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Nutriments-Apports énergétiques

1 Valeur énergétique des aliments

"Mettez un tigre dans votre moteur !"

Ce slogan publicitaire destiné à promouvoir un carburant illustre la théorie des animaux-machines, où l'on compare le corps à un moteur. Le carburant est un aliment, l'énergie est produite par la combustion du carburant. L'expression populaire "Il faut carburer" exprime en peu de mots la nécessiteé de s'alimenter pour être actif .

Donc le carburant, cela brûle, cela chauffe, et cela produit de l'énergie. C'est pourquoi la « valeur énergétique d'un aliment » est mesurée et exprimée en calories, du mot latin « calor » qui signifie « chaleur », ou en joules, l'unité officielle internationale portant le nom d'un physicien qui a étudié le travail mécanique (cf MNT 4, et Figure 15).


Par exemple on peut lire sur l'étiquette d'un paquet de riz que 100 grammes de cette céréale fournissent au corps humain 359 kilocalories, l'équivalent de 1526 Kilojoules . Ces valeurs sont très précises, car elles ont été mesurées et contrôlées dans des laboratoires de biophysique. Mais que représentent-ils par rapport aux besoins journaliers du corps humain ?


Chacune de ses cellules doit recevoir l'énergie nécessaire : -à son entretien au repos et en fonctionnement, -à sa croissance et à ses divisions, -au maintien de sa température au niveau convenable.

1 Valeur énergétique des aliments

1-1 Base des calculs

a) L 'ATP est le fournisseur universel d'énergie (cf Glucides 4), à raison de 50 Kjoules par molécule, avec une incertitude d'environ 5 Kjoules par défaut en fonction des conditions du milieu (température, concentration, teneur en magnésium).

b) L'oxydation phosphorylante d'une molécule de glucose, soit 180 grammes, produit:

-32 molécules d'ATP dans le cas d'une utilisation en anaérobiose,

-38 molécules d'ATP en aérobiose,

-moyenne 35 moles d'ATP, en utilisation normale.

Dans ces conditions, la valeur énergétique d'une mole de glucose, soit 180 grammes de glucose- est: 35*50=1750 Kjoules, ce qui fait pour 100 grammes de glucose: 1750*100/180=972,2 Kj,  soit 972,2/4,187=232 Kcal.

1-2 Valeurs énergétiques conventionnelles

Les valeurs calculées diffèrent selon les modes opératoires. C'est pourquoi on adopte conventionnellement les valeurs énergétiques suivantes:

-Glucides   4 Kcal/gramme    16,72 Kjoules/gramme

-Lipides     9 Kcal/gramme    37,62 Kjoules/gramme

-Protéines 4 Kcal/gramme     16,72 Kjoules/gramme

Exemples : tableau ci-dessous

.

En fait la valeur énergétique des glucides et des lipides est voisine de l'énergie de combustion complète dans l'oxygène . Elle peut être mesurée au moyen d'une bombe calorimètrique. Un échantillon de l'aliment est enfermé dans un cylindre métallique rempli d'oxygène à haute pression. Le cylindre est immergé dans la cuve d'un calorimètre rempli d'eau . Un arc électrique amorce la combustion de l'échantillon . La chaleur de combustion est transmise à travers les parois de la bombe au calorimètre . On enregistre la courbe d'élévation de tempétature de l'eau, ce qui permet de calculer la chaleur de combustion de l'échantillon, considérée comme équivalente à sa valeur énergétique théorique.

Il faut ensuite tenir compte du facteur de digestibilité de l'aliment, en multipliant la valeur énergétique théorique par un coefficient inférieur à 1. Le problème est très bien connu en alimentation animale . Il existe des tables qui donnent les valeurs de digestibilité pour tous les animaux d'élevage et toutes les denrées consommées . Chez l'homme la situation est plus complexe car la digestibilité varie suivant le mode de cuisson des aliments, leurs associations avec d'autres ingrédients dans les recettes culinaires.

Pour les protéines,c'est encore plus compliqué:
-le facteur de conversion de la teneur azote N en Protéines n'est pas égal à 6,25 pour toutes les denrées (39),
-la dégradation des protéines dans le corps n'aboutit pas à un oxyde d'azote mais à l'urée (cf Protéines 2, Figure 43 ). La  combustion  de l'azote est incomplète.

