Karamö, le prof virtuelLeçon 16 sur 23
La dépense énergétique de l'homme
Je sais expliquer comment on mesure l'énergie dépensée par l'homme, définir le métabolisme de base et calculer une dépense énergétique à partir de la consommation de dioxygène.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Citer les formes sous lesquelles l'organisme dépense son énergie
- Expliquer le principe de la calorimétrie directe et de la calorimétrie indirecte
- Définir le métabolisme de base, ses conditions de mesure et les facteurs qui le font varier
- Calculer une dépense énergétique à partir de la consommation de dioxygène ou du métabolisme de base
Avant de commencer : La respiration cellulaire et le quotient respiratoire ; les fermentations (leçons précédentes).
1Je découvre
À Boké, Alpha travaille comme manœuvre sur un chantier : il porte des sacs de ciment toute la journée. Sa sœur Hawa est secrétaire dans un bureau et passe ses journées assise. Leur petit frère Ousmane, 14 ans, grandit à vue d'œil et joue au football tous les soirs.
Le soir, à table, Alpha mange presque deux fois plus que Hawa. « Tu manges trop ! » plaisante-t-elle. Alpha répond : « Mon travail me fatigue beaucoup, j'ai besoin de plus d'énergie que toi. » Ousmane demande alors : « Et moi, qui ne travaille pas, pourquoi ai-je toujours faim ? Et pendant que je dors, est-ce que mon corps dépense aussi de l'énergie ? »
Dans les leçons précédentes, tu as vu que les cellules libèrent l'énergie des nutriments par la respiration. Il faut maintenant mesurer cette énergie.
Sous quelles formes l'homme dépense-t-il son énergie, comment peut-on la mesurer, et de quoi dépend-elle ?
2Je comprends
1. Les formes de la dépense énergétique
L'énergie libérée par la respiration cellulaire (stockée dans l'ATP) sert à :
- produire du travail musculaire : mouvements, marche, travail physique, mais aussi battements du cœur et mouvements respiratoires ;
- réaliser des synthèses : fabrication de protéines, de glycogène, de graisses (surtout pendant la croissance) ;
- assurer le travail des cellules : transport actif, influx nerveux, activité des reins et du foie ;
- produire de la chaleur : toute l'énergie finit par se transformer en chaleur, ce qui maintient la température du corps vers 37 °C. L'homme est un animal homéotherme.
L'unité légale d'énergie est le joule (J) ; on utilise surtout le kilojoule (kJ). On rencontre encore l'ancienne unité, la kilocalorie (kcal) : 1 kcal ≈ 4,18 kJ.
2. Mesurer la dépense : la calorimétrie directe
Puisque toute l'énergie dépensée finit en chaleur, on peut mesurer directement la chaleur produite par un organisme. C'est la calorimétrie directe.
À la fin du XVIIIe siècle, Lavoisier et Laplace placent un petit animal (un cobaye) dans un calorimètre à glace : la chaleur qu'il dégage fait fondre la glace qui l'entoure, et la masse d'eau recueillie permet de calculer la chaleur produite. Plus tard, on a construit des chambres calorimétriques dans lesquelles un homme peut vivre plusieurs heures ; on mesure l'élévation de température de l'eau qui circule dans les parois.
Cette méthode est précise, mais très coûteuse et difficile à utiliser.
3. Mesurer la dépense : la calorimétrie indirecte
L'énergie provient de l'oxydation des nutriments par le dioxygène. Plus on dépense d'énergie, plus on consomme de dioxygène. On peut donc calculer la dépense à partir du volume de dioxygène consommé : c'est la calorimétrie indirecte. On la réalise avec un spiromètre, qui mesure le volume de O2 consommé et de CO2 rejeté.
On appelle coefficient thermique du dioxygène (ou équivalent énergétique d'un litre de O2) la quantité d'énergie libérée quand l'organisme consomme 1 litre de dioxygène. Il dépend du nutriment oxydé, donc du quotient respiratoire :
| Nutriment oxydé | QR | Coefficient thermique du O2 |
|---|---|---|
| Lipides | 0,7 | 19,6 kJ/L |
| Alimentation mixte | 0,82 | 20,2 kJ/L |
| Glucides | 1 | 21,1 kJ/L |
Dans la pratique, avec une alimentation variée, on prend souvent environ 20 kJ par litre de O2.
Dépense énergétique = VO2 consommé × coefficient thermique
Méthode
Pour calculer une dépense énergétique par calorimétrie indirecte :
- Je calcule le QR (CO₂ rejeté ÷ O₂ consommé) si les deux volumes sont donnés.
- Je choisis le coefficient thermique qui correspond à ce QR (19,6 ; 20,2 ou 21,1 kJ/L).
