BIOÉNERGÉTIQUE ET CALORIMÉTRIE


    BIOÉNERGÉTIQUE ET CALORIMÉTRIE :
    I- Généralités et définitions :
    La bioénergétique, c’est l’étude des manifestations énergétiques qui se passent dans la matière vivante (MV).
    La MV c’est l’organisme tout entier. Cependant, on peut être amené à focaliser sur un organe et à l’étudier in vitro, ou encore un tissu, ou même des cellules isolées.
    Les matières vivantes sont des transformateurs thermiques. Elles échangent (de la matière, de l’énergie…) avec l’extérieur : c’est obligatoire.
    On fait des bilans d’énergie :
    -si énergie entrant = énergie sortante, alors état stationnaire.
    -si énergie entrante (Ee) > énergie sortante (Es), alors il y a gain de poids. Lors de la croissance, le bilan est positif.
    -si énergie entrante < Es, le poids du sujet va diminuer.
    On peut aussi faire des bilans de matière :
    -entrées = substances nutritives
    -sorties = issues du métabolisme (eau, urée, déchets, CO2, …)
    II- Calorimétrie :

    Ce sont les techniques chiffrant les manifestations énergétiques. C’est la mesure du métabolisme.
    1 .Principe :

    Substances nutritives  +  O2   ——>   Déchets  +  chaleur
    · 1ère méthode : calorimétrie directe : mesure de l’énergie calorifique directement.
    · 2ème méthode : calorimétrie indirecte :
    o  Substances nutritives : c’est la calorimétrie alimentaire (ou par thermochimie alimentaire). C’est la méthode des ingesta. On fait la différence entre ce qui est ingéré et ce qui est absorbé.
    o Déchets : ils signent automatiquement une combustion. On fait la correspondance entre déchets et combustion. C’est la méthode des egesta.
    o O2 : plus on en consomme, plus on libère de l’énergie. Ce sont les méthodes respiratoires.
    Les travaux de Lavoisier (fin 18ème siècle) ont prouvé cette combustion. Il a mesuré par calorimétrie directe (E1) et indirecte (E2).
    Il utilisait ce qu’on appelle le calorimètre à glace de Lavoisier (qui est très précis) :
    La chaleur va atteindre la glace et la faire fondre. On mesure le volume d’eau qui s’écoule…
    Méthode du confinement :
    E2
    On chiffre ainsi la consommation de O2 et de CO2 rejeté.
    C   +   O2    ——>   CO2               400 kJ
    E1 est environ égal à E2, mais la précision n’est pas bonne.
    E1 n’est pas égal à E2 car l’animal n’est pas dans les mêmes conditions (glace = froid). Cependant, même en le mettant dans les mêmes conditions, on ne trouve toujours pas le même résultat.
    Il faut y rajouter l’oxydation de l’O2.
    H2   +   ½ O2   ——>     H2O                   » 400 kJ
    Cependant, E1 différent de E2 . Il a fallu attendre les travaux de Berthelot sur l’utilisation des aliments.
    On n’oxyde pas le carbone, l’oxygène et l’hydrogène directement, mais à partir des glucides, des lipides,…., qui ont déjà un degré d’oxydation. A ce moment là on a une précision parfaite.
    2 .Techniques :

    A .Calorimétrie directe :

