Résumé : Le poids corporel est fonction de la masse, et en particulier de la masse maigre. Pour maintenir sa cohésion et assurer ses déplacements, l’organisme fait fonctionner le cycle de Kreps et détend le ressort de l’ATP en le transformant en ADP. Il y a 4 postes de dépense énergétique : la DE de repos (DER), la DE post-prandiale (DEPP), la DE d’activité physique (DEAP) et la DE de thermorégulation (DETR). Chez un sujet sédentaire, elles représentent respectivement 65 %, 15 %, 20 % et 2 % de la DE totale. Ceux qui évoluent vers le surpoids et l’obésité ont en moyenne, avant, une DE moins élevée que les sujets de poids normal. A l’inverse, les maigres ont une DE plus élevée. Quand on fait maigrir une personne obèse, tous les postes ci-dessus diminuent. Quand on fait grossir une personne maigre, tous ces postes augmentent. C’est pourquoi l’évolution du poids n’est pas linéaire.

1. Les grands principes

La vie animale s’oppose au principe clé de la thermodynamique : l’énergie transformée est en partie dissipée et, donc, le degré de désordre dans l’univers augmente (1). Chez l’animal, il y a maintien de l’ordre. Mais ce maintien ne se fait qu’au dépens du monde extérieur et qu’au prix d’une dépense d’énergie qui est supérieure à l’ordre maintenu ou créé. C’est un peu comme la construction d’un immeuble fait de brique, de bois et de verre : l’énergie et l’argent dépensés pour le construire sont bien supérieurs à l’énergie et l’argent que valent ses constituants.

Le 2ème grand principe de la thermodynamique est que l’énergie n’est ni créée, ni perdue (2). Les organismes vivants ne peuvent que transformer l’énergie et la transporter. Ce qui coûte… de l’énergie. C’est le transport de cette énergie, à travers les systèmes d’oxydo-réduction (chaîne respiratoire) qui produit de la chaleur. La calorie, on le rappelle, est une unité de chaleur et non de travail. Il est donc impropre de dire que nous mangeons « x calories par jour ».
Cette énergie, nous la tirons de notre environnement, c’est à dire de nos aliments. Eux-mêmes l’ont tirée de leur environnement : les animaux herbivores en mangeant les plantes et les animaux carnivores en mangeant les premiers. Les plantes, elles, tirent l’énergie soit de la terre (H2O) et du soleil (photosynthèse), soit, rarement, des animaux (plantes carnivores).

La structure vivante est faite d’oxygène (O), de carbone (C), d’hydrogène (H) et d’azote (N). L’azote est le constituant structurel du vivant et la base de son fonctionnement et de son renouvellement (par les protéines). Les 3 premiers éléments (O, C et H) sont les clés de l’énergie contenue dans nos nutriments. En effet, en faisant tourner la machinerie énergétique, les animaux prennent de l’oxygène au milieu (O2) et lui rendent du gaz carbonique (CO2) et de l’eau. C’est l’inverse pour les plantes : les plantes fabriquent de l’oxygène en captant le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau, pour faire de la structure végétale, en y incluant de l’azote (1).

L’organisme humain adulte fabrique chaque jour 25 kg d’ATP, qu’il dégrade. La machinerie énergétique consiste à transformer l’ADP en ATP puis, en libérant le phosphore (ATP vers ADP), à libérer l’énergie capturée par le phosphore pour faire tourner la machinerie cellulaire (réactions biochimiques, électriques et mécaniques). En « éjectant » son phosphore, l’ATP libère de l’énergie, un peu comme un ressort tendu : lorsqu’il lâche un phosphore, il se détend et libère ainsi de l’énergie. Pour ce faire, il doit utiliser l’oxygène, car le phosphore n’est présent que sous forme de phosphates (formule : PO4--). Il faut transporter l’oxygène le long d’une chaîne intracellulaire : la chaîne respiratoire. L’organisme, pour fabriquer de l’ATP, utilise le cycle de Kreps (3). Il peut le faire à partir des glucides et des protéines, et des lipides, mais dans une moindre mesure. Chaque nutriment contient la capacité de « fabriquer » une certaine quantité d’ATP, donc d’énergie. Ce faisant, il transforme une partie de cette énergie en chaleur : un gramme de protéines et de glucides rendent 4 kcalories (kcal), 1 g de lipides 9 kcal et 1 g d’alcool 7 kcal. C’est en fait une simplification : les glucides simples fournissent 4,2 kcal et les glucides complexes 3,8 kcal. Les fibres alimentaires fournissent 2,4 kcal. De même, les acides gras à assez courte chaîne rendent 8,7 kcal et ceux à très longue chaîne plutôt 9,3 kcal. Les protéines libèrent de 3,6 kcal/g pour les courtes et 4,2 kcal pour les longues.

