Fiche de révision : Bioénergétique et thermorégulation

📋 Plan du Cours

1. Échanges thermiques avec l’environnement
2. Formes et réserves énergétiques
3. Voies de production énergétique
4. Dépenses énergétiques et métabolisme
5. Production de chaleur musculaire
6. Mitochondrie et respiration aérobie
7. Chaîne respiratoire et ATP synthase
8. Régulation et agents découplants
9. Agents découplants mitochondriaux
10. Espèces réactives de l’oxygène
11. Organisation de la thermorégulation
12. Échanges et bilan thermiques
13. Réponses au froid

📖 1. Échanges thermiques avec l’environnement

★ À maîtriser

• Le corps échange en permanence de la matière et de l’énergie avec son environnement par le tube digestif, l’appareil respiratoire, l’appareil urinaire, le système circulatoire et la peau.

• La respiration réalise des échanges gazeux alvéolaires de dioxygène et de dioxyde de carbone, humidifie l’air inspiré avec une perte d’eau expirée et le réchauffe généralement avec un efflux de calories vers l’extérieur.

• La peau entraîne une perte d’eau par évaporation et transpiration et provoque une déperdition calorique si le milieu extérieur est plus froid que l’individu, mais un apport calorique s’il est plus chaud.

Compléments

• L’alimentation est la première source de calories provenant de l’environnement, mais l’apport calorique est limité lorsque les aliments sont à une température supérieure à 37 °C.

📖 2. Formes et réserves énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : ou adénosine triphosphate, est la molécule énergétique de prédilection des cellules.

★ À maîtriser

• Les formes d’énergie sont:

  • l’énergie thermique ou calorique
  • l’énergie mécanique
  • l’énergie biochimique

• Les trois natures de réserves énergétiques sont:

  • les glucides
  • les lipides
  • les protides

• 🔄 L’ordre de mobilisation est:

  1. réserves glucidiques
  2. réserves lipidiques
  3. réserves protidiques

Compléments

• Les réserves glucidiques sont utilisées immédiatement et épuisées en moins d’un jour de jeûne, tandis que les réserves lipidiques sont utilisées après 24 heures de jeûne lorsque les glucides deviennent insuffisants.

💡 Astuce mémo

Glucides d’abord, lipides ensuite, protides en dernier

📖 3. Voies de production énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Filière aérobie : est l’ensemble des processus énergétiques nécessitant de l’oxygène et conduisant à la respiration cellulaire.

★ À maîtriser

📌 La filière anaérobie ne nécessite pas d’oxygène et utilise notamment l’hydrolyse de l’ATP, de la phosphocréatine, la glycolyse et certaines étapes du cycle de Krebs.

• La filière aérobie est la filière énergétique cellulaire de prédilection chez l’homme car elle fournit plus d’énergie que la filière anaérobie.

Compléments

• La glycogénolyse aérobie produit 6 fois plus d’ATP au repos et jusqu’à 130 fois plus d’ATP en exercice maximal que la glycogénolyse anaérobie.

💡 Astuce mémo

Anaérobie sans O₂, aérobie avec O₂

📖 4. Dépenses énergétiques et métabolisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : est l’ensemble des transformations chimiques et biologiques qui ont lieu au sein d’un organisme et comprend le catabolisme et l’anabolisme.

★ À maîtriser

📌 Les dépenses énergétiques minimales sont obligatoires et servent au métabolisme basal, tandis que les dépenses contingentes sont non obligatoires et dépendent du contexte physiologique.

• La vie végétative de repos représente 60 % de la dépense énergétique basale et comprend notamment le travail cardiaque, la ventilation de repos, les éliminations rénales et les sécrétions digestives et hormonales.

📌 Les transports ioniques transmembranaires représentent 20 % de la dépense énergétique basale, notamment via la pompe Na⁺/K⁺ ATPase qui utilise l’hydrolyse de l’ATP pour déplacer Na⁺ vers l’extérieur et K⁺ vers l’intérieur contre leurs gradients de concentration.

• Les principales dépenses contingentes sont:
  • la thermorégulation
  • la digestion
  • la croissance
  • les exercices musculaires

Compléments

• Il concerne les échelles:
  • moléculaire
  • organitique
  • cellulaire
  • tissulaire
  • organique
  • systémique

💡 Astuce mémo

60-20-20 : vie végétative, renouvellement, transports ioniques

📖 5. Production de chaleur musculaire

📝 Points essentiels

• Lors d’une contraction musculaire, la force augmente jusqu’à un plateau puis le muscle se relâche, tandis que l’ATP est consommé à chaque étape pour convertir l’énergie biochimique en énergie mécanique.

• La production de calories a lieu lors de l’activation, du maintien de la contraction et du relâchement musculaires.

• Le recouvrement permet: la synthèse de l’ATP, la synthèse des précurseurs de l’ATP, la reconstitution des stocks de substrats énergétiques, l’élimination des déchets, la réparation des organites ou des tissus lésés

💡 Astuce mémo

Activation → contraction → relâchement → recouvrement

📖 6. Mitochondrie et respiration aérobie

🔑 Notions clés & Définitions

• Mitochondrie : est un organite intracellulaire ovoïde constitué d’une membrane externe, d’une membrane interne portant des crêtes, d’un espace intermembranaire et d’une matrice mitochondriale.

