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Les fondements du bilan énergétique
en nutrition humaine
Pour se maintenir en vie, notre organisme doit non seulement trouver
des matériaux nécessaires à sa construction et la
réparation de ses structures, mais il doit également être
approvisionné en énergie afin de se mouvoir, de faire circuler
les fluides comme le sang, de réaliser des réactions chimiques
vitales qui nécessitent de l'énergie pour avoir lieu, de
transporter des nutriments au travers des membranes cellulaires etc...
Tout ceci ne se produit pas spontanément. Une source d'énergie
utilisable est nécessaire.
Les molécules complexes de nutriments comme le glucose contiennent
une grande quantité d'énergie potentielle. Lorsque l'on
détruit cette molécule, l'énergie de liaison entre
les différents atomes qui la constituent est libérée.
C'est ainsi que lorsque l'on dégrade le glucose par oxydation (on
le brûle) pour le transformer en molécules plus simples comme
le gaz carbonique (CO2) et l'eau (H2O), une grande quantité d'énergie
est libérée. "L'énergie libre" est la forme
d'énergie capable de réaliser un travail dans des conditions
de température et de pression constante. Cependant, si l'énergie
libre n'est pas captée d'une manière ou d'une autre pour
conserver celle-ci, elle est dissipée sous forme de chaleur. Bien
sûr, l'énergie calorifique peut être intéressante
pour maintenir la température corporelle des organismes homeothermes
que nous sommes, mais elle est totalement inutile pour produire le travail
mécanique de contraction musculaire ni le travail chimique de biosynthèse.
La chaleur ne peut réaliser de travail à pression constante
que si elle peut s'écouler d'un point chaud vers un point froid,
ce qui est impossible dans une cellule vivante puisque cette dernière
est isotherme. La température est identique dans toutes les parties
de la cellule vivante.
Le monde vivant a élaboré un système pour capter
et transporter cette énergie libre qui est libérée
lors du catabolisme des divers nutriments servant de carburant. Cette
énergie est captée par la synthèse couplée
(parallèlement) d'ATP (Adénosine TriPhosphate). L'ATP est
synthéthisé à partir d'ADP (Adenosine DiPhosphate)
et de Pi (Phosphate Inorganique). Cette énergie libre pourra être
libérée lors de la réaction inverse dans laquelle
le groupement phosphate terminal de l'ATP est arraché pour reformer
de l'ADP et du Pi.
Grâce à l'ATP, la cellule est équipée d'un
système de transfert et de transport d'énergie libre qui
est capable de fournir du travail à température et à
pression constante comme celles rencontrées dans les cellules des
organisme vivants. Les organismes vivants sont ainsi dotés d'un
sytème de transport de l'énergie libre produite lors du
catabolisme des carburants cellulaires et pouvant ensuite fournir l'énergie
nécessaire à l'anabolisme des structures cellulaires.
Cette énergie libre sera libérée afin de se mouvoir,
de faire circuler les fluides comme le sang, de réaliser des réactions
chimiques vitales qui nécessitent de l'énergie pour avoir
lieu, de transporter des nutriments au travers des membranes cellulaires,
de maintenir la température corporelle etc...
Parmis la cinquantaine de nutriments qui composent les aliments, seuls
trois groupes de nutriments peuvent être utilisés pour former
de l'ATP:
- Les glucides,
- les lipides,
- les protides.
Un quatrième nutriment peut également également
être catabolisé pour fournir de l'ATP: l'éthanol (alcool
éthylique).
Ces trois nutriments peuvent donc tant servir de matériaux de
construction que de générateurs d'énergie.
Les glucides et les lipides sont utilisés préférentiellement
pour produire de l'énergie. Environ 90% de l'énergie est
produite par ces nutriments. Environ 10% de l'énergie est produite
par le catabolisme des protides. Nous allons donc analyser ce qui se passe
lorsque l'organisme brûle des glucides ou des lipides pour produire
de l'énergie.
Lorsque l'organisme catabolise des glucides ou des lipides, il transforme
ceux-ci en gaz carbonique (CO2) et en eau (H2O) par oxydation avec de
l'oxygène (O2) respiré. Ces deux molécules sont le
déchet des réactions de production d'énergie sous
forme d'ATP. Le CO2 et l'H2O quittent l'organisme sous forme gazeuse par
les poumons.
