Le métabolisme énergétique : description et moyens d'étude Les compartiments corporels, moyens d'investigation

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1 21/02/2014 AYELA Laurence L2 Nutrition Anne Dutour Relecteur 4 7 pages Le métabolisme énergétique : description et moyens d'étude Plan A. Composition corporelle I. Introduction II. Méthodes de mesure des compartiments B. La dépense énergétique I. Le métabolisme de base ou dépense énergétique de repos : DER II. L'effet thermique des aliments III. L'énergie dépensée pour l'activité physique IV. Méthodes d'évaluation de la dépense énergétique V. Variabilité de la DE VI. Estimation de la dépense énergétique totale (DET) VII. Le tissu adipeux brun chez l'homme VIII. Variabilité d'origine génétique IX. Conclusion Toutes les images illustratives se trouveront sur le diapo présent sur l'ent Désolé vraiment mais le sort s'est acharné contre moi, je n'ai pas pu récupérer les images...(gros soucis techniques) Note du relecteur : la prof s'est inspirée en grande partie des cours présents sur le site A. Composition corporelle I. Introduction C'est l'étude des compartiments de l'organisme, base de la nutrition clinique. Quand on prend en charge un patient obèse, il faut connaître sa masse grasse (MG) et son évolution, de même que dans la dénutrition et dans le cas du sportif pour connaître la masse musculaire. Pour un même poids, on peut avoir des compositions corporelles différentes. Il y a des modèles classiques d'études de représentation de cette composition, selon les questions que l'on se pose, on va utiliser des modèles anatomiques, biochimiques ou physiologiques. => Modèle biochimique sépare les éléments en fonction de leurs propriétés chimiques : eau lipides : carbone protéines : azote minéraux : calcium et phosphore 1/10

2 potassium : compartiment intracellulaire sodium : compartiment extracellulaire => Modèle anatomique a progressé avec l'imagerie et donc l'homme idéal a : muscles squelettiques : 40 % du poids corporel tissu adipeux : 20% peau : 7% foie, cerveau : 2,5% cœur, reins : 0,5% => Modèle physiologique, modèle qui crée artificiellement des compartiments et selon le calcul que l'on fait on distingue des modèles : A 2 compartiments : MG et masse non grasse. La MG est située essentiellement dans les triglycérides situés dans les adipocytes, sans eau. La masse non grasse (pas exactement la masse maigre) comprend l'eau, l'os et tous les organes. A 3 compartiments: MG, masse cellulaire active (toutes les cellules des différents organes), l'eau extracellulaire (plasma, liquide interstitiel...), A 4 compartiments: idem + masse minérale osseuse Exemple pour un patient de 70 kg 10 kg de MG 20L d'eau extracellulaire 25L d'eau intracellulaire 4 kg de minéraux 11 kg de protéines Patients de 70 kg : comparaison entre un sujet jeune et âgé Avec l'âge, on a une augmentation de la MG pour le même poids, une diminution de l'eau intracellulaire et souvent une diminution de la masse cellulaire active. Si ce patient de 70 kg maigrit, il devient dénutri, il perd sa MG et une partie de sa masse maigre (il ne faut surtout pas la perdre). II. Méthodes de mesure des compartiments Méthode de quantification in vivo des constituants spécifiques de l'organisme (utilisé en recherche, c'est très cher et pénible) Méthode d'estimation in vivo des compartiments de l'organisme (repose sur une mesure et une hypothèse de modélisation) Méthode de prédiction de la valeur (méthodes indirecte, utilise des mesures anthropométriques ou impédancémétriques bioélectriques) a) Mesures anthropométriques Calcul de l'imc (indice de la masse corporelle) = poids/ taille2 On parle d'obésité si l'imc est supérieure à 30, il y a ensuite des classes d'obésité à partir de Il faut savoir que ces critères d'imc doivent être nuancés suivant les ethnies. Il y a le tour de taille. Quand on a de la graisse, on peut en avoir sur les cuisses (obésité gynoïde) ou sur le ventre (obésité androïde ou viscérale). C'est un index de la répartition de la graisse. Le tour de taille est à risque chez la femme européenne lorsqu'il est supérieur à 88cm et chez l'homme européen lorsqu'il est supérieur à 102cm. 2/10

