Dr BOGGIO Les nutriments et le métabolisme 2.1 S1 Biologie fondamentale IFSI Dijon - Promotion COLLIERE 2014-2015 11 Nutrition et métabolisme Fonction physiologique de l alimentation (l'alimentation a de nombreuses autres fonctions) Les aliments apportent des molécules appelées nutriments. Glucides, lipides, protéines Sels minéraux et vitamines Certains (glucides et lipides) apportent de l'énergie. (mesurée en kilocalories ou en kilojoules) Le catabolisme de ces nutriments conduit à la formation d'atp. D'autres nutriments sont nécessaires au renouvellement et au fonctionnement des structures La plupart des aliments contiennent plusieurs nutriments. On appelle «groupe d aliments» les aliments contenant en gros les mêmes proportions de nutriments. Cinq groupes : céréales, fruits et légumes, viandes-poissons-œufs, produits laitiers, matières grasses. Origine animale ou végétale. L'Homme est un omnivore : il ne dépend pas d'une seul groupe d aliments. Plusieurs groupes sont nécessaires. Les sources alimentaires des nutriments Glucides. Lactose dans le lait. Fructose : fruits et légumes Saccharose : canne, betterave, miel Un peu de glycogène dans les viandes. Surtout : amidon, polysaccharide : céréales, tubercules, racines. N.B. Cellulose : polysaccharide non digestible fibre alimentaire la plus abondante augmentation du volume des selles, facilitant la défécation. Lipides. Surtout triglycérides.
Aussi phospholipides et cholestérol. Lipides dits saturés (peu de doubles liaisons dans les acides gras) : plutôt dans les lipides animaux. Lipides dits insaturés : plutôt dans les lipides végétaux (graines, noix, huiles végétales). Le cholestérol se trouve dans les lipides d'origine animale. Protéines. Protéines animales : œuf, lait, viandes : meilleure valeur biologique (meilleure aptitude à apporter les bonnes proportions d acides aminés nécessaires). optimale. Mais chères. Protéines végétales : céréales, légumineuses : proportions d acides aminés moins adéquates. Gagnent à être consommées simultanément (céréales et légumineuses). Moins chères. Utilisation Vitamines. Nutriments nécessaires en petite quantité. n = 13. Présentes dans de nombreux aliments, mais jamais toutes dans le même aliment. Nécessité d une certaine diversité (différents groupes alimentaires). Les vitamines ont des rôles très variés. La plupart des vitamines sont des précurseurs de coenzymes, molécules qui agissent conjointement avec les enzymes. Minéraux. Besoins quotidiens : plusieurs milligrammes de calcium, phosphore, soufre, sodium, potassium, chlore, magnésium, fer et plusieurs microgrammes d autres minéraux : iode, fluor Comme les vitamines : les minéraux sont répartis dans plusieurs groupes alimentaires : pas d exclusivité. Métabolisme Ensemble des réactions chimiques nécessaires au maintien de la vie. Anabolisme + catabolisme. Catabolisme : dégradation de substances complexes en substances simples avec libération de l énergie de liaison, transférée sur l ATP énergie utile pour les synthèses, les contractions, les échanges actifs Anabolisme : synthèse de grosses molécules à partir de petites grâce à l énergie de l ATP.
