Cours 2 - Métabolisme énergétique, aérobie et anaérobie

Question 1

Qu’est-ce le métabolisme énergétique

Answer 1

L’ensemble des processus utilisés par les animaux pour acquérir, convertir, exploiter et évacuer l’énergie
les animaux ont besoin d’incorporer des sources énergétiques extérieures à eux-mêmes pour maintenir leur organisation complexe (leur ordre/organisation sens seconde loi thermodynamique) i.e pour demeurer en vie

Question 2

Que stipule la 2e loi de la thermodynamique ?

Answer 2

Stipule que si des changements internes surviennent dans un système fermé, la direction de ces changements ne peut qu’aller vers un plus grand « désordre »
- ex du tuyau fermé dont l’énergie est directionnel au début, mais finit par devenir une énergie aléatoire qui produit de la chaleur = désordre qui s’installe

Question 3

Nommez les 3 formes d’énergie chez les animaux

Answer 3

1. Énergie chimique
2. Énergie électrique
3. Énergie cinétique

Question 4

Qu’est-ce que l’énergie chimique?

Answer 4

séquestrée dans les liaisons entre atomes de molécules, les animaux l’obtiennent en reconfigurant les atomes dans les molécules provenant de la nourriture ingérée

Question 5

Qu’est-ce que l’énergie électrique?

Answer 5

due à la séparation des charges de part et d’autre d’une membrane

Question 6

Qu’est-ce que l’énergie cinétique?

Answer 6

qui peut prendre deux formes:

1. l’énergie mécanique qui implique un mouvement organisé
2. la chaleur qui résulte de mouvements moléculaires aléatoires

Question 7

Parmi les types d’énergie lequel ne permet pas un travail?

Answer 7

la chaleur (par contre, possible établir un taux métabolique)

Question 8

Expliquez ce qu’est concrètement la chaleur

Answer 8

Forme d’énergie dégradée et dissipée par les organismes pendant la respiration cellulaire (métabolisme)
- Par ex: lorsqu’une souris mange, chaque étape de dégradation de la nourriture, il y a une perte sous forme de chaleur

Question 9

Nommez les 3 fonctions principales d’utilisation de l’énergie chez les animaux

Answer 9

1. biosynthèse des constituants (ex: lipides, glucides)
2. Maintenance des tissus et organes
3. Génération d’un travail extérieur

perdent eux-même bcp de chaleur

Question 10

L’énergie chimique ingérée est perdue par l’une des 3 fonctions physiologiques dans le corps de l’animal, mais aussi sous forme d’énergie …

Answer 10

rectale (chimique fécale)

Question 11

La détermination du taux métabolique d’un animal est déterminé par …?

Answer 11

La vitesse à laquelle l’énergie chimique ingérée est convertie en chaleur et en énergie motrice

• calcul du taux métabolique en terme de production de chaleur

Question 12

Comment peut-on mesurer le taux métabolique ?

Answer 12

Calorimétrie = chaleur (calories) dissipée par unité de temps

Question 13

Qu’est-ce qu’une calorie?

Answer 13

C’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la T° d’un gramme d’eau de 1°C

Question 14

Dites l’unité de mesure de l’énergie et du taux de consommation d’énergie

Answer 14

l’énergie : joule

taux de consommation d’énergie : watt (joule/seconde)

Question 15

Quelle est l’invention d’Antoine Lavisier (fin années 1790)?

Answer 15

Calorimètre: système permettant de mesurer la chaleur dégradée par un organisme et donc son taux métabolique

Question 16

L’évaluation du taux métabolique se fait par 2 systèmes, nommez les et expliquez les

Answer 16

1. Calorimétrie directe :
   - Chambre assez petite qui est entourée D’une capsule de glace qui est elle-même entourée pour assurer bon isolement de l’appareil
   - Animal produit chaleur par son métabolisme et calcul qté eau de la glace fondue ; en sachant qté chaleur nécessaire pour 1g d’eau donne idée production chaleur de l’animal
2. Calorimétrie indirecte : avec respiromètre
   - Basée sur le fait que pour produire de l’énergie sous forme de chaleur, un organisme mange et respire de l’O2 et excrète du CO2 et de l’eau
   - Mesure la production de chaleur indirectement en déterminant la consommation d’O2 ou la production de CO2

Question 17

Nommez l’avantage et les désavantages (4) de la calorimétrie directe

Answer 17

• Avantage : mesure directement le taux de composantes de chaleur
• Désavantages :
  1. coûteux
  2. lente à produire des résultats
  3. Ne peut pas accommoder des changements rapides d’énergie
  4. souvent l’appareil aussi produit de la chaleur