3 Technique des plis cutanés : estimation de la MG Mesure de 4 plis: pli bicipital pli tricipital pli sous-scapulaire pli supra-iliaque Il y a une grande variation inter-observateur mais cette méthode reste quand même efficace si c'est la même personne qui le fait pour suivre l'évolution d'un patient. Il faut faire la somme des plis, puis utiliser une équation permettant de déterminer la MG. Limites : Impossible chez le grand obèse, les équations ne sont pas valables Impossible chez les personnes qui n'ont qu'une accumulation graisseuse viscérale, cette méthode sous estime la masse grasse Mais c'est une méthode simple, permettant de suivre une dénutrition. On peut aussi mesurer la circonférence branchiale et la suivre. b) Mesure de l'eau totale En général, ces mesures sont basées sur un modèle à 2 compartiments avec comme hypothèse de départ : la masse non grasse possède 73% d'eau et la MG n'a pas d'eau. Du coup, on peut calculer la MM comme: MM= eau totale/0.73, le but est de mesurer l'eau totale. Limites : oedèmes obésité massive perte de poids rapide Les volumes d'eau peuvent être déterminés par: dilution de traceurs impédance bioélectrique Dilution de traceurs : on fait boire de l'eau qui contient des traceurs (deutérium, Oxygène 18) dont on connaît la quantité. On mesure ensuite ces traceurs dans la salive et les urines, on obtient la concentration des traceurs. Il faut un spectromètre de masse pour faire cette mesure. La concentration mesurée = qté donnée de traceurs/volume de l'eau. Ce n'est pas utilisé en routine, mais dans les centres de nutrition. Impédance bioélectrique : utilisation de manières courantes. Basée sur la capacité des tissus hydratés à conduire l'énergie électrique. Cette conductance est fonction du volume du compartiment hydroélectrique contenu dans le corps. L impédance (Z) d un corps est liée à la résistance spécifique (r), la longueur du patient (L), et le volume conducteur (V) : V = rl2/z En pratique on let 4 électrodes autocollantes, on fait passer un courant de 800 µamp avec une fréquence variable qui peut aller jusqu'à 50 khz. Limites : qualité de la validation initiale de l'équation pertinence pour une population spécifique conditions de mesure 3/10

4 Avantages technique simple et peu coûteuse, pouvant être répétée indolore On obtient une feuille de composition corporelle avec la masse non grasse, la masse non grasse sèche et la MG (il faut connaître l'age, le poids, la taille parce que ça entre dans les formules ). On connaît ainsi l'état nutritionnel du patient ainsi que son état d'hydratation. Les niveaux de graisse corporelle attendus varient en fonction de l'âge et du sexe. Ils augmentent avec l'âge et ils sont moins important chez l'homme que chez la femme. c) Absorptiométrie rayons X à 2 niveaux d'énergie: DEXA Initialement utilisée pour évaluer l'ostéoporose et donc pour la mesure de la densité osseuse et pour évaluer le risque de fracture chez les patients. Balayage de l'ensemble du corps avec un faisceau de RX à très faible intensité donc c'est peu irradiant (beaucoup moins qu'un scanner). C'est étalonné sur des fantômes. L'atténuation des faisceaux dépend de la matière traversée.c'est la méthode de routine la plus précise à l'heure actuelle. On a l'utilisation de 2 niveaux d'énergie ( 40 et 100 KeV). Elle permet d'individualiser 3 compartiments ( Ca, MM, MG) et on peut faire des études segmentaires c'est-àdire qu'on peut connaître la MG du tronc et la MG des cuisses. Avantages: exact à 1% près successeur densitométrique hydrostatique avec en plus une meilleure précision, 3 compartiments au lieu de 2 et la possibilité de faire des études segmentaires. Irradiation imposée < à une irradiation thoracique standard Inconvénients: contre indiqué chez les femmes qui risque d'être enceintes coût élevé et impossibilité de l'utiliser au lit du malade gros obèses ne peuvent être mesurés car ils n'entrent pas dans la machine et la table ne supporte pas le poids ne permet pas de distinguer la MG viscérale de la MG sous cutanée On obtient des chiffres précis par secteur corporel. On peut mesurer la MG viscérale par IRM ou scanner (plus irradiant). Le scanner donne le rapport masse viscérale/masse sous cutanée. Pour les personnes ayant de la graisse viscérale, on parle d'obésité à risques métabolique (ex: diabète...) et cardiovasculaire. On peut faire tous les compartiments graisseux en IRM, c'est de la recherche mais c'est très précis. Pas d'application en routine de la mesure de la graisse viscérale, on mesure néanmoins le tour de taille car c'est bien corrélé. Par contre, pour un individu donné, il y a des variations. C'est globalement intéressant mais moins précis que la mesure par scanner ou IRM. d) Mesure de la densité corporelle Elle repose sur un modèle à 2 compartiments. On part du principe que la densité de la MG = 0,9g/mL, et la MM =1,1g/mL. On sait que la densité d'un corps est égale à masse/volume. On a alors établit une formule qui est l'équation de Siri : %MG = 100 x (4,95/D 4,50) 4/10

