FONCTIONS DE NUTRITIONS Nutrition : prise en charge par l organisme d éléments exogènes, les nutriments, présents dans l alimentation. Ces nutriments jouent un rôle spécifique dans l organisme qui a développé des moyens spécifiques pour les capter. I) Les nutriments A) Enjeu de l apport en nutriments Étapes : Ingestion : entrée du nutriment dans le système digestif Digestion : cassure de la structure du nutriment Absorption : prise en charge du nutriment par l organisme Assimilation : devenir immédiat du nutriment Dans l alimentation, seuls les nutriments sont pris en charge, il existe environ 50 molécules différentes, avec 90% de glucides et protéines. Les nutriments correspondent à un besoin double : Besoin en molécules oxydables, énergétiques, pour assurer la fonction vitale Besoin en élément de structure car certains nutriments ne sont pas synthétisés par l organisme, on parle de nutriments indispensables 20% des dépenses énergétiques pour : Synthèse des protéines Détruire protéines externes Récupérer les acides aminés On parle de micro et de macro nutriments. H 2 O (1400 g/j) Glucides (300 g/j) Protéine (100 g/j) Lipides (100 g/j) Prot Glu Lip désamination 300 g/j combustion 500 l/j O 2 450 l/j CO 2 H 2 O 1700 g/j 2500 kcal/j
B) Les principaux nutriments Glucides : présents sous forme de polymères, ex : le glucose sous forme d amidon (300 g/j), présent dans les céréales, le pain, les légumes secs, les tubercules Protéines : les acides aminés vont être séparés du squelette carboné pour être assimilés Lipides : les acides gras, présents sous forme de monomères triglycérides, vont être les seuls assimilés Digestion : polymère => monomère Les comportements sont différents en milieu aqueux : lipides hydrophobes glucides/protéines solubles dans l eau II) Bases anatomiques de la prise en charge des nutriments A) Organisation générale Poumon artères Veines caves coeur La veine porte va permettre au foie de filtrer les nutriments issus du tube digestif => contrôle + rétention Foie Veine porte entérohépatique Reins Tube digestif nutriments cellule Urée, CO 2
Sang = plasma + globules (cellules circulantes) Milieu intravasculaire milieu extravasculaire interstitiel Le milieu interstitiel est composé de protéines collagène qui forment un gel lorsqu elles sont hydratées, ce qui permet la diffusion des molécules hydrosolubles Pour un homme normal : 3L de plasma, 12L de milieu interstitiel, 28L de cellules tube digestif : œsophage > estomac > intestin (duodénum, jejenum et ileon) > colon Système digestif : TD + glandes annexes qui vont y déverser plusieurs molécules glandes salivaires pancréas foie vésicule biliaire servant de réservoir B) Organisation histologique Muqueuse Épithélium (interface entre le lumen et le reste de l organisme) Tissu conjonctif soutenant épithélium Cellules musculaires X Sous muqueuse X X Musculaire externe Vaisseau Cellules nerveuses (neurones) regroupées en plexus Plexus myentrique (muscle de l intestin) Séreuse (ou adventice) C) Organisation fonctionnelle 1) Fonction mécanique La motricité digestive est possible grâce à la musculaire externe et aux cellules musculaires de la muqueuse. On distingue différentes sousfonctions : réservoir (estomac) restitution (vidange gastrique) broyage (bouche et estomac) ou digestion mécanique brassage : mise en contact des enzymes avec leurs substrats grâce à une contraction coordonnée des fibres musculaires longitudinales (diminue la longueur du tube) et circulaires (diminue le diamètre du TD). L avancée du matériel est possible par une contraction avec une coordination différente.
