L2 S3 CD7 Année Bioénergétique, Biochimie, Métabolisme. Didier Chapelot

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1 L2 S3 CD7 Année Bioénergétique, Biochimie, Métabolisme Didier Chapelot

2 Volume horaire et répartition : 9 cours / 18 h 6 CM (du 11 septembre au 6 novembre le lundi de 8 à 10h) 3 TD (les lundis de 14h30 à 16h30 ou de 16h30 à 18h30, à partir du 18 septembre) CM et TD dissociés => TD illustration des CM mais du travail pratique sur des situations de métabolisme à l effort Evaluations : CM (sur 10 points) : - Partiel de 30 min avec 2 questions de 15 min chacune valant 5 points chacune TD (sur 10 points) : - Présence et travail effectif = 1 pt / chacun des 3 TD (= 3 points) - Contrôle terminal d 1h portant sur les 3 TD (= 7 points) pour l ensemble de la promo, le mardi 12 décembre

3 En guise de préambule : FAQ Qu est-ce que l énergie? C est la capacité d'un système à produire un travail, produisant par exemple de la lumière, de la chaleur ou de l électricité ou entraînant un mouvement Quel rapport avec le sport, l exercice ou l activité physique? Ils nécessitent un cycle contraction/relaxation musculaire qui a besoin d énergie pour se réaliser. Cette énergie est chimique On parle de dépense énergétique : est-ce la même chose que l énergie dont a besoin le muscle pour se contracter/relaxer? Oui, il en consomme, mais en plus le muscle produit de l énergie, sous forme de chaleur, qui est comprise dans l énergie que l on dit nécessaire à l effort D où vient l énergie que le muscle utilise pour se contracter/relaxer? De l extérieur du corps, c est ce qu étudie la bioénergétique

4 En guise de préambule : FAQ Qu est-ce que la bioénergétique? Branche de la biochimie qui analyse le flux d'énergie dans les systèmes vivants Qu étudie-t-elle? Les processus de transformation de l'énergie dans les systèmes vivants considérés comme des systèmes ouverts Pourquoi système ouvert? Parce que l intérieur du corps est en échanges d énergies permanents avec l extérieur Qu est-ce que cela implique pour la fourniture d énergie nécessaire à l effort? Qu il y ait une source d énergie dont le flux (vitesse) est suffisant à maintenir le cycle contraction/relaxation du muscle

5 Bases de bioénergétique 1. Les lois de la thermodynamique 2. Les types d énergie 3. Le corps comme lieu de transformation d énergie 4. L énergie brute et métabolisable 5. L énergie nette 6. Les méthodes de mesure de la dépense énergétique 7. L équivalent énergétique de l oxygène 8. Le rôle de la mitochondrie 9. La définition et la signification du quotient respiratoire 10. La mesure et l intérêt de la (du) V O 2max 11. La définition et l utilisation du MET 12. Les relations entre V O 2 et fréquence cardiaque 13. La notion de lipoxmax (utilisation des lipides selon intensité)

6 1. Lois thermodynamiques Lois de la thermodynamique 1ère loi : la quantité d énergie dans l univers est toujours constante

7 1. Lois thermodynamiques Entropie élevée => moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, plus grande est la part de l énergie inutilisée pour l'obtention d'un travail Fonction qui mesure le désordre : l entropie augmente quand le désordre de la matière croît Illustrations : 1. Biosphère 2. Amphithéâtre bondé 3. Voiture avec 4 passagers vitres fermées

8 1. Lois thermodynamiques Lors du passage d une forme d énergie autre La différence entre énergie chimique absorbée et rendue (ΔU) est la somme de la chaleur produite (q) qui doit être dissipée et du travail mécanique produit (w) => U finale - U initiale = ΔU = q + w Une réaction exothermique est celle qui dégage de la chaleur : H 2 (g) + ½ O 2 (g) ---> H 2 O (g) + Energie Une réaction endothermique utilise de l énergie MAIS ATTENTION à une En biologie on appelle endothermes les organismes qui produisent leur température corporelle grâce à leur métabolisme interne.