5 Donc pour avoir la MG on mesure la densité par hydrodensitométrie ou par pléthysmographie. L' hydrodensitométrie repose sur le principe d'archimède c'est-à-dire qu'on mesure un volume en immergeant dans l'eau. Pour cela il faut un équipement adapté une cuve de taille suffisante, une capacité à déterminer les volumes des gaz respiratoires et intestinaux. On ne peut pas l'utiliser sur les enfants, les malades, les personnes âgées à mobilité réduite, les patients à coopération réduite... Mais c'est quand même utilisé en recherche. La pléthysmographie repose sur la loi de Boyle-Mariote : le produit Pression x Volume est une constante. Si un corps est introduit dans une cabine fermée de volume connu, le régime de pression de la cabine est modifié en proportion du volume introduit. Donc on mesure juste les modifications de pression dans le plétysmogramme. Durée de la mesure = 5 min. Non traumatisant et simple pour le patient. CONCLUSION: L'étude de la composition corporelle constitue un élément indispensable de l'évaluation du calcul nutritionnel. Les deux examens les plus utilisés en routine pour être précis sont DEXA et impédance bioélectrique. Cette mesure de la composition corporelle guide le choix d'un programme d'amaigrissement ou de renutrition et cela permet surtout d'évaluer la gravité d'une dénutrition car il est parfois difficile de connaître le degré de perte musculaire (c'est ce paramètre qui définit la gravité). 5/10

6 B. La dépense énergétique La dépense énergétique de 24h est la somme de 3 grands postes: métabolisme basal ou métabolisme de repos (60 à 75% des dépenses) thermogenèse liée à la prise alimentaire (10%) l'activité physique (varie de 20 à 70%) L'estimation des dépenses énergétiques permet de déterminer les besoins énergétiques d'un patient (à un instant donné), les nouveaux besoins lors d'une perte de poids (aspect dynamique) et de quantifier la balance énergétique. L'alimentation permet d'équilibrer les besoins énergétiques (qui dépendent de l'âge, le sexe et l'activité) et maintient constant le niveau des réserves. Les sources d'énergie sont les macronutriments (issus de l'alimentation) et nos réserves endogènes (utilisées lorsque le besoins énergétique est supérieur à l'apport). I. Le métabolisme de base ou dépense énergétique de repos: DER Dépense énergétique minimale pour le fonctionnement et l'entretien de l'organisme dans des conditions très standardisées : il faut être à jeun, au repos, à température neutre (entre 18 et 20 C). c'est l'énergie nécessaire pour le fonctionnement des cellules : pompes ioniques, turnover de substrats, cycles futiles et pour le maintien de la température. C'est-à-dire essentiellement le fonctionnement de la masse cellulaire active (MM) = 60% de la dépense énergétique des 24h. II. L'effet thermique des aliments C'est le 2ème poste de dépense qui peut être variable, adapté et modulable. C'est le coût énergétique associé à l'absorption intestinale, au stockage des macronutriments dans les tissus, et à leur transformation métabolique ( ex: lipogenèse hépatique) comprend 2 composantes : une «obligatoire» directement liée à la consommation d'atp et une «facultative» contrôlée par le système nerveux sympathique. Dépend du type, de la quantité et de la composition des repas ingérés : lipides : coût 5% de la valeur calorique glucides : coût 5 à a 10% protéines : 20 à 30% Environ 10% de la dépense énergétique des 24h III. L'énergie dépensée pour l'activité physique Poste de de dépense énergétique le plus variable d'un individu à l'autre. C'est le poste qui a le plus changé pendant ce siècle et qui est à l'origine de l'augmentation de l'obésité. Normalement il représentait entre 15 et 30% de la dépense énergétique totale (exceptionnellement jusqu'à 50%) mais quand on est vraiment très sédentaire cela peut baisser enormément. Le coût énergétique des activités portantes est plus élevé chez le sujet obèse. Autres facteurs de dépense énergétique: la croissance l'allaitement l'infection 6/10