2) Fonction de sécrétion L épithélium sécrète du mucus le protégeant contre les agressions mécaniques ou chimiques. Mucus = glycoprotéines (avec liaisons covalentes)+ lipoprotéines (sans). La mucine est la partie protéique du mucus qui forme du gel, le mucopolysaccharide, lorsqu elle est hydratée. L épithélium sécrète également des glyco/protéo/lipolytiques qui se déversent dans le lumen et sont actives à un ph spécifique, ainsi que pour des relations particulières entre les molécules hydrophiles et hydrophobes, s il y a déversement de certains composés par des glandes annexes. Par exemple : Dans l estomac, ph=2 => déversement d HCl Dans le duodénum, le ph est neutralisé par le HCO 3 La digestion des lipides par le foie se fait avec de l acide biliaire déversé par le canal cholédoque Au niveau buccal : action glycolytique Au niveau stomacal : action protéolytique (et un peu lipolytique) Au niveau intestinal (duodénal) : les 3, grâce aux sécrétions pancréatiques 3) Fonction d absorption Elle est localisée dans l intestin (surtout duodénum, un peu ligunum), et optimisée par l hypertrophie (augmentation de la surface) de l épithélium. lumen Lumen Haut de villosité crypte Lumen Membrane apicale, composée de différentes protéines Bordure en brosse => multiplie la surface Jonctions par 20 serrées Valvule connivente => multiplie la surface par 3 Villosité (20 à 40/cm 2 ) => multiplie la surface par 10 (=5000 entérocytes) Entérocyte (= 200 microvillosités)
4) Fonction de contrôle Deux systèmes de régulation : Système nerveux neurovégétatif à l origine d une innervation extrinsèque : Système sympathique inhibiteur Système parasympathique excitateur L innervation intrasèque est basée sur les plexus redonnant une autonomie locale au segment du TD relié au système neurovégétatif : activité motrice spontanée. Système endocrinien. Une hormone est une molécule synthétisée par une cellule endocrine et déversée dans le plasma pour pouvoir atteindre n importe quelle cellule, mais certaines cibles vont reconnaître l hormone et modifier l activité cellulaire. substrat Mécanorécépteurs, sensibles aux stimulis mécaniques et détectant les aliments ++ Sécrétion d hormones digestives (sécrétine, gastrine, CCKPZ) dans le plasma + + Système nutritionnel Mise en place du stockage dans le foie Il existe des hormones ayant pour cibles des neurones du système nerveux central, comme la GIP (gastro actif intestinal peptide), la VIP (vaso actif intestinal peptide), la GLP (glucagon like peptide) et la PP (polypeptide pancréatique) Les stimulis nerveux sont la vue, l odorat, le goût, la mastication et l ingestion. Le relais est pris par une action endocrinienne inconsciente permettant à l organisme de suivre le cheminement des nutriments dans le leur lieu de stockage. III) Physiologie digestive La digestion chimique débute dès la phase buccale en raison d une activité glycolytique par l amylase salivaire. Cette activité chimique va se poursuivre au niveau stomacal par une action protéolytique (pepsine) et quelques fois lipolytique (celleci étant souvent peu importante). Au niveau intestinal, on aura une activité glycolytique (amylase pancréatique), protéolytique (trypsine et chymotrypsine) et lipolytique (lipase pancréatique).
Fru Glc Na + SGLT 1 A) Les glucides Il y a nécessité d une amylase pour couper la liaison 1>4 liant les monomères de glucose. Amylase salivaire (ptyaline) a une activité optimale pour un ph environ égal à 7 Amylase pancréatique : beaucoup plus efficace car le ph est neutre tout au long de l intestin, l activité optimale est ainsi constante Leur action consiste à couper les liaisons 1>4 de l amidon par hydrolyse pour former des maltoses (dimères de glucose). Il y a également apparition de saccharose et de lactose, mais en plus petite quantité. Il y a ensuite une digestion finale de ces disaccharides, car seuls les monosaccharides peuvent traverser la membrane apicale. Celleci va sécréter des maltases, saccharases et lactases qui vont hydrolyser les disaccharides, conduisant à une apparition de glucose, galactose et fructose à proximité de la bordure en brosse, qui vont être pris en charge par des transporteurs membranaires. Le glucose va utiliser un cotransporteur Na + pour traverser la membrane apicale via le transporteur SGLT 1 (Sodium Glucose Transporteur). Le gradient élevé de Na + va permettre l entrée du glucose dans l entérocyte. On parle de transport actif secondaire. Le glucose va ensuite passer par un deuxième transporteur, le GLUT 2, en diffusion facilitée : c est le gradient de glucose qui va lui faire traverser la membrane basolatérale, il n y a pas besoin d apport énergétique. Le galactose va utiliser le même système, il va traverser la membrane apicale avec le SGLT 1, puis la membrane basolatérale avec le GLUT 2. Le fructose va utiliser un transporteur diffusion facilitée pour la membrane apicale, le GLUT 5, puis va emprunter le GLUT 2. Le fructose est ensuite dégradé dans l entérocyte ou stocké dans le foie, il en subsiste donc peu dans le plasma. Membrane apicale GLUT 5 Fru Glc Na + Membrane basolatérale pompe ionique GLUT 2 Glc K + Fru