- Je calcule le volume de O₂ consommé pendant la durée demandée (attention aux unités : mL ou L, minute ou heure).
- Je multiplie : énergie (kJ) = volume de O₂ (L) × coefficient thermique (kJ/L).
Exemple
Au repos, Kadiatou consomme 0,25 L de O₂ par minute avec un QR de 0,82. Calcule sa dépense énergétique en une heure, puis en 24 heures si elle restait dans les mêmes conditions.
QR = 0,82 : coefficient thermique 20,2 kJ/L.
Volume de O₂ en une heure : 0,25 × 60 = 15 L.
Dépense en une heure : 15 × 20,2 = 303 kJ.
Dépense en 24 heures : 303 × 24 = 7 272 kJ.
4. Le métabolisme de base
Même au repos complet, pendant le sommeil par exemple, le corps dépense de l'énergie : le cœur bat, les muscles respiratoires travaillent, le cerveau, le foie et les reins fonctionnent, la température est maintenue. Cette dépense minimale s'appelle le métabolisme de base (MB).
Le métabolisme de base est la dépense énergétique d'un individu au repos complet, c'est-à-dire la dépense minimale nécessaire au maintien de la vie.
Pour pouvoir comparer les personnes, on le mesure dans des conditions standard :
- sujet éveillé, couché, au repos musculaire et détendu ;
- à jeun depuis environ 12 heures (pour éviter la dépense liée à la digestion) ;
- à la neutralité thermique (température ambiante d'environ 20 °C, où l'organisme ne lutte ni contre le froid ni contre la chaleur).
Un homme grand et lourd dépense plus qu'un homme petit, car il perd plus de chaleur par sa peau. Pour comparer, on exprime donc le MB par mètre carré de surface corporelle et par heure (kJ/m²/h). La surface corporelle se lit dans des tables à partir de la taille et du poids (environ 1,7 à 1,9 m² pour un adulte).
Valeurs moyennes chez l'adulte : environ 170 kJ/m²/h pour l'homme et 150 kJ/m²/h pour la femme.
Exemple
Sékou, 30 ans, a une surface corporelle de 1,8 m² et un métabolisme de base de 170 kJ/m²/h. Calcule sa dépense de base en 24 heures.
Par heure : 170 × 1,8 = 306 kJ.
En 24 heures : 306 × 24 = 7 344 kJ.
Cette énergie, Sékou la dépense même s'il reste couché toute la journée.
5. Les facteurs qui font varier le métabolisme de base
| Facteur | Effet sur le MB |
|---|---|
| Âge | plus élevé chez l'enfant et l'adolescent (croissance), diminue avec l'âge |
| Sexe | un peu plus élevé chez l'homme que chez la femme |
| Grossesse et allaitement | augmente (synthèses pour l'enfant) |
| Hormones thyroïdiennes | une glande thyroïde trop active l'augmente, une thyroïde peu active le diminue |
| Fièvre | augmente (environ 10 % par degré selon les manuels) |
| Climat, température | augmente quand le corps doit lutter contre le froid |
| État de nutrition | diminue en cas de dénutrition prolongée |
6. La dépense énergétique totale
La dépense d'une journée est la somme de plusieurs dépenses :
- 1Métabolisme de base : la dépense minimale au repos (la plus grande part chez une personne peu active)
- 2Dépense liée à l'activité physique : travail, marche, sport ; très variable
- 3Dépense liée à la digestion des repas (thermogenèse alimentaire), environ 10 % du total
- 4Dépense de thermorégulation : lutter contre le froid ou la chaleur
- 5Dépense de croissance et de grossesse : synthèse de nouveaux tissus
L'activité physique est le facteur qui fait le plus varier la dépense d'un jour à l'autre et d'une personne à l'autre. Pour un adulte, on retient les ordres de grandeur suivants :
| Type d'activité | Exemple | Dépense journalière (ordre de grandeur) |
|---|---|---|
| Sédentaire | secrétaire, élève | environ 9 000 à 10 000 kJ |
| Moyenne | enseignant, commerçant qui se déplace | environ 11 000 à 12 500 kJ |
| Intense | manœuvre, cultivateur à la houe, porteur | environ 14 000 à 17 000 kJ |
Alpha, le manœuvre de Boké, dépense donc bien plus que Hawa, et Ousmane, qui grandit et fait du sport, a des besoins élevés pour son âge.
3Je retiens
Je retiens
L'énergie dépensée sert au travail musculaire, aux synthèses, au travail cellulaire, et finit en chaleur. 1 kcal ≈ 4,18 kJ.
Calorimétrie directe : on mesure la chaleur produite. Calorimétrie indirecte : on mesure le O₂ consommé.
Dépense = volume de O₂ consommé × coefficient thermique (19,6 kJ/L pour QR 0,7 ; 20,2 pour QR 0,82 ; 21,1 pour QR 1).
