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Le métabolisme basal
La thermogenèse
L'activité physique

Sommaire

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Introduction

D'un point de vue biologique, ce sont les cellules de notre organisme qui consomment l'énergie au cours des réactions du métabolisme cellulaire.

La cellule fait du travail continuellement afin de survivre :

Pour accomplir ces tâches, et bien d'autres, la cellule a besoin de l'énergie qu'elle doit puiser de son environnement. La lumière est la source d'énergie pour les organismes photosynthétiques telles que les plantes et certaines bactéries. Ces organismes, dits autotrophes, produisent leur propre énergie chimique à partir de la lumière. 

Les animaux ne sont pas photosynthétiques et donc ils doivent ingérer leurs sources d'énergie. Les organismes qui ne peuvent produire leur énergie sont dits hétérotrophes. Ils obtiennent l'énergie qui leur est nécessaire par oxydation de différents composés obtenus pour l'essentiel par voie alimentaire. Les produits de base obtenus par l'alimentation sont des hydrates de carbone, des lipides et des protéines. L'énergie produite par leur oxydation est stockée sous forme d'ATP au cours des réactions biochimiques complexes du métabolisme cellulaire.

Les déchets de la respiration cellulaire sont l'eau et le dioxyde de carbone (CO₂).

La plupart des réactions qui permettent d'extraire l'énergie qui est entreposée dans les molécules organiques ont lieu dans un endroit spécialisé de la cellule : la mitochondrie qui joue le rôle de l'usine de la cellule. La cellule va, grâce à des enzymes, dégrader les molécules complexes contenant beaucoup d'énergie potentielle en produits plus simples contenant moins d'énergie. L'énergie tirée de cette dégradation et utilisée pour faire le travail, mais une partie est aussi perdue sous forme de chaleur.

Les composantes de la dépense énergétique

D'un point de vue macroscopique, la dépense énergétique d'un individu est divisée en trois composantes :

1. le métabolisme basal
2. la thermogenèse
3. l'activité physique.

Les principaux facteurs qui affectent la dépense énergétique sont :

Chez un individu dont l'activité physique est légère, le métabolisme basal représente environ 65 % de la dépense énergétique totale. En d'autres termes, la dépense totale peut être estimée en multipliant le métabolisme basal par le facteur (100/65), soit 1,55. Ce facteur est fonction du degré d'activité physique des individus ; il est 1,80 pour une activité modérée et 2,1 pour une activité physique intense.

Proportions entre les types de dépenses énergétiques

Contribution des différents organes à la dépense énergétique

La consommation d'oxygène des différents organes peut être estimée en mesurant la différence artério-veineuse des concentrations d'oxygène et le débit sanguin de l'organe.

Contribution des différents organes et tissus en % de la dépense énergétique
basale globale

Il est intéressant de relever que la majeure partie du métabolisme basal (env. 60 %) est due à la dépense énergétique d'organes tels le foie, le cerveau, le cœur et les reins, organes dont le poids global n'est que de 5 à 6 % du poids corporel. Ces tissus ont une dépense énergétique 15 à 40 fois plus élevée qu'un poids équivalent de muscles au repos.

Les facteurs de variabilité de la dépense énergétique

L'âge

La dépense énergétique totale évolue en fonction de l'âge, et par conséquent les besoins énergétiques sont fonction de l'âge des sujets. Les besoins énergétiques optimaux sont définis comme l'apport alimentaire nécessaire au maintien de la santé, à la croissance des enfants et à un niveau d'activité physique approprié. Ces besoins journaliers sont environ de 120 kcal/kg chez l'enfant prématuré, de 100 kcal/kg pendant la première année de vie, de 80 kcal/kg à 10 ans, et de 45 kcal/kg dès l'âge de 20 ans.

Ces différences de besoins énergétiques sont dues en majeure partie à des différences d'activité physique et, pour le nouveau-né, au coût énergétique de la croissance. Le coût énergétique de la croissance représente environ 50 % de l'énergie ingérée pour l'enfant prématuré, mais cette proportion diminue beaucoup dès la première année de vie. Le coût énergétique de la croissance inclut deux composantes : la valeur énergétique des tissus gagnés (énergie déposée) et le coût énergétique de la synthèse des constituants des tissus. Chez les jeunes enfants, le coût énergétique global de la croissance est environ de 5 kcal par gramme de tissu gagné. Un prématuré peut gagner 12 g/kg x jour, ce qui correspond à un coût de la croissance de 60 kcal, soit 50% de l'apport ingéré (120 kcal/kg x jour).