Question 18

Nommez l’avantage et les désavantages (3) de la calorimétrie indirecte

Answer 18

• Avantage : beaucoup plus abordable
• Désavantages:
  1. Construit pour un système qui utilise obligatoirement de l’oxygène
  2. Ne mesure pas le taux métabolique des processus anaérobie
  3. Les résultats vont changer avec l’intensité et la durée de l’exercice (Si veut mesurer taux métabolique basal au repos = personne ou animal ne doit pas bouger, être à jeun, si se met courir court ou long terme = changement pas juste processus aérobie (à tenir en compte ds calorimétrie indirecte))

Question 19

En quoi le taux métabolique d’un animal est important ?

Answer 19

1. le taux métabolique d’un animal est un de plus importants déterminant de « la qté de nourriture dont il a besoin »
2. la production totale de chaleur par un animal donne une indication de l’activité totale de tous ses mécanismes physiologiques
3. Écologiquement, le taux métabolique d’un animal indique la qté de ressources énergétiques qu’il retirera de son écosystème

Question 20

Nommez les facteurs qui peuvent faire varier le taux métabolique (10)

Answer 20

1. niveau d’activité physique
2. température environnementale
3. ingestion d’un repas/nourriture
4. la taille
5. l’âge
6. le sexe
7. taux d’O2 de l’environnement
8. hormones
9. temps dans le jour (jour/nuit)
10. salinité de l’eau

Question 21

Différence entre poikilotherme et homéotherme?

Answer 21

• poikilotherme : organisme dont la température interne change en fonction de la température externe
• homéotherme : Organisme dont le température interne ne change pas en fonction de la température externe

Question 22

Nommez les 2 mesures de taux métaboliques standardisées et pour quel type d’animaux ils sont utilisés

Answer 22

1. Taux métabolique basal (TMB) ; mesuré chez animaux homéothermiques au repos, à jeun et à l’intérieur de leur zone de neutralité thermique
2. Taux métabolique standard ; mesuré chez animaux poikilothermiques au repos, à jeun et à leur température ambiante préférée

Question 23

Est-ce que les besoins énergétiques des espèces animales sont proportionnels ou non à leur taille respective?

Answer 23

Non, le TMB par unité de poids des mammifères diminue en fonction de la taille

• • • un animal est petit, + son taux métabolique est élevé**
      i. e. il en coûte beaucoup moins cher à un éléphant pour soutenir 1g de tissu qu’à une souris

Question 24

Quelle est la relation du taux métabolique si ce n’est pas proportionnelle? Et quelle est la formule du taux métabolique en fonction du poids?

Answer 24

• la relation est allométrique et non proportionnelle
• M = aW^b
  (où M = taux métabolique ; W = le poids ; a et b = des constantes)

Question 25

S’il y a une relation allométrique entre la taille et le taux métabolique donc aussi relation allométrique avec taille des organes à l’intérieur des animaux?

Answer 25

Non, n’est pas allométrique quant à la taille, mais quant à l’efficacité, cette relation à été démontré avec l’exemple du coeur :
- le rapport de taille du coeur en fonction de la taille de l’animal (souris vs éléphant) par unité de poids ne diffère pas, mais la fréquence des battements cardiaques et le rythme respiratoire sont plus élevés chez les petits animaux par rapport aux plus gros

Question 26

Donnez un exemple de relation allométrique du taux métabolique et taille au niveau tissulaire/cellulaire

Answer 26

ex: les muscles des petites espèces possèdent plus de mitochondries par g de tissu que ceux des espèces plus grosses
- densité. mitochondriale accrue chez les petits animaux = utilisation plus performante de l’O2

Question 27

Donnez un exemple de relation allométrique du taux métabolique et taille au niveau des écosystèmes

Answer 27

on pourrait penser que 3500 souris de 20g (total =70 000g) équivalent, en terme de nourriture provenant de l’écosystème, un chevreuil de 70 000g, MAIS vu leur métabolisme de base plus élevé, seulement 440 souris équivalent un chevreuil!

Question 28

Décrivez les 4 points explicatifs du rapport taille/taux métabolique

Answer 28

1. Les mammifères maintiennent une T° constante mais élevée par rapport à leur environnement, donc ils tendent à perdre de la chaleur
2. Comme la chaleur se perd par la surface corporelle, le taux de perte de chaleur devrait être proportionnel à cette surface
3. Les petits mammifères ont une plus grande surface corporelle par unité de poids que les gros mammifères
4. La perte de chaleur doit être remplacée métaboliquement pour garder la T° corporelle constante

Question 29

Quel est l’organe le plus énergivore?