7 les réactions inflammatoires phénomènes de réparation et de cicatrisation (brûlures) IV. Méthodes d'évaluation de la dépense énergétique a) la colorimétrie La colorimétrie directe : réservée à la recherche La colorimétrie indirecte (pratique courante ) : méthode de référence estime la production d'énergie et l'utilisation des substrats énergétiques à partir des échanges gazeux respiratoires (consommation d'oxygène, production de CO2) repose sur l'équivalence entre l'énergie utilisée dans l'organisme et celle convertie à partir de l'oxydation des nutriments on prend la consommation globale d'oxygène comme témoin de la dépense d'énergie DE (Kcal/min) = 3,941 V(O2) + 1,106 V(CO2) V en L/min réalisée en chambres calorimétriques ou sous cagoule ventilée dans des conditions où le sujet pourra reproduire ses activités quotidiennes. La mesure du V(O2)max peut se faire lors d'un travail d'effort permet aussi la mesure du quotient respiratoire : QR = V CO2/ V O2 ce quotient informe sur la nature des substrats oxydés : 1 = glucides, 0,7 = lipides, 0,8=protides On connait le QR attendu en fonction de l'alimentation, par exemple si elle apporte 55% de glucides (QR=1), 35% de lipides (QR=0,7) et 10% de protides (QR=0,8) on sait que : QR= 0,55*1+0,35*0,75+0,1*0,8=0,875 On compare alors avec le QR mesuré et si QR<0,875, oxydation incomplète prise de poids Si on oxyde tout ce qu'on mange on est à l'équilibre mais si on n'oxyde pas tout on a une prise de poids. b) La méthode à l'eau doublement marquée : faire ingérer au sujet un mélange d'eau marqué sur l'oxygène et sur l'hydrogène (deutérium) la mesure de la différence d'élimination du deutérium et de l'oxygène dans les urines permet le calcul de la production de CO2 et de la DE simple et non agressive : le patient boit de l'eau marquée par des traceurs stables (non radioactifs) et recueille un échantillon d'urine tous les jours pendant 14 jours très onéreux réservé à des activités de recherche c) méthode indirecte Basée sur la relation linéaire étroite existant entre la fréquence cardiaque et la DE, pour des activités physiques d'intensité croissante. V. Variabilité de la DE avec la masse : +++ ( MM détermine la DE) avec l'âge: diminution de 2% tous les 10 ans en rapport avec la réduction de la MM avec le sexe: la femme dépense 10% d'énergie en moins que l'homme 7/10