La matière ne se crée ni ne disparaît. Lorsque notre
organisme brûle 100 gr de glucose, il utilise 106.7 gr d'oxygène
et rejette 60 gr d'eau et 146.7 gr de CO2:
Apport de matière:
- 100 gr de glucose (C6H12O6)
- 106.7 gr d'oxygène (O2)
- ---------
- 206.7 gr
Perte de matière:
- 60 gr d'eau (H2O)
- 146.7 gr de gaz carbonique (CO2)
- ----------
- 206.7 gr
Lorsque le glucose est brûlé, l'organisme a perdu 100 gr
de poids. L'énergie produite en brûlant ces 100 grammes de
glucose représentent environ 40 minutes de marche rapide. Ceci
représente ce que dépense un homme de 70 kg lorsqu'il est
au repos pendant environ 3 heures. Ces dépenses énergétiques
représentent environ 400 kilocalories.
Ce mécanisme est similaire lorsque des lipides sont utilisés
pour produire de l'énergie. Seuls les chiffres sont différents.
Notre organisme perd donc du poids au fur et à mesure qu'il dépense
de l'énergie. Plus il dépense de l'énergie, plus
il perd du poids. Si il ne dépense pas l'énergie, les 100
grammes de glucose ne seront pas brûlés et resteront donc
bien tranquillement dans l'organisme...
Il n'y a pas d'autre mécanisme pour faire sortir la matière
de l'organisme, qu'il s'agisse de glucides, de lipides ou de protides.
En d'autres mots, si l'on ingère plus de matières que ce
que l'on va brûler pour produire de l'énergie, on prend du
poids, sinon, on en perd.
Nous sommes maintenant prêts à comprendre pourquoi tel aliment
contient tant de calories ou joules qui ne sont rien d'autre que le contenu
énergétique potentiel que peuvent produire les nutriments
(glucides, lipides, protides et éthanol) contenus dans cet aliment.
L'on a mesuré la valeur énergétique métabolisable
moyenne de chacun de ces trois nutriments:
- 1 gr de glucides libèrent 4 kcal lorsqu'ils sont brûlés
pour produire du travail
- 1 gr de lipides libèrent 9 kcal lorsqu'ils sont brûlés
pour produire du travail
- 1 gr de protides libèrent 4 kcal lorsqu'ils sont brûlés
pour produire du travail
- 1 gr d'éthanol 1 gr libère 7 kcal lorsqu'ils est brûlés
pour produire du travail
Lorsqu'un aliment contient 33.1% de glucides, 9.6% de lipides et 34.6%
de protides, sa valeur énergétique calculée est:
(33.1 x 4) + (9.6 x 9) + (34.6 x 4) = 357.2 Kcal par 100 grammes d'aliment.
La conversion en KJ se fait simplement en multipliant ce résultat
par 4.18, donc (357.2 x 4.18) = 1493.1 KJ.
En sommant l'énergie totale ingérée sous forme d'aliments
pendant un jour, il est aisé de confronter cette valeur à
la somme des dépenses énergétiques (voir plus loin)
sur cette même journée.
Le tout est de bien évaluer la portion des nutriments contenus
dans les aliments que nous ingérons qui se retrouvent réellement
dans notre organisme d'une part, et la quantité de nutriments énergétiques
que nous brûlons (et donc évacuons par les poumons) d'autre
part. Ici se trouve l'essentiel d'une bonne utilisation du bilan énergétique.
Chaque erreur de mesure ou d'estimation provoquera une erreur dans le
gains ou la perte de poids escomptée par le bilan énergétique.
Quoique cette méthode a l'avantage d'être simple, elle est
facilement entâchée d'erreurs grossières d'estimation
des valeurs énergétiques. Pour éviter ces erreurs,
il est nécessaire de bien comprendre les limitations de la méthode
en analysant de plus prêt:
- Les postes du bilan énergétique
- Le cheminement des aliments et nutriments les aliments de l'entrée
à la sortie de l'organisme car une partie est perdue en cours
de route tout au long de leur métabolisation.
- les éléments qui font varier nos dépenses énergétiques
Le bilan énergétique nutritionnel dépend des facteurs
suivants:
- APPORTS ENERGETIQUES
- Il sont constitués exclusivement par l'énergie des
nutriments qui sont réellement arrivés dans l'organisme.