Variabilité interindividuelle chez l'adulte

Le facteur qui permet de prédire le mieux la dépense d'énergie de 24 heures est la masse de tissus maigres ; ce facteur explique 80 % de la variance entre les individus. Le reste de la variance est principalement dû à des différences d'activité physique spontanée. En outre, il existe des différences de thermogenèse postprandiale, les sujets obèses ayant une résistance à l'insuline présentent une thermogenèse diminuée.

Il est intéressant de relever que la variance résiduelle (non expliquée par la masse de tissus maigres) du métabolisme basal est en grande partie d'origine génétique, comme le montre des études sur la dépendance familiale du métabolisme basal et la faible variabilité du métabolisme basal entre jumeaux homozygotes. Ces données montrent que l'efficacité énergétique des processus métaboliques est en partie déterminée génétiquement.

Des sujets dont le métabolisme basal (ajusté pour la masse de tissus maigres, l'âge et le sexe) est relativement bas présenteraient un risque accru de prise pondérale par rapport à des sujets dont le métabolisme basal est plus élevé. Ainsi, une efficacité énergétique augmentée, une caractéristique métabolique qui a pu être l'objet de sélection naturelle au cours des millénaires, représente aujourd'hui un facteur de risque pour le développement de l'obésité.

Variations lors du jeûne prolongé

Il est bien connu que le jeûne prolongé entraîne une diminution du métabolisme basal. Cette baisse est due à deux mécanismes :

1. le jeûne entraîne une diminution de la masse de tissus maigres, c'est-à-dire des tissus métaboliquement actifs.

2. il existe une augmentation de l'efficacité énergétique des processus métaboliques, car on observe une diminution de la dépense énergétique basale par kg de masse maigre.

Deux mécanismes adaptatifs paraissent contribuer à l'augmentation du rendement énergétique métabolique au cours du jeûne : une diminution de l'activité du système nerveux sympathique et une diminution de la concentration plasmatique de la triiodothyronine (T3). Cette dernière est due à une inhibition de la déiodination de la thyroxine (T4) en T3 dans le foie. Ces processus d'adaptation métabolique pourraient aussi jouer un rôle d'épargne énergétique dans des populations de pays en voie de développement soumis à des restrictions saisonnières de l'apport alimentaire.

La dépense énergétique consécutive à une surcharge chronique alimentaire augmente. Cette augmentation s'explique par trois facteurs :

1. une augmentation de la masse de tissus maigres, tissus métaboliquement actifs,

2. une augmentation de la thermogenèse postprandiale due à l'excès de la prise alimentaire,

3. une augmentation du coût énergétique de la locomotion due à l'élévation du poids corporel.

La question d'une diminution du rendement énergétique global des processus métaboliques est controversée. Le rendement énergétique global de l'organisme est un concept difficile à définir. On peut comparer le coût énergétique de la synthèse d'ATP (18,3 kcal ou 18,4 kcal par mole d'ATP synthétisée lors de l'oxydation de glucose ou d'acides gras respectivement) au coût réel de remplacement des molécules d'ATP, qui est d'environ 23 kcal et 19,5 kcal par mode d'ATP remplacée lors du métabolisme de glucides ou de lipides ingérés respectivement. La différence entre les coûts de synthèse d'ATP et les coûts de remplacement d'ATP est due au fait que l'ATP utilisé dans des cycles « futiles » (cycle des Cori, lipolyse et réesthérification de triglycérides) n'est pas considéré comme ATP remplacé. Ainsi, selon cette définition, le rendement de remplacement de l'ATP dû au métabolisme des glucides ingérés est de 18,3 / 23 = 80 %, et le rendement de remplacement de l'ATP dû au métabolisme des lipides ingérés est de 18,4 / 19,5 = 95 %.

La plupart des études ne montrent pas de dépense énergétique inexpliquée (appelée parfois consommation de luxe) lors de suralimentation avec une alimentation mixte. Il s'ensuit que les cycles « futiles » ne sont donc pas stimulés dans ces conditions. Par contre, la suralimentation en hydrates de carbone induit une augmentation de la thermogenèse spécifique liée à une stimulation du système nerveux sympathique. Dans ce cas, on observe un effet thermogénique supplémentaire.

Il est intéressant de relever que l'adaptation au chaud ou au froid influence essentiellement les mécanismes impliqués dans les pertes de chaleur (vasodilatation et vaso-constriction cutanée, sudation) alors que la production métabolique de chaleur est peu modifiée.

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