Tous les nutriments n ont pas la même destinée dans toutes les cellules. Par exemple le glucose est dégradé pour donner de l ATP dans toutes les cellules. Par contre les acides gras ne sont utilisés pour donner de l énergie que dans certaines cellules. Ils peuvent aussi être utilisés pour former des lipides de structure comme dans la myéline. Les acides aminés sont protégés. Ce sont des molécules nobles. Elles conduisent aux protéines du corps (protéines de structure comme l'actine, la myosine, le collagène... et protéines fonctionnelles comme l'hémoglobine et les enzymes). Seul leur excès est dégradé en énergie. Le métabolisme des glucides Le glucose occupe une place centrale. Il est le principal produit de la digestion des glucides. Il est le principal combustible servant à la production d ATP dans la plupart des cellules. (Le foie utilise plutôt des acides gras.) Dans les cellules, le glucose est décomposé morceau par morceau. Les liaisons entre les carbones sont scindées. C est la glycolyse. Elle aboutit à l acide pyruvique. Elle s effectue dans le cytoplasme des cellules. Puis l acide pyruvique est dégradé dans les mitochondries dans un ensemble de réactions appelé «cycle de Krebs». Au cours de la glycolyse et du cycle de Krebs, les atomes d hydrogène sont arrachés puis se combinent (dans les mitochondries) à l oxygène. Cette dernière étape est appelée la chaîne de transport des électrons ou phosphorylation oxydative. Les atomes d hydrogène cèdent leur électron et deviennent des protons H+. Les électrons passent sur une série de transporteurs. Le passage d un transporteur au suivant libère de l énergie à chaque étape. A la fin de ce processus, l hydrogène se lie à l oxygène pour donner de l eau. D où le nom de «respiration cellulaire» parfois donné également à ces réactions.
Figure 14.18 Toutes ces réactions (glycolyse, Krebs mais surtout la phosphorylation oxydative) conduisent à la formation d ATP. En résumé, l énergie chimique qui se libère du fait de la rupture des liaisons entre atomes du glucose sert à lier des groupements phosphates sur des molécules d ADP pour donner de l ATP. Résumé Figure 14.17 La beauté du processus, c est qu il y a peu de pertes d énergie sous forme de chaleur au cours des différentes réactions. Toute l énergie de liaison des atomes de la molécule de glucose se retrouve dans les molécules d ATP. Après les repas, le glucose provenant du repas et arrivant dans le sang est en excès par rapport aux besoins. Le taux de sucre dans le sang augmente : hyperglycémie. Une partie du glucose en excès est stocké dans le foie et les muscles sous forme de glycogène. Le processus est la glycogenèse. Si les stocks de glycogène sont pleins, l excès de glucose est transformé en triglycérides et s accumule dans le tissu adipeux. A distance des repas, la glycémie diminue. Pour éviter que les cellules soient privées de glucose, le foie dégrade le glycogène et libère du glucose (glycogénolyse). Figure 14.20a. L orientation vers la glycogenèse et la glycogénolyse est assurée par les variations du taux d insuline, elles-mêmes liées aux variations de la glycémie (Cf. Endoc.). Le métabolisme des lipides 14.20 b Les produits de la digestion des lipides (acides gras, glycérol) parviennent au foie. Le foie utilise les acides gras comme source d énergie pour son activité (intense!). Des acides gras, glycérol sont exportés vers d autres cellules qui peuvent
1. s en servir pour élaborer leurs membranes cellulaires, y compris la myéline, ou pour synthétiser des hormones stéroïdes. 2. mettre de l énergie en réserve dans le tissu adipeux, sous la peau, surtout celle des hanches ou de l abdomen, ou sous forme de coussinets protégeant les organes fragiles, comme les reins. Beaucoup d énergie dans peu d espace. 3. les utiliser comme source d énergie (surtout les acides gras) dans de nombreux tissus à la place du glucose. La différence entre la glycolyse et la dégradation des acides gras, c est que celle-ci conduit à l acide acétique et non pas à l acide pyruvique. Ces chaînons d acide acétique sont oxydés CO2, H2O, ATP. La fin de ce catabolisme est identique à celui du glucose. Le cholestérol ne sert pas de combustible (= il n'est pas dégradé pour donner de l'énergie). Il est transformé pour donner des stéroïdes, des acides biliaires ou bien il est incorporé dans les membranes cellulaires. Le métabolisme des protéines Les protéines ingérées sont dégradées (par les protéases) en acides aminés par la digestion. Ils passent dans le sang (absorption). Ils y rejoignent les acides aminés provenant de la dégradation des protéines cellulaires Ils sont captés par les cellules de tous les tissus pour élaborer leurs propres protéines (enzymes, actine-myosine, hormones, récepteurs ) Ainsi il y a un recyclage d une partie des acides aminés provenant de la dégradation des protéines corporelles. Le complément vient des acides aminés issus de la digestion. L entrée des acides aminés dans les cellules est un processus actif. L excès d acides aminés est dégradé. Pour cela, ils doivent perdre leur fonction amine NH 2, transformée dans le foie en urée. La partie de la molécule qui a perdu la fonction amine rejoint le cycle de Krebs et donne de l énergie. N.B. parmi les 20 types d acides aminés, 9 sont essentiels (ou indispensables). Ils ne peuvent pas être synthétisés dans l organisme humain.