Métabolisme de base : dépense minimale au repos complet, à jeun depuis 12 h, à la neutralité thermique ; exprimé en kJ/m²/h.
Valeurs moyennes : environ 170 kJ/m²/h (homme adulte), 150 kJ/m²/h (femme adulte).
Le MB varie avec l'âge, le sexe, la grossesse, les hormones thyroïdiennes, la fièvre, le climat.
Dépense totale = MB + activité physique + digestion + thermorégulation + croissance.
4Erreurs fréquentes
- Oublier de convertir les unités : un volume en mL doit être converti en L, une consommation par minute doit être multipliée par 60 pour une heure.
- Confondre métabolisme de base et dépense totale : le MB est seulement la dépense minimale au repos ; la dépense réelle de la journée est plus élevée.
- Oublier la surface corporelle : un MB donné en kJ/m²/h doit être multiplié par la surface (en m²) et par le nombre d'heures.
- Utiliser n'importe quel coefficient thermique : il faut choisir celui qui correspond au QR mesuré.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis le métabolisme de base.
b) Cite les trois conditions standard de sa mesure.
c) Quelle est la différence entre calorimétrie directe et calorimétrie indirecte ?
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a) Le métabolisme de base est la dépense énergétique minimale d'un individu au repos complet, nécessaire au maintien de ses fonctions vitales (cœur, respiration, activité des organes, maintien de la température).
b) Sujet éveillé, couché, au repos musculaire et détendu ; à jeun depuis environ 12 heures ; à la neutralité thermique (environ 20 °C).
c) La calorimétrie directe mesure directement la chaleur produite par l'organisme (calorimètre) ; la calorimétrie indirecte calcule la dépense à partir du volume de dioxygène consommé, multiplié par le coefficient thermique du dioxygène.
2Exercice 2
Convertis : a) 2 500 kcal en kJ ; b) 10 450 kJ en kcal (arrondis à l'unité ; 1 kcal = 4,18 kJ).
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a) 2 500 × 4,18 = 10 450 kJ.
b) 10 450 ÷ 4,18 = 2 500 kcal.
3Exercice 3
Mariama, 25 ans, a une surface corporelle de 1,6 m² et un métabolisme de base de 150 kJ/m²/h.
a) Calcule sa dépense de base en 24 heures.
b) Pendant sa grossesse, son MB augmente de 20 %. Calcule sa nouvelle dépense de base journalière.
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a) Par heure : 150 × 1,6 = 240 kJ. En 24 heures : 240 × 24 = 5 760 kJ.
b) 5 760 × 1,20 = 6 912 kJ (augmentation de 5 760 × 0,20 = 1 152 kJ).
4Exercice 4
Au cours d'un travail de sarclage dans un champ d'arachide, Lansana consomme 1,2 L de O₂ par minute et rejette 1,2 L de CO₂ par minute.
a) Calcule son QR. Quel nutriment oxyde-t-il principalement ?
b) Calcule sa dépense énergétique pendant 2 heures de travail.
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a) QR = 1,21,2 = 1 : Lansana oxyde principalement des glucides.
b) Volume de O₂ en 2 heures : 1,2 × 120 = 144 L. Coefficient thermique pour QR = 1 : 21,1 kJ/L. Dépense : 144 × 21,1 = 3 038,4 kJ.
5Exercice 5
(Type examen) On mesure, au spiromètre, la consommation de O₂ d'un élève de 17 ans (surface corporelle 1,7 m²) dans les conditions du métabolisme de base. On trouve 14,4 L de O₂ en une heure, avec un QR de 0,82.
a) Calcule la dépense énergétique de cet élève en une heure (coefficient thermique : 20,2 kJ/L).
b) Calcule son métabolisme de base en kJ/m²/h (arrondi à l'unité).
c) Compare ce résultat à la valeur moyenne d'un homme adulte (170 kJ/m²/h). Propose une explication.
d) La même mesure, faite un jour où l'élève a de la fièvre, donne 16,2 L de O₂ en une heure. Calcule l'augmentation en pourcentage et explique.
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a) 14,4 × 20,2 = 290,88 kJ en une heure.
b) MB = 290,88 ÷ 1,7 ≈ 171 kJ/m²/h.
c) Cette valeur est très proche de la moyenne de l'homme adulte (170 kJ/m²/h), légèrement supérieure. À 17 ans, l'élève est encore en fin de croissance : les synthèses de nouveaux tissus augmentent un peu son métabolisme de base.
d) Augmentation : 16,2 − 14,4 = 1,8 L ; 1,814,4 × 100 = 12,5 \%. La fièvre augmente l'activité des cellules et les réactions chimiques de l'organisme : la consommation de dioxygène et la dépense énergétique augmentent.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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