- PERTES ENERGETIQUES
- Pertes dues au Métabolisme Basal (le maintien de la température
corporelle, le remplacement de cellules mortes)
- Pertes dues à l'effort physique
- Production lactée chez la femme allaitante
- BILAN ENERGETIQUE
- Est égal aux apports énergétiques - les pertes
énergétiques
- S'il est positif, il y a gain de poids qui peut être de
la croissance musculaire, de la mise en réserve de matière
grasse corporelle.
- S'il est négatif, il y a perte de poids qui peut être
de la fonte musculaire ou d'élimination de reserves adipocytaires.
Commentons les différents postes du bilan énergétique
et voyons où peuvent se glisser les erreurs:
APPORTS ENERGETIQUES
Les apports énergétiques sont constitués par
la portion de l'énergie qui va réellement pouvoir être
utilisée pour couvrir les dépenses de l'organisme.
L'aliment avant d'être ingéré, digéré
et métabolisé contient une quantité d'énergie
brute mesurée par calorimétrique avec la bombe de Berthelot
(ou bombe calorimétrique). A titre d'information, voici les
valeurs d'énergie brute contenue dans les nutriments de base:
glucides: 4100cal/gr, Lipides: 9300cal/gr, protides: 5650cal/gr. Le
principe de la mesure est de brûler complètement l'aliment
afin de le transformer en CO2 + H2O. Cette quantité d'énergie
brute est toujours supérieure à l'énergie métabolisable
puisque sa digestion est incomplète (en moyenne 20% seront
perdus par les fèces), que sa digestion et son transport au
sein de l'organisme nécessite un travail mécanique et
chimique (c'est l'extra-chaleur de l'aliment qui provoquera encore
la perte d'une fraction de l'energie digestible de l'aliment) et des
pertes urinaires et gazeuses.
Suivons donc le cheminement des aliments et des nutriments dans l'organisme:
1. L'aliment ingéré est tout d'abord digéré
dans le tractus gastro-intestinal. C'est-à-dire que les nutriments
dont est composé cet aliment sont réduits en biomolécules
absorbable par l'intestin grêle sous l'action des enzymes
digestives entres autres. Une partie de l'aliment n'est pas digérée
et est évacuée par les fèces (selles). Donc,
de la quantité totale d'énergie contenue dans l'aliment,
seule une partie a une chance de pouvoir produire de l'énergie
dans l'organisme, l'autre partie ne restant pas dans l'organisme.
Ici intervient la notion de digestibilité. La digestibilité
moyenne de notre alimentation est d'environ 80%. C'est-à-dire
que sur 1 gramme de matière grasse ingérée,
il restera 9300*80/100 = 7440 cal/gr qui intègreront notre
corps.
2. Les nutriments qui ont été absorbés par
les cellules intestinales sont acheminés vers les cellules
où elles peuvent subir deux sorts:
- soit elles sont catabolisées pour produire de l'énergie
(par le biais de production d'ATP). Elles dont donc transformées
en CO2 et H2O qui sont évacués sous forme gazeuse
par les poumons.
- soit elles restent dans le corps sous forme de matériaux
de construction ou sous forme de stock.
Il faut également garder en vue que ces mêmes nutriments
peuvent également être métabolisés (incorporés
dans notre organisme) ce qui rend les choses un peu plus compliquées
que de les considérer uniquement comme simple carburant.
De plus, ces trois nutriments sont transformés l'un en l'autre
selon les besoins particuliers de notre organisme. Les glucides
sont transformés en lipides et en acides aminés, les
acides aminés sont transformés en glucides etc...
Mettons en figure ce que nous venons de voir afin de suivre la dégradation
de la valeur énergétique ingéré dans l'organisme.
La valeur énergétique d'un aliment au cours de sa métabolisation
se décompose comme suit:
L'énergie brute de l'aliment est l'énergie telle qu'on
la mesure à l'aide de la bombe de Berthelot. C'est l'énergie
maximale que l'on peut retirer d'un aliment en le brûlant.
L'énergie fécale est mesurée également
par la bombe de Berthelot en brûlant la matière fécale.
Par différence avec l'énergie brute, on obtient l'énergie
digestible. Cette dernière représente donc l'énergie
contenue dans les nutriment qui ont passé la barrière
intestinale.
De manière analogue, l'énergie métabolisable
est obtenue par différence entre l'énergie digestible
et l'énergie contenue dans les urines et les gaz intestinaux
et de l'extrachaleur de l'aliment.