9 Bases de bioénergétique 1. Les lois de la thermodynamique 2. Les types d énergie 3. Le corps comme lieu de transformation d énergie 4. L énergie brute et métabolisable 5. L énergie nette 6. Les méthodes de mesure de la dépense énergétique 7. L équivalent énergétique de l oxygène 8. Le rôle de la mitochondrie 9. La définition et la signification du quotient respiratoire 10. La mesure et l intérêt de la (du) V O 2max 11. La définition et l utilisation du MET 12. Les relations entre V O 2 et fréquence cardiaque 13. La notion de lipoxmax (utilisation des lipides selon intensité)

10 2. Les types d énergie Trois types d énergie Mécanique : unité = le joule : J, si 1000 J = 1 kj Le newton (N), c est la force qui appliquée à un objet d 1 kg pendant 1 seconde, va le déplacer avec une accélération d 1 m/s. Chaque N de plus augmente cette accélération d 1 m/s = 1 kg x m x s -2 Le joule (J) c est le travail d'une force motrice d 1 N dont le point d'application se déplace d 1 mètre dans la direction de la force = 1 kg x m² x s - ² Par définition, l énergie mécanique (W pour work) mise en jeu par un déplacement = produit de la force nécessaire à la réalisation de ce déplacement (F, en newton) par la longueur du déplacement (l, en m) W = F x l

11 2. Les types d énergie Trois types d énergie Mécanique : unité = le joule : J, si 1000 J = 1 kj L'énergie mécaniques existe sous deux formes : Potentielle et Cinétique :

12 2. Les types d énergie Trois types d énergie Mécanique : unité = le joule : J, si 1000 J = 1 kj L'énergie mécaniques existe sous deux formes : Potentielle et Cinétique : Ep + Ec restent constants

13 2. Les types d énergie Trois types d énergie Thermique : unité = la calorie (cal),

14 2. Les types d énergie Trois types d énergie Thermique : unité = la calorie si 1000 cal = 1 kcal (cal), Radiations Evaporation conduction Convection = énergie endogène Conduction

15 2. Les types d énergie Trois types d énergie Evaporation Convection Conduction Radiation Production de chaleur à l effort

16 2. Les types d énergie Radiation Évaporation T ambiante Convection T centrale T peau Conduction

17 2. Les types d énergie CO 2 = dioxyde de carbone Trois types d énergie Chimique : H 2 O = monoxyde de di-hydrogène Organisme humain = chimiotrophe hétérotrophe

18 Bases de bioénergétique 1. Les lois de la thermodynamique 2. Les types d énergie 3. Le corps comme lieu de transformation d énergie 4. L énergie brute et métabolisable 5. L énergie nette 6. Les méthodes de mesure de la dépense énergétique 7. L équivalent énergétique de l oxygène 8. Le rôle de la mitochondrie 9. La définition et la signification du quotient respiratoire 10. La mesure et l intérêt de la (du) V O 2max 11. La définition et l utilisation du MET 12. Les relations entre V O 2 et fréquence cardiaque 13. La notion de lipoxmax (utilisation des lipides selon intensité)

19 3. Corps, lieu de transformation d énergie Les aliments = molécules comestibles Omnivore a sélectionné dans son environnement l énergie utilisable Aliments constitués de macronutriments : 1. carbone (carbone 12), 2. utilisables par l organisme, 3. énergie potentielle Energie vient : 1. des électrons 2. des liaisons entre carbones

20 3. Corps, lieu de transformation d énergie Problème d'unités La mole (mol) : quantité de matière contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12 ( 12 C) Le carbone a donc par définition une masse molaire de 12 g (/mol) Une mole contient 6, d'atomes = constante d'avogadro Il y a le même nombre d'atomes dans une mole de carbone que dans une mole de plomb ( millards de millards) Un tel nombre d atomes pèse 1 g/mol si c est de l hydrogène, 16 g si c est de l'oxygène => l'eau (H 2 O) pèse donc (1 2) + 16 = 18 g/mol Le glucose C 6 H 12 O 6 pèse (12 6C) + 1 (1 g = 12H)... mole + (16? 6O) = = 180 g/mol => 1 g = 1 mol/180 = 5,55 mmol 180 g = 1 mole

21 3. Corps, lieu de transformation d énergie Chaleur Sucres Graisses Glucose Eau Acide gras Protéines Dioxyde de carbone Acide aminé