Ils doivent donc être présents dans l alimentation. Les protéines alimentaires les contiennent tous mais dans des proportions plus ou moins adaptées aux besoins. Cela explique que certaines protéines aient une meilleure valeur biologique que d autres. Le rôle capital du foie dans le métabolisme Une usine. Complexe. Rôle dans la digestion : bile Détoxication des médicaments (Cf. U.E. Pharmacologie). Mais surtout : nombreuses fonctions dans le métabolisme. Activité cruciale en matière de métabolisme Position originale : le système porte hépatique apporte directement au foie ce qui vient de l absorption intestinale. Autrement dit, la plupart des nutriments provenant de la digestion passent d abord par le foie. Le foie est donc le premier à satisfaire ses besoins. Il est bien placé pour modifier ces nutriments. Exemples du rôle du foie dans le métabolisme. - Maintien de la glycémie. La glycémie doit être maintenue entre 3,9 et 6,1 mmol/l. Après le repas : hyperglycémie post-prandiale liée à l'arrivée dans le sang du glucose provenant de la digestion. glycogenèse (fabrication de glycogène par le foie). Stockage du glycogène dans le foie. Puis à distance des repas : glycogénolyse (dégradation du glycogène) et libération du glucose dans le sang. Mais le foie est aussi le lieu de la néoglycogenèse : formation de glucose à partir d autres choses que des glucides : acides aminés, glycérol, acide lactique (mais jamais acides gras). 14.21. L insuline est l intermédiaire des réajustements métaboliques. Glycémie élevée sécrétion d insuline glycogenèse. Glycémie diminuée réduction de la sécrétion d insuline glycogénolyse et néoglycogenèse - Le foie oxyde des acides gras pour en tirer l énergie dont il a besoin. Il transforme les acides gras en chaînons d acide acétique.
Au cours du jeûne, une partie des lipides est transformée (dans le foie) en corps cétoniques dont l un d entre eux, l acétone, est volatil et donne à l haleine une odeur de dissolvant à ongles. L intérêt des corps cétoniques n apparaît que si le jeûne se prolonge. En effet, certaines cellules, les neurones en particulier, n utilisent normalement que le glucose comme source d énergie. Mais si le jeûne se prolonge, les neurones retrouvent la capacité à utiliser des corps cétoniques (lesquels proviennent des lipides) Cette production de corps cétoniques, peut aussi se produire au cours du diabète sucré par privation d insuline. - Le foie synthétise du cholestérol (qui s'ajoute au cholestérol alimentaire). - Toutes les protéines plasmatiques sont synthétisées par le foie. La plus abondante est l albumine plasmatique. Les protéines, sont absentes des liquides interstitiels. Elles créent dans le plasma une pression osmotique qui tend à retenir l eau dans le plasma. Si la concentration de protéines plasmatiques diminue, l eau sort dans les liquides extracellulaires : c est l œdème. - Le foie synthétise aussi et exporte les protéines de la coagulation. - Le foie fabrique aussi l urée, déchet du métabolisme, provenant des fonctions NH 2 des acides aminés. [Addendum : Les organes du TD dont on peut se passer] Transport des lipides (notamment du cholestérol) dans le plasma. Le cholestérol est un lipide spécial. Il n est pas utilisé comme source d énergie. Il est à l origine des hormones stéroïdes et il est un élément des lipides des membranes plasmiques. 15% du cholestérol plasmatique est d origine alimentaire, 85% est fabriqué par le foie. Le cholestérol est dégradé en sels biliaires (dans le foie). Les sels biliaires sont des constituants de la bile. Après avoir agi dans la digestion des lipides,