L'énergie contenue dans les urines et les gaz intestinaux
est mesurée à l'aide de la bombe de Berthelot. Les produits
énergétiques contenus dans les urines et les gaz intestinaux
sont les déchets de métabolisation des nutriments. Ils
n'alimenteront donc pas les substrats énergétiques restant
à disposition de l'organisme puisqu'ils quittent le corps.
Les pertes calorifiques de l'extra chaleur sont provoquées
par la digestion et la métabolisation des nutriments contenus
dans l'aliment ingéré. L'extra chaleur est compliquée
à mesurer et nécessite l'intervention d'une chambre
respiratoire. L'extra chaleur d'un aliment est la chaleur produite
par les contractions musculaires de l'appareil gastro-intestinal et
par les réactions biochimiques de métabolisation des
nutriments.
l'énergie métabolisable est celle qui constitue
le réel gain d'énergie apporté à notre
organisme par l'aliment. Cette énergie est disponible à
l'organisme.
Le fait d'exprimer la valeur des aliments consommés en termes
énergétiques plutôt qu'en termes de valeurs pondérales
semble être assez déroutant à première
vue. Cependant, cette façon de travailler prend toute sa raison
d'être puisque l'on va pouvoir comparer les apports énergétiques
avec les pertes énergétiques afin de réaliser
un bilan énergétique.
La méthode de détermination de l'énergie métabolisable
d'un aliment est basée sur des valeurs moyennes déterminées
pour les glucides (4Kcal/g), lipides (9Kcal/g), protides (4Kcal/g)
et de l'alcool éthylique (7Kcal/g). On multiplie les teneurs
en nutriments de l'aliment par leur valeur énergétique
respective. Cette méthodologie est entâchée d'erreurs
dues à:
- Les valeurs ont été déterminées sans
tenir compte des autres nutriments contenus dans le menu. En effet,
ces résultats ne tiennent aucunement compte de la quantité
de fibres présentes dans l'aliment. Or augmenter les proportions
de fibres de 1% provoque une diminution de la digestibilité
de l'énergie de 1.8%. Les aliments à forte teneur
en fibres ont une teneur énergétique surévaluée.
- Les modes de préparations sont également déterminants.
La formation de bases de schiff par réactions de Maillard
entre les glucides et les acides aminés en diminuent la digestibilité.
A nouveau, la méthode de détermination de l'énergie
métabolisable donne des valeurs sur-évaluées.
- Les nutriments tels l'acide citrique, l'acide benzoïque,
l'accide succinique etc... ont une valeur énergétique
non négligeable puisqu'ils entrent à différents
niveaux dans le cycle de krebs. La méthode de calcul de la
valeur énergétique ne leur alloue aucune valeur énergétique
ce qui mène à une sous-évaluation de tels aliments.
Les programmes de perte de poids trop rapides sont inutiles car ils
ne permettent pas l'adaptation du mode d'alimentation de la personne
devant perdre du poids. Les habitudes alimentaires revenant à
celles qui précédaient le régime, la prise de
poids est inéluctable. Lorsque le programme à une durée
suffisante, la prise de conscience est meilleure et durable, permettant
une modification des habitudes alimentaires qui permettront le maintien
d'un poids stabilisé.
PERTES ENERGETIQUES
Pertes dues au Métabolisme Basal (le maintien de la température
corporelle, le remplacement de cellules mortes):
Le métabolisme basal est considéré comme constant
pour une personne donnée. De nombreuses équations
de régression permettent d'évaluer le métabolisme
basal en fonction de l'âge, la taille, le poids et le sexe
d'un individu. Ceci n'est qu'une approximation et est une source
d'erreur souvent sous-estimée par les nutritionnistes. En
effet, des déviations importantes peuvent provoquer chez
un individu des variations importantes du métabolisme basal
énergétique:
- La consommation de substances exitantes comme la caféine
et le tabagisme n'ont aucune valeur énergétique
dans l'estimation de la valeur énergétique de l'aliment.
Or, la caféine a un effet stimulant sur la thermogénine
(une enzyme qui dégrade le glucose par un cycle futile
produisant de la chaleur). Le métabolisme basal s'en trouve
donc relevé.
- La proportion de masse maigre (musculaire) par rapport à
la masse grasse (localisée essentiellement dans les adipocytes)
a un impact non négligeable sur le métabolisme basal.