    La thermolyse, c’est la sortie de chaleur de l’organisme.
    La thermogénèse c’est la production de chaleur. Elle intéresse toutes les cellules :
    • Cellule musculaire : production de chaleur et d’énergie mécanique utilisable. Elle fournit très peu d’énergie mécanique (rendement environ égal à 25 %)
    • Cellule de la graisse brune : (chez l’animal hibernant par exemple) : elle maintient la température vitale pendant la période hivernale. C’est le seul tissu qui ne produit que de la chaleur.
    La thermolyse c’est la dissipation de la chaleur afin de maintenir la température constante. Il y a un contrôle de cette thermolyse. L’homme est un homéotherme.
    Un homéotherme est un organisme qui maintient sa température centrale à une valeur fixe (chez l’homme : 37°C)
    L’enveloppe périphérique a une température variable, ce qui permet la thermorégulation.
    1°) Les différentes formes de thermolyse :
    • La conduction : c’est le transport de chaleur dans la matière, de proche en proche, selon un gradient de température.
    L’air a un coefficient de conduction faible. L’eau a un coefficient de conduction fort.
    Ce qui est organique est mauvais conducteur, ce qui est minéral est bon conducteur.
    • La convection : c’est le transport de chaleur dans de la matière en mouvement. Au niveau de la peau, il se fait une convection naturelle. La peau chauffe l’air à son contact (Cair assez faible), assez vite, donc l’air chaud monte et est renouvelé par de l’air froid….On distingue différents types de convection :
      • Convection forcée : ex : ventilateur,…
      • Convection au niveau des voies respiratoires (l’air aspiré est très vite chauffé, donc on rejette de l’air chaud). Dans l’eau, il y a une grande perte de chaleur par convection et conduction.
    • Les radiations : elle est très importante : c’est le départ de chaleur sous forme de radiations électromagnétiques (REM). Il n’y a pas besoin d’un support matériel. La longueur d’onde dépend de la température de l’émetteur (plus la peau est chaude, plus la longueur d’onde est courte). La peau émet des infrarouges (IR). La lumière est réfléchie par la peau alors que les IR sont absorbés.
    • L’évaporation : c’est l’évaporation de l’eau qui se trouve à la surface du corps. Pour cela, il faut apporter de l’énergie (lutte contre la chaleur). On effectue différents types d’évaporation :
      • Perspiration permanente
      • Sudation (glandes sudoripares), à partir d’une certaine chaleur.
      • Evaporation pulmonaire (l’air expiré est plus chaud, plus humide)
    1 g d’eau évaporé   ——>    2.4 kJ        (0.58 kCal)
    2°) Techniques de calorimétrie directe:
    • Calorimètre à glace
    • Calorimètre à eau : 1 Cal = 4.18 J
    On place un organisme dans un milieu liquidien, et on mesure l’élévation de chaleur.
    W = M x s x Dt
    M en kg, et  s en kJ/kg
    • Calorimètre à air : pour l’homme, c’est la chambre calorimétrique :
    Ca permet de réaliser les méthodes de thermochimie alimentaire.
    Ca permet également d’étudier l’organisme dans de nombreux cas.
    L’inconvénient est que ça demande des installations colossales et onéreuses.
    B .Calorimétrie indirecte :