Ces phénomènes de transfert d’énergie (pour faire simple, on dit « dépense énergétique ») ont lieu dans la salle des machines de la cellule, la mitochondrie. A chaque « tour » du cycle de Kreps, un certain nombre de molécules d’ATP sont formées. L’énergie formée est en règle utilisée à des travaux de déplacement : transfert électrique (influx nerveux), transferts mécaniques (déplacements internes comme les battements cardiaques ou la respiration ; déplacements dans l’espace). Mais ce peuvent être des déplacements biochimiques : renouvellement des membranes intra- et péri cellulaires, du collagène, des cheveux… Surtout, il existe un mode de fonctionnement qui prend toute son importance à l’heure actuelle : l’énergie dissipée sans contrepartie de déplacement : c’est l’énergie « découplée ». Dans la mitochondrie, un système associé à des protéines spécifiques fait traverser à l’énergie la membrane mitochondriale : on les appelle protéines UCTP pour « uncoupling transfert proteins » (protéines découplantes). C’est ce système qui permet l’élévation de la température corporelle à l’occasion du froid (2). Certains auteurs pensent que, chez les personnes programmées pour être obèses, ce système de découplage est défectueux.

2. Renouvellement tissulaire et dépense énergétique

Concernant la fonction de renouvellement, il faut se rappeler que la matière vivante contient beaucoup de protéines (masse maigre et muscles en particulier), peu des glucides (foie et muscles, sous forme de glycogène) et beaucoup de lipides (tissu adipeux). Ceci implique que pour fabriquer du tissu, il faut d’une part l’énergie nécessaire à la mise en dépôt de ces tissus, d’autre part l’énergie contenue dans ces mêmes dépôts : pour construire un mur, il faut l’argent pour acheter les briques et l’argent pour payer les ouvriers.

3. Composition corporelle

Nous l’avons vu, les besoins alimentaires sont liés à nos besoins en nutriments. Plus donc un animal ou un homme est grand ou gros, et plus il « consomme » d’énergie, mais aussi de calcium, de vitamines... Cet homme, pour être grand et gros, a dû incorporer (et renouveler) plus de tissu, chacun contenant plus de nutriments en dépôt. Donc les besoins sont dépendants de la masse (4). Mais il existe plusieurs types de masses et plusieurs niveaux d’intégration :

• Niveau biochimique : nous contenons de l’oxygène (O), du carbone (C), de l’hydrogène (H) et de l’azote (N). Notre corps contient, dit d’une autre façon, des protéines, lipides et glucides, mais aussi du calcium et du phosphore (os) et beaucoup d’autres nutriments.
• Niveau tissulaire : nous sommes composés d’un estomac, de deux poumons, de deux reins, d’une rate… Or nous savons que nos organes ne « dépensent » pas pareil : le foie et le cerveau dépensent beaucoup plus que les muscles au repos ou que la rate. Les muscles en activité (course) dépensent bien plus que n’importe quel autre organe.
• Niveau de masses corporelles (4,5) : on distingue différents modèles suivant qu’on individualise deux, trois ou quatre compartiments (Figure 1).
  

