L'Homme et son environnement - PowerPoint PPT Presentation

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L'Homme et son environnement

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On admet que la temp rature de l' corce est celle du rev tement ... Pour simplifier on admet que la temp rature de la peau est la m me en tout point Tcut ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: L'Homme et son environnement


1
L'Homme et son environnement
  • Aspects bioénergétiques
  • Marc Zelter
  • CHU Pitié-Salpêtrière

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  • La BIOENERGETIQUE a pour objet létude des
    échanges globaux dénergie des organismes vivants
  • La thermorégulation permet dassurer ces échanges
    à température centrale constante

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  • LHOMEOSTASIE est le maintient de certaines
    grandeurs physico-chimiques du milieu intérieur
    très proche dune valeur donnée dite grandeur de
    référence, en dépit des perturbations qui tendent
    à les en écarter. Ces grandeurs sont dites
    régulées

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  • Pour une régulation donnée chaque organisme
    choisit un compromis de réponses selon une
    stratégie qui lui est propre
  • Lhomme, le carnivore ou le ruminant ont besoin
    dénergie et doivent évacuer de la chaleur en
    maintenant leur température centrale constante
    mais les voies métaboliques et les mécanismes
    thermorégulateurs diffèrent selon les espèces

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Biosystème et Ecosystème
  • Un être vivant peut être considéré comme un
    biosystème.
  • Un système est un ensemble déléments matériels
    ayant des interactions entre eux
  • Ces relations fondent son organisation
    fonctionnelle
  • Tout ce qui est extérieur au biosystème est
    lécosystème

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  • Un biosystème ne peut pas être défini par son
    énergie interne W (seules ses variations sont
    mesurables) mais on peut le caractériser par
    certaines propriétés dont la première est
    dassurer sa survie donc une continuelle
    auto-réplication de sa forme et de sa structure

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  • Pour lutter contre la mort (le désordre en terme
    thermodynamique) il doit en permanence se
    maintenir hors déquilibre en assurant sans arrêt
    le renouvellement de ses molécules et le
    maintient des grandeurs dites de tension des
    compartiments qui le composent

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  • Pour cela le biosystème doit produire du travail
  • - travail de synthèse chimique
  • - travail osmotique
  • - travail mécanique fait sur des forces
    internes ou externes

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  • Un biosystème est donc un système ouvert
  • Il tire son énergie de la transformation de la
    matière empruntée à lécosystème
  • Il rejette de lénergie dans lécosystème,
    matière et chaleur
  • Tout bilan bioénergétique inclut nécessairement
    un bilan de matière

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  • Les transformations de matière et dénergie dun
    biosystème sont désignées sous le terme de
    métabolisme

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  • Lénergie est transformée à trois niveaux
  • 1- la photosynthèse lénergie radiante est
    transformée en énergie chimique. Cest la
    propriété exclusive du monde végétal dit
    autotrophe
  • 2- la respiration lénergie chimique empruntée
    au monde végétal est libérée par oxydation. Cest
    la propriété du monde animal dit hétérotrophe
  • Ces deux mondes vivent en symbiose

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  • 3- le travail cellulaire dont la forme varie
    selon les cellules
  • travail mécanique interne la force appartient au
    biosystème comme pour le travail de contraction
    musculaire du myocarde
  • travail interne de synthèse chimique
  • - travail osmotique rénal
  • - travail mécanique externe la force appartient
    à lécosystème comme pour le muscle squelettique

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  • Les réactions de fusion nucléaire solaire sont
    par lintermédiaire de la photosynthèse la source
    unique de toute énergie biologique sur terre

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Flux dénergie dans le monde animal
  • Les processus oxydatifs, dits de respiration,
    sont la source de lénergie du monde animal
  • Toute lénergie produite par le monde animal
    provient exclusivement de la scission oxydative
    des molécules organiques, directement ou
    indirectement produites par le monde végétal, et
    qui portent le nom de nutriments ou substrats
    énergétiques

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Transformation de lénergie dans la cellule
  • La biosynthèse, système ouvert, siège de
    processus irréversibles, loin de léquilibre,
    obéit nécessairement aux lois et principes de la
    thermodynamique
  • Ces lois ne prennent en compte que les aspects
    macroscopiques de la transformation (P, V, T,
    composition chimique)
  • Elles ne prennent pas en compte les étapes
    intermédiaires de la transformation (principe de
    létat initial et de létat final) ni létat
    atomique de la matière

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  • Toute transformation obéit aux deux principes de
    la thermodynamique

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Principes de la thermodynamique
  • Lénergie se conserve quand elle se transforme
  • corollaire seul compte létat initial et létat
    final
  • Lénergie se dégrade quand elle se transforme
  • corollaire lentropie de lunivers augmente

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  • La masse des biosystèmes constitue une part de
    lunivers de moindre entropie
  • Le plus grand ordre qui la caractérise nest
    obtenu quau prix dune augmentation de
    lentropie de lécosystème
  • Le vivant rejette de lentropie et lensemble
    bio-écosystème évolue de façon telle que
    lentropie augmente