📝 Points essentiels

• La mitochondrie est le siège du cycle de Krebs, de l’hélice de Lynen et de la respiration cellulaire, et constitue le principal lieu de production aérobie d’ATP avec consommation d’O₂.

• Le glucose est dégradé dans le cytosol par glycolyse en deux molécules de pyruvate à trois carbones, qui sont soit transformées en lactate dans la voie anaérobie, soit converties en acétyl-CoA dans la mitochondrie pour intégrer le cycle de Krebs.

• Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice mitochondriale et produit de l’ATP ainsi que des équivalents réduits à partir de l’acétyl-CoA.

📖 7. Chaîne respiratoire et ATP synthase

📝 Points essentiels

• La chaîne de transporteurs d’électrons comprend les complexes I, II, III et IV, enchâssés dans la membrane interne mitochondriale, tandis que l’ATP synthase est parfois appelée complexe V mais ne transporte pas les électrons.

• Les électrons passent spontanément de proche en proche des complexes I à IV, le NADH étant oxydé au complexe I et le FADH₂ au complexe II, puis l’oxygène accepte les électrons au complexe IV avec formation d’eau.

• Le déplacement des électrons par certains complexes transfère des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire et crée un gradient avec une forte concentration de H⁺ dans l’espace intermembranaire et une faible concentration dans la matrice.

📐 Formule — L’ATP synthase utilise le flux de protons et la force protomotrice pour réaliser la phosphorylation selon la relation $ADP + Pi \rightarrow ATP$.

💡 Astuce mémo

Électrons → gradient de H⁺ → ATP

📖 8. Régulation et agents découplants

🔑 Notions clés & Définitions

• Agents découplants : sont des agents qui désolidarisent la dissipation du gradient de protons mitochondrial de la synthèse d’ATP.

★ À maîtriser

📌 À l’état de couplage, le gradient de protons est dissipé par l’ATP synthase, ce qui augmente la production d’ATP, produit peu de chaleur et inhibe la chaîne respiratoire.

📌 À l’état de découplage, le gradient de protons est dissipé en dehors de l’ATP synthase, ce qui diminue la production d’ATP, augmente fortement la production thermique et active la chaîne respiratoire.

📐 Formule — La respiration mitochondriale est régulée par le rapport $\frac{[ATP]}{[ADP] \times [Pi]}$ : une forte concentration matricielle d’ATP l’inhibe, tandis qu’une forte concentration d’ADP la stimule.

• Les principales UCP sont:
  • UCP1 dans la graisse brune
  • UCP2 dans le cerveau et l’hypothalamus
  • UCP3 dans les muscles striés squelettiques et cardiaques

Compléments

• La production des protéines découplantes augmente sous l’effet des hormones thyroïdiennes, de l’adrénaline, de la noradrénaline et de la leptine.

• Les agents indirects sont:

  • l’Adénine Nucléotide Translocase
  • les acides gras libres de plus de 10 carbones
  • les espèces réactives de l’oxygène

💡 Astuce mémo

Couplage : ATP élevé et chaleur faible ; découplage : ATP faible et chaleur forte

📖 9. Agents découplants mitochondriaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Agents découplants : Désolidarisent la dissipation du gradient de protons transmembranaire mitochondrial de la synthèse d’ATP.

★ À maîtriser

• Les agents découplants augmentent la conductance de la membrane mitochondriale interne aux ions H+, augmentent la respiration mitochondriale sans augmenter la production d’ATP et accroissent la thermogenèse.

• UCP1, ou thermogénine, est présente dans la graisse brune, particulièrement chez le nouveau-né mais aussi chez l’adulte.

Compléments

• UCP2 est présente dans le cerveau et l’hypothalamus et participe au contrôle du métabolisme basal, tandis qu’UCP3 est présente dans les muscles striés squelettiques et cardiaques.

• L’ANT transporte l’ATP formé dans la matrice mitochondriale vers le cytosol et l’ADP vers la matrice, ce qui modifie le rapport $\frac{[ATP]}{[ADP]\times[Pi]}$ intramitochondrial.

• Les acides gras libres surtout ceux qui possèdent plus de 10 carbones, ainsi que les espèces réactives de l’oxygène, potentialisent l’action des UCP.

💡 Astuce mémo

Découplage du gradient de H+ → respiration accrue, ATP inchangée, thermogenèse

📖 10. Espèces réactives de l’oxygène

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèces réactives de l’oxygène : Substances chimiques centrées sur un atome d’oxygène, très réactives et pro-oxydantes, pouvant avoir des effets délétères ou bénéfiques.

★ À maîtriser

• Au repos, la consommation de 100 atomes d’oxygène produit 2 à 4 ROS.