    1°) Méthode des ingestas (thermochimie alimentaire) :
    Il y a proportionnalité entre l’énergie dépensée et les apports alimentaires. C’est ce que l’on nomme l’équivalent énergétique des aliments.
    On s’est basé sur les travaux de Berthelot : en faisant brûler les aliments…
    L’outil : la pompe calorimétrique de Berthelot. L’O2 est sous très forte pression
    L’O2 sous très forte pression est insuffisant pour faire brûler. Il faut amorcer. Pour cela, on chauffe par une résistance. On met les ¹ aliments pesés : ils brûlent et produisent une chaleur que l’on va mesurer. Pour cela, on met la pompe calorimétrique dans un récipient avec de l’eau. Connaissant la composition des aliments, on pourra calculer la quantité de lipides, glucides….ingérés.
    La bombe calorimétrique est l’équivalent de la combustion in-vitro de l’organisme.
    ex : le glucose :  C6H12O6  +  6 O2   ——>  6 CO2  +  6 H2O  +  2840 kJ
    180 g
    2840/180 = équivalent énergétique du glucose = x kJ/g
    Est-ce que la combustion in-vitro est équivalente à la combustion in-vivo ? Pour les glucides et les lipides oui, mais pas pour les protides.
    Pour les protides, il y a un déchet qui est l’urée, qui est la forme essentielle du rejet de l’azote. Cette urée contient de l’énergie (équivalent = 10 kJ/g).
    1 g de protéines  donnera 0.34 g d’urée.
    Attention : il faut bien faire la différence entre ce qui est absorbé et ce qui est ingéré. Ce qui est absorbé est ce qui est passé dans l’organisme, tandis que ce qui est ingéré est ce qui est arrivé dans le tube digestif.
    Le rendement du TD =  (quantité absorbée) / (quantité ingérée) = coefficient d’utilisation digestive (CUD). Le CUD est au maximum égal à 1, mais est généralement < à 1.
    Intérêt : la méthode des ingestas suppose des conditions assez précises : il faut que l’énergie apportée soit égale à l’énergie dépensée (nécessite état stationnaire). Sur plusieurs jours, et dans le cas d’un adulte, c’est une technique très valable. Elle permet également d’établir des rations alimentaires pour différents groupes (sportif, enfant,…).
    2°) Méthode des égestas : (par thermochimie alimentaire)
    L’intérêt, c’est que s’il y a des déchets, c’est qu’il y a eu combustion. On cherche une équivalence.
    Il y a une condition : le sujet doit être à jeun.
    Les déchets contiennent de l’azote, du carbone (et de l’hydrogène). L’eau endogène est peu importante par rapport à l’eau exogène apportée par les aliments. C’est pourquoi les mesures de rejet d’eau sont très imprécises.
    • L’azote provient des protides. Il est récupéré essentiellement dans les urines (urée principalement) et les matières fécales. Calcul de la correspondance en protides :
    Protides : 16 % d’azote.
    N x 6.25 = poids (g)
    Poids (g) x 20 (kJ/g)  =  Ep = quantité d’énergie libérée par la
    Pg                                               combustion des protides.
    Pg permet de calculer la quantité de carbone qui correspond aux protides :
    Pg x 0.53  =  Cp
    Le carbone de combustion est rejeté en CO2 par la ventilation.
    Cg,l,p – Cp  =  carbone glucido-lipidique (ou non protéique).
    Le carbone glucido-lipidique correspond en fait au carbone d’origine lipidique, car les variations des réserves glucidiques sont très très faibles (donc on les néglige).
    Attention : on ne change pas les réserves glucidiques, mais on en brûle quand même !
    C(lip) (g)   x  100/76   =  L (g)
    Donc L  x  40  =  E(lipide)
    (g) (kJ/g)
    1 g de N  x  6.25  x  20  =  125kJ
    (urines)
    1 g de N (urines)   est équivalent à  125 kJ puisées dans les réserves.
    1 g Cphysio015 BIOÉNERGÉTIQUE ET CALORIMÉTRIE x  1.31  x  40  =  52 kJ
    Intérêts et limites : La méthode est très précise, mais il y a 2 contraintes :
    -il faut que le sujet soit à jeun (donc mesure sur des périodes pas très longues)
    -pour mesurer l’azote, il faut vider la vessie avant et après l’expérience.
    3°) Technique des bilans :
    Elle permet de considérer le métabolisme dans toutes les conditions. On mesure les ingestas et on détermine des bilans de matière, qui permettent de chiffrer les variations d’énergie de nos réserves.
    • Mesure de l’énergie apportée par les aliments : c’est la méthodologie des ingestas. Elle permet de chiffrer l’énergie ingérée.
    • Mesure de la matière : N, C, apportés par ces ingestas = matière qui rentre.
    Protides : 16 % de N,  et 53 % de C.
    Lipides : 76 % de C
    Glucides : 40 % de C.
    Il suffit de multiplier la quantité de glucide, lipide, et protide par respectivement x 17, x 40, et
    x 20, ce qui est égal à l’énergie entrante = Eentrant.
    • Mesure de la matière qui sort : c’est la méthodologie des égestas.
    N : urines (urée).
    C : CO2, urines, matières fécales.
    • Bilans de matière et d’énergie :
      • N  =  Nentrant  -  Nsortant. Ca peut être nul (pas de variations des réserves
    protéiques), ou positif (mise en réserve), ou négatif (utilisations des réserves).
      • Même principe pour C : C correspond au carbone lipidique. De même, ça peut être nul, positif, ou négatif.
      • E (métabolisme) (= dépense énergétique)  = E (ingestas)  ± E (réserves)
    4°) Méthode respiratoire : (thermochimie respiratoire)
    Plus il y a combustion, plus on utilise d’O2, et cela proportionnellement . On cherche un équivalent entre O2 utilisé et combustion. C’est l’équivalent en O2 utilisé, ou coefficient thermique de l’O2.
    Détermination de l’équivalent :
    C6H12O6  +  6 O2  ——>   6 CO2  +  6 H2O  + 2840kJ
    6 x 22.4 L
    On trouve :
    Glucides : coefficient = 21 kJ / L d’O2
    Lipides : 19.6 kJ / L
    Protides : 19.4 kJ / L
    Faire le choix d’un coefficient thermique de l’O2, c’est savoir à quoi il sert ( ?).
    On peut mesurer l’N urinaire, ça nous donne la quantité de protides.
    On peut également mesurer le coefficient respiratoire :
    r = (V de CO2) / (V de O2)
    Mesure d’azote : Par le calcul du carbone protéique, on connaît la quantité de CO2 issue de la combustion des protides. Le poids de protide permet le calcul de l’O2 nécessaire à la combustion.
    Part des glucides et des lipides : notion de quotient respiratoire.
    Il faut connaître la valeur des coefficients respiratoires (r).
    Glucide : r = 1
    Lipides : r = 0.7
    Protides : r = 0.81
    5°) Techniques simplifiées :
    • On ne mesure pas l’azote urinaire. On ne mesure que V (CO2), V (O2), et r qui va permettre de choisir un coefficient thermique que l’on multiplie par V (O2).
    Dépense énergétique (DE)  =  V (O2)  x   équivalent thermique
    Cet équivalent thermique est établi à partir des r choisis dans les tables de Carpenter.
    • On ne mesure que V (O2), ce qui est très facile.
    DE = V (O2)  x  équivalent thermique standard
    Conditions : il faut que le sujet soit à jeun, et au repos.
    A ce moment là, on a :
    DE  =  V (O2)  x  20 (kJ / L)
    0.300 x  20  =  6 kJ / min.

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