Cette discussion explique pourquoi des valeurs énergétiques conventionelles ont universellement adoptées (39).

2-Facteurs physiologiques de la dépense d'énergie

Les besoins énergétiques de l'organisme varient constamment, particulièrement en fonction de l'activité physique et intellectuelle, de l'état psychique, de la température extérieure. Elle est la résultante de plusieurs composantes : -dépense de base et maintien de la température du corps, -efforts musculaires, -activité intellectuelle et psychisme, -croissance cellulaire, réparation des tissus, productions biologiques.

2-1-Mesure des dépenses énergétiques
La chaleur dégagée par un organisme est équivalente à l'énergie qu'il a dépensée. Le principe de mesure calorimètrique est simple, mais son application amène à concevoir des appareillages encombrants et complexes (Figure 51, ci-dessous).

Une autre méthode plus simple et qui peut être appliquée sur une courte durée, consiste à mesurer le quotient respiratoire d'une personne . Toute l'énergie provient de l'oxydation de l'hydrogène et du carbone des aliments . Donc la mesure de l'oxygène consommé et du gaz carbonique produit donne l'énergie utilisée .
Figure 51-Chambre de mesure des dépenses en énergie corporelle
Figure 51-Chambre de mesure des dépenses en énergie corporelle

.

La figure représente une chambre calorimètrique conçue par Atwater (1844-1907), chimiste considéré comme un des pères de la nutrition moderne. On utilise actuellement des dispositifs analogues pour étudier les performances des sportifs.

Ces appareils permettent de mesurer le quotient respiratoire qui est le rapport entre le volume de gaz carbonique produit et le volume d'oxygène absorbé : Q.R. = volume CO2 produit/volume O2 absorbé.
Si 1 gramme de glucose absorbe 828,8 millilitres d'oxygène, produit le même volume de gaz carbonique et fournit 3,68 Kcal, le quotient Q.R. du glucose est égal à 1.

Les lipides ont un Q.R. inférieur à 1.

Exemple: 3 molécules de glucose répondent à la composition brute C18-H36-O18 . On peut la comparer à la formule brute d'un acide gras saturé, l'acide stéarique C18-H36-O2 . On voit que l'oxydation complète de l'ensemble C18H36 de l'acide stéarique demande davantage d'oxygène que celui du glucos . On calcule que Q.R. lipides = 0,7.
Inversement l'utilisation des lipides corporels abaisse le Q.R.

Le même type de calcul s'applique aux protéines.

L'azote qu'elles contiennent n'intervient pas dans le calcul du Q.R.; il est en effet soit éliminé dans les urines sous forme d'urée, soit intégré dans le cycle de l'ammoniac (Figure 43, Protéines 2) . Le dosage de l'azote dans les urines (N*6,25) est donc un élément complémentaire du bilan respiratoire.

Aprés un repas, ou au terme d'une journée comportant 3 repas équilibrés, on peut établir un quotient respiratoire alimentaire.

Exemple : un régime alimentaire équilibré comportant 55 % de glucides (Q.R.=1,0), 35 % de lipides (Q.R.=0,7) et 10 % de protéines (Q.R.=0,8) détermine un Q.R. égal à : 0,55*1,0 + 0,35*0,7 + 0,10*0,8 = 0,875 .
Si le Q.R. est très inférieur à cette valeur, cela signifie que l'organisme utilise ses réserves en lipides. Lorsqu'un régime alimentaire est trop riche en énergie utilisable, l'organisme synthétise des acides gras à partir du glucose et des protéines (cf Figure 37, Lipides 3). L' acétyl-CoEnzyme est au centre de cette synthèse qui aboutit à la formation de l'acide palmitique, acide gras saturé à 16 atomes de carbone, et qui est ensuite transformé en d'autres acides gras. Entre les repas les graisses fournissent de l'énergie aux différents organes , principalement les muscles et les reins, par β-oxydation des acides gras.
Des pathologies sont liées à des dysfonctionnements de ce mécanisme en cas de consommation excessive d'alcool, de tabagisme, d'obésité, de diabète.