En effet:
- si les cellules musculaires sont extrêmement actives
et consommatrices d'énergie au repos, les cellules
adipeuses contenant jusqu'à 90% de triglycérides
(graisses) sont des cellules extrêmement peu actives
et baissent le métabolisme basal. Le calcul du métabolisme
basal ne tenant pas compte de la composition corporelle de
l'individu mène à une nette sur évaluation
du métabolisme basal en cas de proportion de masse
grasse coporelle supérieure à la moyenne.
- Une personne ayant une forte proportion de graisses corporelle
(sous-cutanée) isole l'organisme de l'extérieur.
Les déperditions calorifiques étant réduites,
l'organisme consomme moins d'énergie pour maintenir
la température corporelle constante. Ceci représente
donc une seconde erreur dans le calcul du métabolisme
basal. La sur-évaluation du métabolisme basal
est fréquente chez les personnes en surcharge pondérale.
- Les sujets hypothyroïdiens ont un métabolisme
basal jusqu'à 30% inférieur à celui d'un
sujet normal. Il convient d'en tenir compte sous peine de
sur-évaluer le métabolisme basal.
- La majorité des équations de régression
utilisées pour l'estimation du métabolisme basal
font intervenir le poids corporel plutôt que la masse maigre.
Or:
- Un homme de 55 kg a une teneur de 11% de graisse, donc une
masse active de 50kg
- Un homme de 65 kg a une teneur de 17% de graisse, donc une
masse active = 54kg
La différence réelle de masse active est de 54-50
= 4kg et non de 65-55 = 10kg. Le métabolisme basal est
donc bien souvent mal estimé dans les équations
ne tenant pas compte du pourcentage de masse grasse.
- Les régimes de perte de poids limitant l'ingestion énergétique
s'accompagnent d'une diminution de la prise alimentaire. Ceci
entraîne des carrences en nutriments non énergétiques
indispensables tels le minéraux, vitamines, acides aminés
essentiels et acides gras essentiels. Lorsqu'une complémentation
en ces nutriments n'est pas appliquée, le métabolisme
basal baisse car de nombreuses réactions métaboliques
sont bloquées. Il est donc toujours nécessaire de
vérifier explicitement le niveau de la complémentation
nécessaire ce qui n'est pas toujours réalisé.
- La baisse de niveau énergétique des apports modifie
le métabolisme basal car l'organisme se met à économiser
tant l'énergie que les nutriments. Il est un des facteurs
les plus importants à respecter afin d'éviter le
phénomène yo-yo.
- La fonte musculaire accompagnant la majorité des régimes
privatifs est de mise. Celle-ci diminue le niveau du métabolisme
basal. Tous les régimes ne tenant pas compte de la fonte
musculaire sont taxés par un effet yo-yo après l'arrêt
du régime.
La mauvaise estimation du métabolisme basal est un des facteurs
importants de la méprise en terme de programmes de perte
de poids.
Pertes dues à l'effort physique
L'effort physique provoque une consommation d'ATP par les fibres
musculaires. Le rendement du travail musculaire est de 38%. C'est-à-dire
que 38% de l'énergie libérée lors de l'hydrolyse
de l'ATP est transformée en travail mécanique, le
reste, 62% est transformé en chaleur.
De nombreuses tables de consommation énergétique
en fonction de l'activité existent. Seules quelques unes
tiennent compte du poids de l'individu. L'utilisation de tables
inadéquates ne tenant pas compte du poids de l'individu mènent
à de grossières erreurs d'estimation de dépense
énergétique.
A tritre d'exemple, la natation en crawl lent pendant une heure
occasionne les pertes énergétiques suivantes:
- Personne de 47 kg de poids corporel: 360 Kcal/heure
- Personne de 71 kg de poids corporel: 546 Kcal/heure
- Personne de 98 kg de poids corporel: 750 Kcal/ heure
Au vu de ces chiffres, il n'est pas nécessaire de commenter
plus avant l'étendue des erreurs souvent commises par l'utilisation
de tables conventionnelles.
Un deuxième point important est le type d'activité
physique aérobie ou anaérobie effectué. Les
activités physiques de type anaérobie (forte puissance
de courte durée) utilisent presque exclusivement le catabolisme
des glucides comme source d'énergie. Les activités
de type aérobie (puissance modérée de longue
durée) utilisent principalement le catabolisme lipidique
comme source d'énergie.
Production lactée chez la femme allaitante
L'exportation lactée coûte 750Kcal/litre de lait dont
27% sont fournies à partir des réserves de graisses
accumulées pendant la grossesse. 550Kcal/litre de lait doivent
donc provenir de l'alimentation.
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