ils sont évacués dans les fécès. Les acides gras, les lipides et le cholestérol ne sont pas solubles dans l eau (donc dans l eau du plasma) et circulent dans le plasma sanguin sous forme liée à des protéines. Les structures complexes ainsi formées sont des lipoprotéines. Il y a plusieurs catégories de lipoprotéines. Il est recommandé de connaître : les LDL, lipoprotéines de basse (= low) densité = LDL. les HDL, lipoprotéines de haute (= high) densité = HDL. Les LDL transportent le cholestérol et les autres lipides vers les cellules de l organisme qui en font divers usages. Si les LDL sont abondantes, des lipides se déposent sur les parois des artères, formant des plaques d athérome. Le cholestérol des LDL est appelé le «mauvais cholestérol». Les HDL transportent le cholestérol hors des cellules vers le foie où il transformé en sels biliaires et/ou éliminé dans la bile. Le cholestérol des HDL est appelé le bon cholestérol. C est en définitive le rapport HDL/LDL qui est déterminant. Rappels : L équilibre énergétique. L énergie ne disparaît pas. L énergie peut être convertie d une forme à une autre. Les apports énergétiques sont représentés par les aliments. Unité d'énergie usuelle : la kilocalorie (kcal) 1 kcal = 4,18 kj Apport énergétique = énergie provenant des aliments Glucides : 4 kcal/g Lipides : 9 kcal/g Protides : 4 kcal/g Alcool : 7 kcal/g La nature des aliments n intervient pas. Ce sont les calories qui comptent. Dépense énergétique = métabolisme basal + dépense d énergie liée à l activité physique.
Métabolisme basal = dépense énergétique de repos. Dépense liée au fonctionnement des activités vitales (survie). Il dépend de la taille et du poids, de l âge et du sexe. Métabolisme basal de l'homme moyen jeune : Environ 1 kcal / min = 1500 kcal / 24 h. Dépense énergétique liée à l activité physique = très variable (y compris à emploi du temps identique). Equilibre énergétique. Apports énergétiques = dépense énergétique Sinon : variations des réserves énergétiques. L équilibre de la balance énergétique est bien réalisé (spontanément) et le poids corporel reste stable. La régulation se fait essentiellement par adaptation des apports aux dépenses, quelquefois par adaptation des dépenses aux apports. Régulation à court terme : début et fin des repas sont rythmés par : faim, glycémie, satiété, mémoire métabolique et régulation à long terme : maintien d'une masse corporelle stable par une hormone (leptine) issue du tissu adipeux. Perdre du poids est donc simple (pas forcément facile) : il suffit de réduire les apports et/ou d'augmenter les dépenses en supportant la faim! Thermorégulation Le maintien d une température corporelle stable autour de 37 C est un impératif vital. Toute l énergie dépensée est dissipée sous forme de chaleur production d un travail externe). (sauf en cas de Le maintien de la température corporelle suppose l'équilibre thermique : chaleur produite par le métabolisme (thermogenèse) + chaleur reçue depuis l'environnement par radiations, conduction et convection = chaleur perdue dans l'environnement (thermolyse) par radiations, conduction, convection et évaporation. Habituellement : l'équilibre thermique est assuré par des décisions comportementales = thermorégulation comportementale : vêture, chauffage, activité physique.
En l'absence de comportement adapté ou dans des situations extrêmes, une thermorégulation physiologique active assure l'équilibre thermique. En cas d'exposition au froid, on observe une vasoconstriction cutanée ( refroidissement de la peau, donc diminution de la thermolyse) et un renforcement du tonus de posture ( production de chaleur = thermogenèse), voire un frisson thermique ( très forte production de chaleur). En cas d'exposition au chaud intense ou d'effort physique intense : vasodilatation ( réchauffement de la peau, donc augmentation de la thermolyse) et surtout sudation thermique (production de sueur qui s'évapore : l'évaporation fait perdre de la chaleur). Mécanismes de la thermorégulation. Phénomènes réflexes. Les centres de régulation sont dans l'hypothalamus. Celui-ci «dispose» d'une valeur de référence (température de consigne). Détailler la figure 14.22 Si la balance thermique est déséquilibrée : coup de chaleur ou Hypothermie. La fièvre résulte d'un dérèglement de la température de consigne.