Exemple : le plus simple des acides aminés, le glycocolle, a pour formule brute C2-H5-O2-N, ce qui fait pour 3 molécules C6-H15-O6-N3, à comparer avec la formule du glucose; on voit qu'il y a davantage d'hydrogène, donc le besoin d'oxygène est plus élevé, ce qui abaisse le Q.R. . On admet qu'en moyenne le Q.R. des protéines est voisin de 0,8.

2 Métabolisme de base

Un personnage est isolé dans une chambre de mesures calorimètriques d'Atwater (cf Figure 51, ci-dessus) pendant au moins 24 heures. Il se livre à des activités programmées: se nourrrir, se reposer, effectuer un travail de bureau, ou utiliser la bicyclette ergonomique avec plus ou moins d'effort. Pendant toute la durée des tests, qui comportent aussi des périodes de sommeil, on enregistre la chaleur produite, l'humidité et la teneur en gaz carbonique de l'air circulant en permanence dans la chambre.

La diversité des situations est analysée en distinguant cinq composantes fondamentales des dépenses du corps humain en énergie:
-le maintien de la vie, appelé « métabolisme basal », correspondant à l'énergie nécessaire pour assurer au repos la circulation sanguine, la respiration, l'activité cérébrale et nerveuse;
-le maintien du corps à une tempétature vitale proche de 37 °C, dont une partie est imputable au métabolisme basal;
-la dépense en énergie musculaire selon l'intensité des efforts accomplis;
-la digestion des aliments et leur utilisation dans le corps;
-les dépenses de croissance des enfants et adolescents, la grossesse et l'allaitement.

Le total des dépenses occasionnées par tous ces besoins indique la quantité d'énergie, et par conséquent d'aliments que l'individu doit absorber par 24 heures en fonction de son style de vie. Cependant il est hors de question d'inviter chaque personne à entrer dans la chambre de mesure pour évaluer ses besoins. Aussi les biologistes ont mis au point des formules mathématiques adaptables à chaque individu.

Ces recherches ne concernent pas uniquement les scientifiques, elles s'adressent aussi au grand public, puisque leur objectif général est de répondre à la question « Comment se nourrir ? ». Pour simplifier la démarche, des logiciels sont disponibles dans Internet, en tapant dans le moteur de recherche « métabolisme basal » . Il suffit d'entrer ses coordonnées individuelles, sexe, âge, poids, taille, type d'activité, et on a immédiatement les réponses concernant la quantité d'aliments qu'il faut ingérer, exprimée en Kcalories/jour et Kjoules/jour.

On a défini conventionnellement le métabolisme de base d'un sujet comme étant sa dépense d'énergie au repos allongé, éveillé, au calme émotif, à jeun depuis 12 heures et à une température de 18 à 20 °C . Théoriquement cette dépense est rapportée au mètre carré de surface corporelle, puisque toute la chaleur évacuée par le corps ,-hormis celle des urines et des fèces- passe par la peau. Chez l'adulte normal, la surface corporelle est une donnée anthropomètrique qui permet de relier la dépense basale MB directement à la taille et au poids corporel suivant la formule de Harris et Benedict (1919) révisée en1984(40):
MB(Kcalories/jour) = a * Poids(Kg) 0,48 * Taille(m)0,50 *Âge(an)0,13    
(caractères en italique: lire "puissance")
Chez l'homme : a = 259      Chez la femme : a = 230

Exemple : homme de 60 ans pesant 70 Kg et mesurant 1,75 m
70 0,48=7,6850 ; 1,75 0,50=1,3229 ; 60 -0,13=0,5872
MB= 259*7,6850*1,3229*0,572 = 1506 Kcal/jour 6295 Kj/jour

Il faut ensuite appliquer un coefficient multiplicateur pour prendre en compte le niveau d'activité de la personne (Figure 52, ci-dessous):
-faible: travail intellectuel en position assise    Coefficient: 1,2
-moyenne: dactylographie, enseignement, promenade tranquille Coefficient: 1,4
-intense: sports, jardinage, ménage    Coefficient : 1,6 à 1,8


Figure 52-Composantes fondamentales de l'alimentation
Figure 52-Composantes fondamentales de l'alimentation