B) Les protéines Les mécanismes sont très proches de ceux des glucides mais comportent des différences au niveau physicochimique. L accessibilité des différentes parties de la chaîne protéique est difficile car les structure varient : Structure primaire : chaîne à la solubilité variable selon le ph Structure secondaire : liaisons de faible énergie entre CO et NH induisant une structure hélicoïdale, en feuillet, etc Structure tertiaire : présence de ponts disulfures entre les cystines, liaisons covalentes Structure quaternaire : liaisons faibles entre différentes protéines La protéine s organise avec un regroupement de tous ses domaines hydrophiles à l extérieur et de tous ses domaines hydrophobes à l intérieur (car milieu aqueux). Les enzymes ne peuvent pas ainsi attaquer les structures internes, il est donc nécessaire pour l organisme de dénaturer ces protéines. Cette dénaturation se fait par la chaleur : l agitation thermique va faire coaguler la protéine en exposant ses parties hydrophiles et hydrophobes (ex : la cuisson du blanc d œuf va permettre la récupération de 100% des protéines). On peut aussi les dénaturer par le ph, via un déversement d HCl dans l estomac via les cellules épithéliales grâce à un réarrangement des ions. Cellule de l estomac Plasma CO 2 + H 2 O lumière (augmentation ph) anhydrase carbonique (baisse du ph) HCO 3 H 2 CO 3 HCO 3 H + H + K + K + ATPase Cl Cl Pour atténuer les variations de ph, les cellules pancréatiques vont sécréter du bicarbonate via les canaux ioniques, et ainsi déverser des protons dans le plasma pour neutraliser le HCO 3 et des HCO 3 dans la lumière pour neutraliser les protons. modulation hormonale Dans l estomac, le ph est acide, et il va y avoir sécrétion d enzymes protéolytiques. Dans le contenu duodénal, le ph est neutre et des enzymes protéolytiques d origine pancréatique vont également être sécrétées.
Dans l estomac, l une de ces enzymes protéolytiques, la pepsine, est synthétisée sous forme d un précurseur inactif, le pepsinogène, constitué d une pepsine et de deux peptides inhibiteurs. Ce pepsinogène va se retrouver dans le lumen à ph faible, et le premier peptide inhibiteur va être clivé à un ph de 6, puis le second à un ph inférieur à 5. On passe ainsi à la structure active de la pepsine, activée par un changement de configuration spatiale des protéines qui la compose pour un ph de 2 (ph optimum). La pepsine est donc active à un ph très acide et va s attacher aux liaisons entre les peptides inhibiteurs des autres pepsinogènes : la pepsine va catalyser sa propre formation. Elle va couper l intérieur de la chaîne (endopeptidase), préférentiellement au niveau de la fonction NH 2 d un acide aminé aromatique. La digestion par la pepsine donne des polypeptides de masse molaire élevée : les peptones. Dans le duodénum, il y a déversement de trypsine et de chymotrypsine, sécrétées par le pancréas. Ces acides aminés vont attaquer l intérieur d une chaîne avec une haute spécificité, au niveau carboxylique des acides aminés basiques pour la trypsine et des acides aminés aromatiques pour la chymotrypsine. À l instar de la pepsine, les deux acides vont être sécrétés sous leur forme inactive : (chymo)trypsinogène. Ils vont perdre un peptide inhibiteur sans jeu de ph (car dans l intestin, le ph est neutre), et vont ainsi passer à une forme active. Peptide inhibiteur (lys) Entéropeptidase Protéine trypsine trypsinogène La première molécule de trypsine libérée va se retourner vers les autres trypsinogènes pour détruire les liaisons substrats préférentielles, c est un système amplificateur. La trypsine va également cliver peptide inhibiteur de la chymotrypsine, et va activer d autres protéines, son rôle est donc majeur. Dans la bordure en brosse de l entérocyte, on trouve des enzymes protéolytiques : les exopeptidases et les aminopeptidases (10% des protéines de la membrane apicale). La digestion est terminée par les aminopeptidases au niveau de la membrane apicale. Les acides aminés formés vont pouvoir être absorbés, ils vont être transportés par : un système pour les acides aminés neutres (Valine, Leucine, Glycine) un système pour les acides aminés basiques (Lysine, Arginine, Histidine) un système pour les acides aminés acides un système particulier absorbant proline et hydroxyproline, et aussi glycine (qui donc a un double système de transport) Ces 4 systèmes dépendent des ions sodium et sont interférents, il n y a pas de compétition ou d exclusivité entre eux. Certains dipeptides ou petits peptides traversent également la membrane apicale. Le passage membranaire peut se faire sous la forme de gros peptides, voire de protéines, sans cassure des structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires. Par exemple, chez le nourrisson, la membrane va absorber la protéine de lait maternel sans en altérer la structure. Même des protéines exogènes (alimentaires) peuvent être retrouvées dans le plasma en ayant conservé leur structure.