  - Le modèle à deux compartiments : on distingue masse maigre et masse grasse.
  - Le modèle à trois compartiments : on y distingue masse grasse et, dans la masse maigre, l’os et la masse non osseuse (viscères et muscles).
  - Le modèle à quatre compartiments : masse grasse, la masse osseuse et masse non osseuse séparée en masse intra-cellulaire (viscères et muscles) et masse extra-cellulaire (plasma et liquide interstitiel). En effet, la masse cellulaire « dépense de l’énergie » alors que la masse extra-cellulaire non  (4,5).

• Niveau d’activité : un organe qui fonctionne à plein régime dépense plus qu’au repos : ainsi le foie dépense deux fois plus en période postprandiale que la nuit. Un muscle de cuisse dépense 20 fois plus à la course qu’à une marche lente en terrain plat.
  

4. Dépense énergétique, tout et parties

La dépense énergétique (DE) est l’ensemble de phénomènes par lesquels l’organisme transforme l’énergie (1,2). On y distingue plusieurs postes (Figure 2) :

1. La DE de repos (DER) : elle correspond à environ 60-65 % de la DE totale (DET) de la journée chez un individu sédentaire (1,5,6). Elle dépend à 90 % de la masse maigre (MM) et, au sein de celle-ci, de la masse musculaire. La DER est donc fonction du sexe (plus grandes sont la MM et la DER dans le sexe masculin), la taille et le poids. Elle est également génétiquement déterminée (10 %). Une formule permet de la calculer (+ 5 %) :

2. La DE liée à l’acte alimentaire (post-prandiale, DEPP) : elle représente environ 15 % de la DET (1,2,7,8). Elle est liée aux transformations et échanges d’énergie dans l’organisme après le repas. On distingue deux parties à la DEPP : la part obligatoire et la part facultative.

3. La DE liée à l’activité physique (DEAP) : elle représente 15 à 20 % de la DET. Elle est la seule modulable (2) de façon consciente (activité physique et sportive), mais peut varier aussi beaucoup de façon involontaire (activité de posture, anxiété, tremblements…).

4. La DE liée à la thermorégulation (DETR) : elle est faible actuellement, l’homme faisant gérer ce poste par le chauffage de son environnement et la climatisation (2).

La DE varie selon l’activité physique du sujet et le sexe avant tout (Figure 3).

5. Comment estimer les besoins énergétiques des malades ?

5.1. La DER

On peut l’obtenir de plusieurs façons :

La mesure : la calorimétrie indirecte : cette technique mesure la DE par la production de CO2 et la consommation d’O2, dans l’intervalle de temps donné (1,9). On mesure la concentration d’O2 et de CO2 à la fois dans l’air ambiant et dans l’air expiré, ainsi que le débit de ces gaz. On obtient les débits d’O2 et de CO2 entrants et sortants : la consommation d’O2 est égale au débit entrant moins le débit sortant et la production de CO2 est égale au débit sortant moins le débit entrant. Or on connaît la production de CO2 et la production de CO2 liées à l’oxydation d’un gramme de glucides, de protides et de lipides. Des équations connues et vérifiées permettent donc de passer de l’O2 consommé et du CO2 produit à la dépense énergétique et à la quantité respective de glucides, de protides et de lipides oxydés.
Certains services des hôpitaux ont ce matériel.

Le calcul : les formules : Il est aisé de calculer la DER d’un sujet. On peut utiliser pour ce faire des formules compliquées ou simples (6).
Le principe est connu : la DER est fonction de la quantité de masse maigre (MM) d’un sujet à 90 %. Or la MM est fonction de 4 facteurs faciles à obtenir : le sexe, la taille, l’âge et le poids du corps. La formule la plus connue est celle de Harris et Benedict (6) :

Il suffit donc d’avoir un tableur de calcul sur son ordinateur ou sur son organisateur électronique, d’entrer le sexe, la taille, le poids et l’âge. Le calcul prend 6 secondes.
Le calcul peut en être fait sur notre site web suivant : cliquer ici
On peut utiliser également une formule simplifiée :
DER « simplifiée » = 30 kcal/kg MM/jour
La MM moyenne d’un sujet de poids normal est de 0,80 chez l’homme adulte et de 0,75 chez la femme adulte. Donc :
DER = 30 x Poids corporel x 0,80 (ou 0,75) soit :

La masse maigre d’un sujet, nous l’avons vu, dépend de 4 facteurs indépendants :

1. Sa taille : plus il est grand, plus la MM est élevée,
2. Son sexe : un homme a plus de MM qu’une femme,
3. Son l’âge : la MM diminue avec l’âge,
4. Son poids : la MM augmente avec le poids corporel.

