�rature ext�rieure 33C� � 25 C�, 35 C� � 34 C� La chaleur produite par le noyau s��coule � travers l��corce

78. La temp�rature de la peau doit toujours permettre le transfert de chaleur du noyau � la p�riph�rie La peau est le lieu de dissipation de la chaleur vers l�ext�rieur

80. Transport de chaleur du noyau � la peau Par conduction physique au sein des tissus (n�gligeable) Par convection sanguine (circulation cutan�e)

82. Modes d��changes de la chaleur avec l�environnement Par conduction li�e � la diff�rence de temp�rature entre la peau et le milieu Par radiation Par convection (libre ou forc�e) Par �vaporation

84. Effecteurs de la r�gulation La vasomotricit� cutan�e Le tissus musculaire et le frisson thermique La sudation, seule efficace lorsque la temp�rature ambiante est sup�rieure � la temp�rature cutan�e Seule la sueur �vapor�e est efficace La perspiration (�vaporation d�eau � travers la peau et les voies a�riennes) n�est pas une r�ponse thermor�gulatrice chez l�homme

88. Sch�ma de principe d�une r�gulation Notion de r�tro-action ou feedback n�gatif

91. R�gulations conscientes et culturelles V�tements, comportements acquis, abris etc.