C) Les lipides On trouve principalement les triglycérides, le cholestérol ou cholestérolester, et des phospholipides. Les lipides sont hydrophobes, donc insolubles dans l eau, ce qui pose un problème pour tous les processus de digestion qui vont être orientés vers la résolution de ce problème. Il faut en effet créer une émulsion, action nécessitant un détergent (molécule amphiphile, avec un côté hydrophobe et un côté hydrophile) qui va se lier aux lipides pour les transporter à travers le milieu aqueux. Le détergent utilisé chez l Homme va principalement être l acide biliaire emmené par le cholédoque, principalement l acide cholique dérivé du cholestérol. Les acides biliaires réabsorbés par l intestin vont pouvoir être redéversés par le foie pour contribuer à une économie d énergie, c est le cycle entérohépatique. Une partie de ces acides ne vont pas être réabsorbés car «figés» par les aliments et éliminés à l extérieur grâce aux fibres alimentaires. La synthèse d un acide biliaire permet d éliminer une molécule de cholestérol. Des lipases vont s attaquer aux lipides. On trouve : La triglycéridelipase à plusieurs niveaux du tube digestif : dans la partie haute avec la lipase linguale (chez le nourrisson), et surtout dans la partie intermédiaire avec la lipase gastrique et basse avec la lipase pancréatique. Celleci va décrocher un acide gras d un triglycéride, le transformant en diglycéride, puis va lui enlever un autre acide gras (2monoglycéride) et un dernier, donnant ainsi pour chaque lipide 3 acides gras libres et légèrement amphiphiles. La cholestérolestérase, qui hydrolyse le cholestérolester au niveau de la liaison entre le cholestérol et l acide gras. La phospholipase, qui par son action va libérer un acide gras et un phospholipide amphiphile. Les lipases sont activées sur leur lieu d action spécifique. En effet, elles sont sécrétées par le pancréas sous leurs formes actives mais doivent se lier à un triglycéride (ou autre) via une autre protéine : la colipase. Cette colipase est ellemême sécrétée sous la forme inactive de procolipase avec un peptide inhibiteur masquant le domaine actif hydrophobe et clivé par la trypsine, activant ainsi la colipase. Le complexe lipasecolipase est ainsi actif. Mais le problème de la solubilité se pose encore à la fin de la digestion : comment éliminer les lipides des sites d actions des lipases? Pour cela vont apparaître des molécules davantage hydrophiles : les micelles. Les micelles ont une structure plurimoléculaire en bicouche et sont composés de tous les lipides produits par la digestion, les groupements hydrophiles à l extérieur et les groupements hydrophobes tournés vers le cœur du micelle. Les micelles vont se diffuser dans la couche aqueuse non agitée de très faible épaisseur qui couvre la membrane apicale. Les molécules comme le cholestérol libre vont pouvoir quitter le micelle et se diffuser vers la membrane apicale, ce flux vers l intérieur de la cellule est permis grâce aux gradients de concentrations et entretenu par : les transporteurs reconnaissant les acides gras l inertie de la membrane apicale qui empêche une rediffusion des acides gras vers l extérieur : les molécules sont en effet neutralisées et physiquement inertes Un acide gras libre va être reconnu par la protéine FABP et va subir des modifications biochimiques comme la réesterification (exemple : CHC + AG = CHE). Les molécules réestérifiées sont très hydrophobes, ce qui empêche toute rediffusion. Le matériel lipidique est renvoyé vers le reste de l organisme, exporté par les chylomicrons. Après digestion, le plasma est lactescent car il y a suspension de chylomicrons gorgés de triglycérides.