Mais la DER est en fait fonction de 3 autres facteurs :

1. La masse musculaire : plus un sujet est physique, musclé, et plus il a de MM,
2. La génétique : on s’en est rendu compte par la mesure de la DER chez les jumeaux homozygotes, par rapport aux jumeaux hétérozygotes,
3. Le syndrome inflammatoire ou la surcharge alimentaire (10-12).

De façon schématique, on peut donc affecter un coefficient aux formules précédentes pour calculer la DER dans certains cas particuliers :
La DER du patient obèse sous régime hypocalorique ou en situation de poids presque normal (i.e. IMC 25-27 kg/(m)2 soit en situation « post-obèse ») : DER obèse = DER théorique x 0,92, soit en formule simplifiée :

La DER de la malade souffrant d’anorexie mentale (AM) sous régime hypercalorique ou en situation de poids presque normal (« post-anorexique ») : DER AM = DER théorique x 1,12

Enfin, la DER est fonction de l’état inflammatoire, variant de 1,1 (état inflammatoire très modéré) à 1,8 (état inflammatoire très sévère) : ce qui donne

Tableau 1 : dépense énergétique de repos selon la maladie (l’inflammation)

Dépense énergétique : niveaux différents selon les individus

Une erreur serait de croire que l’obésité et la maigreur sont expliquées par les seuls apports énergétiques. S’il n’et pas discutable qu’il existe des obésités en rapport avec une hyperphagie (un tiers des cas), d’autres sont liées à une diminution d’un ou de plusieurs postes de dépense énergétique. On a identifié par exemple des rats (Fa-Fa) et des souris (Ob-Ob) génétiquement déficitaires en leptine ; ces rongeurs deviennent obèses, même en mangeant moins que les autres. Chez ces animaux, la seule diminution de la DE explique l’obésité. Ces animaux sont à l’âge adulte 3 fois plus gros que les animaux normaux. D’autres déficits ont été décrits : ainsi des rats dont on a invalidé le gène responsable de la synthèse d’une des protéines découplantes (cf. supra) deviennent obèses.
De même, certaines personnes peuvent développer un surpoids, en ne mangeant pas plus que d’autres : l’étude des jumeaux de Québec (Canada) le démontre bien : à charge énergétique identique, certains grossirent et d’autres beaucoup moins (voir encadré).

5.2. La DEPP

Elle peut être mesurée par calorimétrie indirecte. Elle représente environ 12-15 % des apports énergétiques (apports alimentaires) et environ 15 % de la DET d’un sujet sédentaire. Elle est liée aux transformations et échanges d’énergie dans l’organisme, entre les organes (foie, muscles notamment), après le repas : elle est plus grande pour les protides (20 % des apports), nettement moins pour les glucides (8 %) et très faible pour les lipides (5 %). On distingue deux parties à la DEPP : la part obligatoire, qui est égale au contenu énergétique des nutriments (4 kcal par gramme de protides et glucides, 9 kcal par g lipides). Cette part est identique pour tous : elle ne dépend que de ce qui est ingéré. La 2ème partie est dite « facultative » : elle est liée à la transformation et au stockage des nutriments ingéré. Elle est d’environ 15 % de la DEPP et varie notablement d’un sujet à l’autre (2,6). Elle est sous contrôle du système catécholaminergique (b adrénergique surtout). On admet que certaines personnes génétiquement programmées pour être obèses ont une part facultative de la DEPP très basse.