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Application du premier principe de la
thermodynamique
  • Le premier principe ne sera envisagé que sous
    langle des transformations énergétiques
    survenant au terme des réactions doxydation des
    substrats

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Concept denthalpie
  • Lenthalpie est lénergie maximum libérable au
    cours dune réaction doxydation
  • ?H ?W à P et V constant
  • ?H peut uniquement être mesurée par réaction
    explosive dans un calorimètre sous forme de
    libération de chaleur
  • Cest lénergie produite par lorganisme à partir
    dun substrat énergétique à condition que les
    produits terminaux soient les mêmes,
    indépendamment de la voie métabolique choisie

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  • En physiologie la variation denthalpie ainsi
    mesurée est égale à la valeur énergétique dun
    nutriment
  • On lexprime par mole de substrat oxydé ou plus
    habituellement par gramme

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  • Inversement comme la quantité doxygène
    nécessaire à loxydation est liée de manière
    univoque et stochiométrique à la quantité de
    substrat oxydé on peut exprimer lenthalpie en
    litres doxygène STPD entrant dans la réaction
  • On parle alors déquivalent énergétique de
    loxygène

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  • Pour un substrat que lorganisme ne peut pas
    totalement dégrader lenthalpie sera la chaleur
    dégagée pour arriver au stade de dégradation
    possible dans lorganisme considéré

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  • Par exemple, pour les protéines qui ne peuvent
    pas être dégradée au delà de lurée, lenthalpie
    liée à la dégradation de lurée en ses composants
    par oxydation devra être déduite de lenthalpie
    totale de la dégradation de la protéine en ses
    composants élémentaires pour calculer lenthalpie
    des protéines dans lorganisme

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(No Transcript)
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Application du deuxième principe
  • Le travail maximal Wm quune machine thermique
    peut libérer sous forme de travail mécanique à
    partir de lénergie Q quelle absorbe est donnée
    par le principe de Carnot
  • WmQ x (T1-T2) / T1 Q - (Q/T1) / T2
  • Le facteur Q/T1 est lentropie (S)
  • Il correspond à la part dénergie non convertible
    en chaleur

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  • Le travail, encore appelé énergie libre
  • parce que représentant lénergie fournie
    convertible sexprime par
  • Travail énergie libre Q - T?S

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  • La chaleur ne peut pas être utilisée par les
    biosystèmes pour convertir lénergie en travail
    car les réactions doxydo-réduction se font à T,
    P, V constants et en solutions diluées
  • Il ny a pas de différence de température à
    lintérieur de la cellule qui permette de
    transformer la chaleur en travail

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Notion dénergie libre
  • Or le but de la cellule est de faire du travail à
    partir de lenthalpie des substrats
  • Lénergie libre G, dite énergie de Gibbs, se
    définit comme la part de lénergie totale dun
    système qui peut être transformée en travail en
    conditions isothermes

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  • ?G ?H - T?S
  • On sait calculer G dans les conditions standard
    (G0)
  • Lénergie libre de Gibbs représente la quantité
    maximale dénergie que peut donner une mole de
    substrat lorsquelle est oxydée en conditions
    isothermes

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Exemple de travail interne le cœur gauche
  • Le cœur gauche produit une énergie potentielle
    par synthèse chimique très supérieure à celle
    quil restitue sous forme de travail
  • Lénergie consommée est mesurée par la
    consommation en oxygène du myocarde

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Réserves énergétiques
  • Lapport énergétique chez lhomme est discontinu
    alors que les dépenses sont variables mais
    permanentes
  • Lorganisme doit donc disposer de réserves de
    substrats dont loxydation fournira lénergie
    dans lintervalle des apports

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Réserves de substrat
  • Les réserves énergétiques quantitativement les
    plus grandes sont constituées par les graisses et
    le glycogène hépatique et musculaire,
    quantitativement faible mais fonctionnellement
    important, éventuellement par les protéines de
    constitution

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Réserve énergétique
  • La réserve énergétique la plus importante est
    contenue dans les tissus adipeux.
  • Cest le moyen de stocker le plus dénergie sous
    le poids le plus faible et sous forme du substrat
    le plus énergétique
  • La libération des substrats est sous contrôle
    neuro-hormonal complexe

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  • Les réserves sous forme dATP sont faibles et en
    partie sous forme de créatinine phosphate
    hydrolysable (15 KJ)
  • Les réserves théoriques couvrent 70 jours de
    fonctionnement pour une dépense moyenne de 100W,
    sous réserve dapports en eau, vitamines et
    oligoéléments

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Mesure des échanges dénergie
  • Calorimétrie directe mesure de la chaleur
    produite
  • Calorimétrie indirecte entrée dénergie sous
    forme denthalpie des substrats
  • Dans tous les cas il devra être tenu compte de la
    variation de masse du sujet qui représente sa
    variation dénergie interne

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Exemples de dépenses dénergie
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Dépense de fonds
  • La dépense énergétique se décompose en
  • 1- la somme des dépenses variables liées à
    lactivité musculaire, la thermorégulation, la
    thermogenèse alimentaire
  • 2- la dépense de fond
  • lorsque lorganisme est au repos musculaire
    absolu, à la température de neutralité thermique,
    à jeun cest à dire dans les conditions basales