📌 Les ROS radicalaires comprennent le radical superoxyde O2-• et le radical hydroxyle HO•, tandis que les ROS non radicalaires comprennent notamment le peroxyde d’hydrogène H2O2.

• L’excès de ROS oxyde les glucides, les acides gras, les protéines et les acides nucléiques, peut provoquer une peroxydation lipidique et entraîne une perte de structure ou de fonction moléculaire.

📌 Lorsque la production de ROS dépasse l’action des antioxydants, il existe un stress oxydant favorisant les dommages cellulaires, tandis que l’égalité entre ROS et antioxydants correspond à une fonction cellulaire optimale et que la prédominance des antioxydants définit un stress réducteur.

Compléments

• Les ROS optimisent la production de force musculaire en facilitant la conductance membranaire aux ions K+ et Ca2+ dans le cytosol des cellules musculaires.

💡 Astuce mémo

ROS bénéfiques à faible dose, délétères en excès

📖 11. Organisation de la thermorégulation

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermorégulation : Ensemble des processus permettant à l’Homme de maintenir sa température interne dans des limites normales malgré son niveau métabolique ou la température ambiante.
• Noyau thermique : Regroupe les muscles squelettiques, les viscères et le système nerveux central producteurs de chaleur.

★ À maîtriser

• L’hypothalamus est le centre intégrateur nerveux de la thermorégulation.

• La température du noyau thermique humain reste normalement comprise entre 36,5 et 37,5 °C au niveau du tronc et de la tête.

Compléments

• L’enveloppe thermique correspond à la peau, dont le pouvoir isolant est variable et dont les échanges avec le milieu dépendent du gradient de température et de l’isolation cutanée.

💡 Astuce mémo

Noyau producteur de chaleur, enveloppe isolante

📖 12. Échanges et bilan thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Conduction : Transfert d’énergie cinétique de proche en proche entre deux corps en contact.
• Convection : Transfert d’énergie thermique entre un fluide en mouvement et une paroi solide, le plus souvent responsable d’une perte de calories.
• Évaporation : Perte de calories liée au changement d’état de l’eau liquide en vapeur, notamment par la respiration et la transpiration.

★ À maîtriser

📌 Le rayonnement correspond à une émission ou une absorption radiative selon le gradient thermique : au-dessus de 37 °C à l’extérieur, l’organisme gagne des calories, tandis qu’en dessous de 37 °C il en perd.

📌 La température corporelle résulte de l’équilibre dynamique entre la thermogenèse, qui produit ou fait gagner de la chaleur, et la thermolyse, qui entraîne une perte de chaleur.

Compléments

📌 La thermogenèse peut être endogène, par les mitochondries via le métabolisme, ou exogène, tandis que la thermolyse comprend des pertes obligatoires comme les radiations et des pertes adaptatives comme la sudation.

💡 Astuce mémo

RaCoCoÉ : rayonnement, conduction, convection, évaporation

📖 13. Réponses au froid

★ À maîtriser

📌 Entre 22 et 28 °C, la zone de neutralité thermique permet à un individu nu, allongé et au repos de maintenir une température centrale de 37 °C sans dépense énergétique supplémentaire, avec un équilibre entre production et déperdition thermique.

• Entre 10 et 35 °C, la température centrale reste en normothermie, ou euthermie.

📌 Au-dessus de 28 °C, l’organisme lutte contre le chaud en augmentant sa consommation d’oxygène pour mettre en œuvre des contre-mesures au réchauffement, tandis qu’au-dessus d’environ 35 °C la température centrale augmente malgré ces efforts et définit l’hyperthermie.

📌 En-dessous de 22 °C, l’organisme limite la thermolyse et augmente la thermogenèse, tandis qu’en-dessous d’environ 10 °C la température centrale diminue malgré ces efforts et définit l’hypothermie.

• La vasoconstriction périphérique réduit le débit sanguin de l’enveloppe thermique, limite les échanges avec l’extérieur, augmente l’isolation cutanée et réduit le refroidissement central.

• Le frisson est une activité tonique involontaire du muscle squelettique dans laquelle les thermorécepteurs transmettent l’information à la moelle épinière, qui commande les muscles par les motoneurones α.

• L’activation du système nerveux sympathique stimule les récepteurs β-adrénergiques par l’adrénaline et la noradrénaline, augmente la synthèse et l’activité des UCP, stimule la respiration cellulaire sans synthèse d’ATP et produit de la chaleur par découplage mitochondrial.

Compléments

• La température critique supérieure est d’environ 35 °C et la température critique inférieure est d’environ 10 °C.

• La vasoconstriction périphérique est déclenchée par l’hypothalamus stimulé par les informations des thermorécepteurs et commence dans la peau puis les muscles par contraction des muscles lisses vasculaires.

• Le frisson augmente le métabolisme jusqu’à 5 à 8 fois le métabolisme basal et est inhibé par l’activité musculaire volontaire.

💡 Astuce mémo

Vasoconstriction → frisson → sympathique → UCP

📊 Tableaux de synthèse

Couplage et découplage mitochondrial

Équilibre ROS-antioxydants