5.3. La DEAP

Elle représente 15 % de la DE totale (DET) chez un sujet sédentaire et jusqu’à 50-60 % chez un grand sportif. En valeur absolue, elle varie de 150 kcal/jour à plus de 2.000 kcal/j. Elle est la seule DE qui peut être modulée de façon consciente. Mais elle est également fonction de facteurs inconscients, les uns cognitifs et les autres sensoriels-émotionnels.
Les facteurs cognitifs sont utilisés par les médecins pour faire maigrir un sujet obèse ou en surpoids. Mais ils sont aussi utilisés par les malades souffrant d’anorexie mentale et de boulimie. Enfin, des personnes soucieuses de leur silhouette et/ou de leur forme et de leur santé utilisent l’activité physique pour contrôler leur poids.
L’activité physique comprend en fait plusieurs postes :

1. un poste conscient, mais non volontaire : activité liée au travail, à une obligation (aller faire des courses à pied, quand il n’y a pas de transport en commun)
2. un poste volontaire : lié à l’activité sportive ou récréative (se promener)
3. un poste volontaire cognitif : bouger pour « brûler des calories »
4. un poste involontaire : agitation, trémulation, excitation, nervosité à composante physique. Ces activités génèrent une dépense de posture (il n’y a pas de déplacement voulu du corps). Elles sont en partie liées à l’anxiété.

Ainsi, un adolescent très porté sur les jeux vidéos d’action et qui s’excite beaucoup est-il moins sédentaire qu’un adulte qui lit calmement dans son fauteuil. Ainsi un sujet nerveux ou anxieux peut-il manger beaucoup plus qu’un sujet calme et serein. C’est ce qui explique qu’une malade souffrant d’anorexie mentale peine à maintenir un poids de 42 kg pour 1,65 m en ayant des apports de 2.200 kcal/jour, alors qu’une malade obèse de 70 kg pour 1,65 m peine à perdre du poids en ayant des apports de 1.700 kcal/jour.

La DE totale des 24 h : On peut la mesurer :
La calorimétrie indirecte est applicable : mais il faut avoir une chambre calorimétrique. Le sujet reste dans la chambre (d’un volume d’environ 20 m3) 24 h et les appareils mesurent l’O2 et le CO2 entrants et sortants sur 24 h. Il n’y a que très peu de ces chambres.

L’excrétion urinaire de CO2 et les isotopes stables : selon le même principe, on peut mesurer par isotopes stables (O18 et C13) la concentration de CO2 dans les urines. Sachant la demi-vie du CO2 dans l’organisme (10-15 jours) et en mesurant la concentration de CO2 dans l’urine à deux ou trois reprises, on peut calculer le CO2 produit. Connaissant la valeur du rapport quotient d’oxydation CO2 produit sur O2 consommé, on peut calculer la DE totale.

5.4. Évolution de la dépense énergétique selon l'état nutritionnel et les apports alimentaires

Les travaux de recherche de ces 10 dernières années ont bien mis en évidence que la DE et ses parties étaient fonction de l’état nutritionnel et des apports énergétiques. Plusieurs modèles en rendent compte.

Modèle biochimique : au sein des mitochondries existent des systèmes de gaspillage d’énergie, qui sont activés lorsqu’il y a un excès d’énergie et inhibés quand l’énergie vient à manquer (restriction chronique) ou quand le froid est trop mordant. Ces systèmes, appelés cycles futiles ou UCTP (cf ci-dessus), ne produisent quasiment que de la chaleur.

Modèle cellulaire : l’adipocyte fait varier son rendement énergétique grâce à la modulation de son système de lipolyse. Cette régulation est assurée entre autre par les PPAR gamma. Quant aux cellules musculaires des muscles striés, elles s’adaptent également aux apports, utilisant plus ou moins, selon l’état nutritionnel et le niveau d’activité physique habituel, les acides gras internes et captés de l’extérieur.