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  • La dépense de fond représente le minimum
    irréductible au dessous duquel ne peut pas
    descendre la dépense énergétique lorsque
    lorganisme est placé dans les conditions
    basales, cest à dire après suppression de toutes
    les dépenses contingentes
  • La dépense de fond est remarquablement fixe chez
    un sujet donné

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  • Lexistence de la dépense de fond et sa fixité
    indiquent que le maintien pur et simple de la vie
    exige une dépense dénergie invariable chez un
    sujet donné
  • Le travail de synthèse chimique représente 80 de
    la dépense de fond. Les 20 restants sont pris
    par dautres formes de travail

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Loi des surfaces
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Loi des surfaces et similitudes biologiques
  • La loi de similitude biologique exprime que les
    êtres vivants de même niveau dorganisation sont
    bâtis sur un modèle semblable en dépits
    daberrations ou de fantaisies comme le cou de la
    girafe et la queue du rat

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  • La loi repose sur lanalyse dimensionnelle des
    grandeurs et 4 axiomes
  • 1- Il existe une similitude géométrique entre les
    êtres vivants L1/L2 l
  • 2- Les masses volumiques sont égales r1 r2
  • 3- Les temps biologiques homologues sont dans le
    même rapport que les dimensions linéaires T1/T2
    l
  • 4- Le rapport des volumes L3 et des masses r3 est
    L13/L23 l3

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Conséquences de la loi des similitudes
  • On peut obtenir des dimensions biologiques
    normalisées qui permettent de comparer des
    individus entre eux
  • Débit cardiaque/surface corporelle index
    cardiaque
  • Tous les sujets normaux ont le même index
    cardiaque, modulo la variabilité statistique

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  • Il y a égalité des grandeurs intensives
  • Températures
  • Pressions (artérielles, osmotiques)
  • Concentrations

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Métabolisme de base
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  • Chez ladulte sain la valeur du métabolisme de
    base est de 45 à 50 Watts par m2
  • Il est faible à la naissance 40 Watts par m2
  • Il monte à 60 à 65 Watts par m2 à 6 ans puis
    décroît jusquà 25 ans
  • Il reste stable jusquà un age avancé puis
    décroît à 40 Watts par m2
  • Toute déviation de plus de 10 est pathologique

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Thermorégulation
  • Lhomme est en fait un animal tropical amenant
    avec lui son environnement tropical
  • Scholander et al 1950

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  • Lorganisme se décompose du point de vue de la
    thermorégulation en deux zones, le noyau et
    lécorce
  • Le noyau est la zone de production de chaleur
  • Il est constitué des organes perfusés par le sang
    artériel dont la température est maintenue
    constante
  • Il représente environ 80 de la masse corporelle

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  • Le noyau nest pas une fraction constante de la
    masse corporelle
  • Les différents organes ont des activités
    métaboliques différentes et qui varient avec
    lactivité
  • La température du sang veineux efférent est donc
    différente dun organe à lautre et toujours
    supérieure à celle du sang artériel à lexception
    de la peau

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  • La température du sang veineux mêlé est inchangée
    après passage dans les poumons et donc la même
    que celle du sang artériel
  • Le but de la thermorégulation est dassurer la
    moindre variation de température du sang artériel
    perfusant les organes

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  • La température rectale Tre est un index
    acceptable de la température artérielle
  • La température centrale varie de 36,5 à 37 C
  • dun individu à lautre
  • Elle suit un cycle circadien

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  • Le reste de la masse corporelle constitue
    lécorce
  • On admet que la température de lécorce est celle
    du revêtement cutané sus jacent
  • Pour simplifier on admet que la température de la
    peau est la même en tout point Tcut
  • Elle varie avec la température extérieure 33C à
    25 C, 35 C à 34 C
  • La chaleur produite par le noyau sécoule à
    travers lécorce

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  • La température de la peau doit toujours permettre
    le transfert de chaleur du noyau à la périphérie
  • La peau est le lieu de dissipation de la chaleur
    vers lextérieur

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Transport de chaleur du noyau à la peau
  • Par conduction physique au sein des tissus
    (négligeable)
  • Par convection sanguine (circulation cutanée)

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Modes déchanges de la chaleur avec
lenvironnement
  • Par conduction liée à la différence de
    température entre la peau et le milieu
  • Par radiation
  • Par convection (libre ou forcée)
  • Par évaporation

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Effecteurs de la régulation
  • La vasomotricité cutanée
  • Le tissus musculaire et le frisson thermique
  • La sudation, seule efficace lorsque la
    température ambiante est supérieure à la
    température cutanée
  • Seule la sueur évaporée est efficace
  • La perspiration (évaporation deau à travers la
    peau et les voies aériennes) nest pas une
    réponse thermorégulatrice chez lhomme

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Schéma de principe dune régulation
  • Notion de rétro-action ou feedback négatif

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Régulations conscientes et culturelles
  • Vêtements, comportements acquis, abris etc.

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