22 Bases de bioénergétique 1. Les lois de la thermodynamique 2. Les types d énergie 3. Le corps comme lieu de transformation d énergie 4. L énergie brute et métabolisable 5. L énergie nette 6. Les méthodes de mesure de la dépense énergétique 7. L équivalent énergétique de l oxygène 8. Le rôle de la mitochondrie 9. La définition et la signification du quotient respiratoire 10. La mesure et l intérêt de la (du) V O 2max 11. La définition et l utilisation du MET 12. Les relations entre V O 2 et fréquence cardiaque 13. La notion de lipoxmax (utilisation des lipides selon intensité)

23 4. L énergie brute et métabolisable Énergie brute (EB) d un aliment O 2 23

24 4. L énergie brute et métabolisable Énergie brute (EB) d un aliment Unité : calorie Définition : chaleur nécessaire pour élever de 14,5 à 15,5 C la température (T ) d 1 g d eau Q. Combien faut-il de calories pour faire monter d'1 C un volume de 10 L d'eau à 14,5 C? R. 10 L = ml, 1 ml = 1 g => 10 L = g => nécessite fois plus d énergie qu 1 g = cal, 1 kcal = cal => 10 L nécessite 10 kcal 24

25 4. L énergie brute et métabolisable Énergie brute (EB) d un aliment Exemples de valeurs obtenues glucides = 4,20 kcal/g lipides = 9,45 kcal/g protides = 5,65 kcal/g Q. 1 sucre pèse 5 g, de combien de litres d'eau à 14,5 C peut-il faire augmenter la température de 1 C R. Le sucre est un glucide donc 5 g de glucides correspond à : 5 4,20 21 kcal = cal Si 1 cal fait monter 1 g (ml) d'eau à 14,5 C de 1 C => cal pourraient élever la température de ml d eau = 21 L de 1 C Sucre dans le café ne le réchauffe pas car il ne libère pas son énergie => nécessite une oxydation 25

26 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) Définition (dictée) Quantité d énergie plus faible que dans la bombe calorimétrique Pourquoi? 1. Absorption intestinale : CUD coefficient d utilisation digestive Energie potentielle 2. Différence combustion et oxydation des protéines > Energie restituée 26

27 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 1. Coefficient d utilisation digestive Cette analyse conduit à la définition du CUD : Quantité ingérée Quantité excrétée 100 (%) Quantité ingérée Le CUD des glucides est 100 % Le CUD des lipides est de 95 %. Le CUD des protéines est variable selon leur valeur nutritionnelle ( de 80 à 100 %). Le CUD total est de l ordre de 95 %

28 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 1. Coefficient d utilisation digestive Le cas particulier des fibres Définition Comestibles mais pas digestibles Intérêts : progression des aliments, transit quotidien Pas de valeur énergétique = CUD nul Origines : Produits céréaliers complets Fèves Fruits Légumes Aliments enrichis 28

29 De Physiologie de l'activité physique McArdle, Katch & McArdle 4ème édition Maloine/Edisem 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 1. CUD (CUD) -30% -5% -3% 29

30 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 2. Protéines Soja, poisson Structure chimique générale des acides aminés carboxyle 30

31 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 2. Protéines Azote (N) : spécificité des protéines/protides/acides aminés Quand un groupement d atomes possède un azote (N) on appelle cela une fonction amine Désamination/transamination : perte d un atome d azote (N) Urée : Protéine + O 2 CO 2 + H 2 O + Urée + Energie Voie préférentielle d élimination de l azote (N) en excès Squelette carboné débarrassé de son (ses) azote(s) peut ensuite fournir de l énergie Chaque molécule d urée porte 2 azotes (N) 31

32 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) 2. Protéines L urée est fabriquée par le foie et éliminée par les reins NH 4 + : ammonium 32

33 4. L énergie brute et métabolisable Energie métabolisable (EM) Valeurs des coefficients d Atwater Quantité d énergie d un macronutriment Moyen mnemotechnique : mon 4 4 neuf (9) marche au GPL kcal/g Kjoules/g Glucides 4 17 Protides 4 17 Lipides 9 38 Alcool 7 A savoir par 29 E = 4 G + 4 P + 9 L (+ 7 A) en kcal Fibres => - 4% 33