8 Estimation de la DER ou MB à partir des données anthropométriques simples en tenant compte du poids, de la taille et de l'âge. => Equations de Harris et Benedict (les plus utilisées ) : Femmes MB = 2, ,0402P + 0,711T - 0,0197A Hommes MB = 0, ,0573P + 2,073T - 0,0285A P en kg, T en m, A en années MB en MJ ( 1MJ=236 kcal) VI. Estimation de la dépense énergétique totale (DET) 1. calcul de la DE de repos 2. estimation du niveau d'activité physique (NAP): 1,3 sédentaire, 1,8 très actif 3. multiplication du DER par le facteur d'activité: DET=DER*NAP ex : patient de 120kg inactif : DER 1800 Kcal/j DET 1800*1,3=2340 Kcal/j Estimation du NAP : carnets, questionnaire d'activité : professionnel, domestique, loisirs, sports, transports, temps d'inactivité (+++) précisant une durée, fréquence, intensité notamment le temps d'inactivité devant les écrans mesures: podomètre (<3000 pas/j inactivité, 3000 à 6000 activité faible...) accéléromètres cardiofréquencemètres... Par exemple chez l'enfant si on a pas de système de mesure on va calculer les cours d'eps, ce qu'il fait pendant la récréation, comment il va à l'école, qu'est-ce -qu'il fait comme loisir non structuré, le nombre d'heure devant les écrans +++ de télévision, ordinateur, jeux vidéos En effet dès que l'on dépasse 2h de télévision par jour chez l'enfant cela multiplie par 4 le risque d'obésité. L'activité physique diminue la masse grasse et augmente la masse maigre et comme la DER dépend de la masse maigre, on augmente cette DER et augmenter les exercices donc augmenter de manière double la dépense énergétique totale. Lorsque l'on est dans la sédentarité, l'activité physique n'est pas adaptée, on diminue la masse maigre, la dépense énergétique et donc favoriser l'obésité cercle vicieux. Les autres facteurs de variabilité de la dépense énergétique sont : la grossesse : la DER augmente avec l'augmentation de la masse corporelle. Besoin énergétique supplémentaire = 260 kcal/j l'allaitement : besoin énergétique supplémentaire jusqu'à 600 kcal/j, souvent la mère ne les prend pas et cela facilite la perte de poids après la grossesse le tabac : augmentation de la DE (24 cigarettes= 200 kcal/24h) => d'où la prise de poids progressive lors du sevrage tabagique avec la perte de poids et la ration alimentaire : si on étudie la perte de poids, elle est très rapide au début puis elle diminue et s'arrête. Cela est du à l'évolution du métabolisme de base avec la perte de poids : Diminution de la DE au cours de la restriction alimentaire => diminution du poids mais surtout de la MM (donc il y a une diminution de la DER), de la thermogenèse alimentaire car on mange moins, des dépenses énergétiques dues à l'activité physique (dépenses proportionnelles au poids mobilisé). La contribution relative 8/10

9 des MM et MG dans le poids perdu est dépendante de la MG initiale, car plus la MG initiale est élevée plus la proportion de MG perdue est grande. Plus le déficit calorique est important plus la proportion de MM perdue est importante. De plus il y a des phénomènes de régulation homéostatique : Il y a beaucoup de recherche pour aider la perte de poids diminution du tonus sympathique, réduction des concentrations de T3 (triodothyronine), rôle de la leptine +++ (hormone clé du comportement alimentaire et de la DE). Il y a une protéine très importante : l'ampk (protéine kinase acitvée par l'amp L'AMPK = rôle majeur dans la régulation de la DE L'AMPK = senseur métabolique : active les voies métaboliques qui produisent de l'atp (glycolyseoxydation des AG- synthèse des corps cétoniques) et inhibe les voies métaboliques qui consomment de l'atp (synthèse de cholestérol et de TG, lipolyse dans les adipocytes) l'ampk= enzyme clé de la régulation du métabolisme énergétique en réponse à des signaux hormonaux (ex: ghréline, hormone stimulant appétit), des signaux métaboliques, les effets d'adipokines (synthétisées par le tissus adipeux leptine, adiponectine) VII. Le tissu adipeux brun (TAB) chez l'homme Il dépense énormément d'énergie, rôle dans la thermogenèse la quantité diminue avec l'âge individus minces ou normaux : beaucoup de TAB la quantité diminue avec l'imc => diminution de la thermogenèse avec l'obésité Conclusions : de petites quantités de TAB ont un impact métabolique important. D'un point de vue énergétique et par unité de masse de tissu: le TAB est environ 100 fois plus actif que le tissu adipeux blanc (énergie dissipée VS stockée) L'activation des adipocytes bruns représente une cible potentielle du traitement de l'obésité. VIII. Variabilité d'origine génétique La DER est très proche chez les gens de même famille et il y a une grande concordance chez les jumeaux Génétique et thermogenèse : 40% Génétique et coût énergétique de l'activité : plus faible Génétique et adaptation aux modifications de la prise alimentaire: important dans les mécanismes précoces Bases moléculaires multiples non identifiées: rôle des UCP1 (protéine de la mitochondrie de la thermogenèse) IX. Conclusion L'estimation des DE permet de déterminer les besoins énergétiques d'un patient rôle de l'activité physique +++ mieux comprendre les mécanismes régulant la DER traitement modulant la DER? 9/10

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