Modèle tissulaire : Les adipocytes ne sont pas tous égaux : ceux des régions sous-cutanées (superficielles) ont des capacités de stockage des acides gras (sous forme de triglycérides) bien plus grandes que celles des adipocytes des régions plus profondes (tissu adipeux abdomino-mésentérique par exemple) : le tissu adipeux abdomino-mésentérique relargue une plus grande proportion des acides gras qui lui arrivent. Ces acides gras, libres, arrivant au foie, y déclenchent des réactions en chaîne qui favorisent le syndrome métabolique : stimulation de la production endogène de glucose, hypersécrétion d’insuline. Ceci induit une diminution de la DER et de la DEPP. C’est la raison pour laquelle le diabétique ayant une obésité abdominale maigrit moins que les autres. Ceci explique également l’hypertriglycéridémie, la baisse du cholestérol-HDL et les maladies cardiovasculaires liées à l’artériosclérose.

Modèle corps entier : Les sujets et les animaux ne sont pas égaux en terme de dépense énergétique. Certains, à activité physique égale, ont des dépenses plus élevées que d’autres. L’étendue de la variation est de l’ordre de 10 % pour 95 % de la population. Ceci revient à dire qu’un sujet peut brûler 2.400 kcal/jour alors qu’un autre ne dépensera que 2160 kcal/jour par exemple (pour une taille, un âge et une activité donnés). Des simulations et des études de suivi du poids nous ont enseigné que la différence de poids entre ces deux personnes pouvait être de l’ordre de 10 à 12 kg en deux ans et de l’ordre de 20 à 30 kg en 10 ans.

Dès lors que l’on considère qu’un bilan d’énergie positif induit une prise de poids, pourquoi les gens arrêtent-ils de grossir (ou de maigrir) ?
En effet, si le bilan énergétique est positif de 200 kcal/jour, la théorie nous apprend que le sujet doit prendre 200 g par semaine, soit 104 kg en 10 ans. Or ceci ne n’observe jamais Pour plusieurs raisons :

1. En mangeant plus « calorique », le sujet augmente sa DEPP : il brûle plus de calories après le repas ;
2. En prenant du poids, le sujet doit transporter un poids plus lourd, a donc besoin de plus de muscles, en fabrique plus et, ce faisant, augmente sa DER, puisqu’elle est fonction de la masse musculaire ;
3. En prenant du poids et du tissu adipeux, le sujet augmente la concentration plasmatique de leptine. Ceci induit une augmentation de la DER et une réduction de la faim.
4. Enfin, la DER est augmentée par l’accroissement des cycles futiles (cf supra).

Concrètement, on peut obtenir ce qui suit Tableau 2 : Un modèle pour expliquer l’évolution du poids par la dépense énergétique chez l’obèse :

Simulation sur une base réelle chez un homme de 40 ans, 1,70 m, pesant, obèse, 98 kg. Le pré-obèse ici est le même homme, mais avant (à 26 ans) et pesant 74 kg. En passant à l’obésité, il augmente sa masse et donc augmente sa dépense énergétique de repos (DER). Il mange plus pour « défendre » cette masse et donc sa DE post-prandiale (DEPP) augmente. En pesant plus lourd, il dépense plus pour la même activité de déplacement, mais a tendance à bouger moins, vu son poids ; la DEAP diminue. Elle diminue encore sous régime (moins on pèse lourd, moins on dépense d’énergie). Plus mince, cet homme a une DE de thermorégulation (DETR) d’une valeur liée à son tissu adipeux. En prenant du poids et du tissu adipeux, il a moins de déperdition de chaleur (le tissu adipeux est un isolant thermique). En maigrissant, ce poste augmente.

En clair, dans cet exemple, si cette personne, une fois « post-obèse » (à 70 kg, soit après avoir perdu 28 kg), a des apports de plus de 2000 kcal/jour, elle regrossit ! Alors qu’elle maigrissait au début du régime, à 2200 kcal/j de… 2 à 3 kg par mois.
A l’inverse, un malade dénutri a qui on souhaite faire prendre du poids voit sa prise de poids freinée par les mécanismes exactement inverses.

6. Conclusions

La dépense énergétique règle nos dépenses. Elle est fonction avant tout de la masse maigre, et donc du sexe, de la taille, de l’âge et du poids, mais aussi de l’activité physique, de l’état nutritionnel et du syndrome inflammatoire éventuel.

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