Answer 29

Le cerveau qui a 20% du TMB soit 1/5 de l’énergie qui va à lui

Question 30

Est-ce que différents types d’animaux possèdent différents mécanismes de production d’ATP?

Answer 30

Oui, par ex. animaux qui vivent endroits hypoxique = mécanisme autre que aérobie pour production ATP

Question 31

Le métabolisme énergétique se fonde sur 2 voies biochimiques pour assurer un apport suffisant d’énergie disponible pour les tâches physiologiques, que sont-elles?

Answer 31

les voies cataboliques aérobies et anaérobiques

Question 32

Nommez les 4 réactions principales de la voie catabolique aérobique

Answer 32

1. la glycolyse
2. le cycle de Krebs
3. La chaîne de transport des électrons
4. La phosphorylation oxydative

Question 33

Quel est le but général du catabolisme aérobie

Answer 33

oxyder complètement les mol/nourriture ingérés par l’animal pour à la fin avoir 1 mol d’ATP (énergie universelle)

Question 34

Expliquez brièvement la glycolyse

Answer 34

• niveau cytoplasme
• La série de réactions enzymatiques d cela glycolyse convertit le glucose ou son polymère (glycogène) en acide pyruvique
• Pour ch mol de glucose catabolisée = 2 mol acide pyruvique (formées) + 2 mol cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) (réduites)
• gain net de 2 nouvelles mol ATP

Question 35

Expliquez brièvement le cycle de Krebs

Answer 35

• Pour 1 mol de glucose = 6 CO2 + 8 NADH2 + 2 FDAH2 + 2 ATP
• Au total 10 réactions d’oxydation (oxydoréduction) ; les oxydations résultent du transfert d’électrons au NAD ou au FAD qui sont ainsi réduits, l’O2 n’y intervenant pas (accepteurs d’électrons primaires)

Question 36

Expliquez brièvement la chaîne de transport des électrons

Answer 36

O2 est le dernier accepteurs des é

• NADH2 et FADH2 viennent dans la chaine transport dans la mitochondrie au niveau mem interne (car 2 mem dans les mito) et vont donner leur électrons aux mol puis vont circuler à travers complexes enzymatiques de la chaîne (4 au total et cytochrome oxydase (le dernier) transfert é aux déchets)
• Centrale énergétique = mitochondrie = pour coder cette chose qui est primordiale

Comment ça fonctionne?
- Passage des électrons le long de chacun des complexes enzymatiques s’accompagne d’un transfert de protons à travers chacun des complexes = protons passent de la matrice à l’espace inter-membranaire = couplage dont les électrons passent d’un complexe à l’autre
Au final crée un gradient de protons = électrochimiques et donc énergie potentiel

Question 37

Expliquez la phosphorylation oxydative

Answer 37

• processus consistant à former l’ATP à partir de l’ADP en utilisant l’énergie relâchée par le transport des électrons
• lien avec transfert des électrons par un gradient électrochimique qui est exploité par l’ATP synthase pour fabriquer une molécule énergétique soit l’ATP

Question 38

Combien (selon la théorie) y a-t’il d’ATP au total suite aux voies cataboliques aérobiques?

Answer 38

30-32 ATP

Question 39

Que se passe-t-il dans un milieu pauvre en oxygène (catabolisme aérobie en situation d’hypoxie)?

Answer 39

• le passage des électrons dans la chaîne respiratoire ralentit ou s’arrête, car il n’y a plus d’accepteur final, et les électrons s’accumulent au niveau de la chaîne
• La phosphorylation oxydative ne peut plus se produire et la cellule perd sa capacité à faire de l’ATP qui ne peut plus être produit par catabolisme aérobie
• Le cycle d’oxydation-réduction (redox) des NAD et FAD devient figé à l’état réduit, ces molécules ne peuvent plus être régénérées, la cellule ne peut plus produire d’ATP du tout

Question 40

Nommez l’organe chez les vertébrés qui n’est pas capable de fonctionner sans oxygène ? Que faire lorsqu’en manque?

Answer 40

le cerveau
- Lorsque animaux en plonger ou altitude = plein de mécanismes alternatifs pour protéger cerveau car environnements en manque O2 ; donc maintient d’une balance redox pendant que la production d’ATP continue glycolyse anaérobique

Question 41

Qu’est-ce que la glycolyse anaérobique ? Ou se fait-il majoritairement ? Quel est le gain net d’ATP ?

Answer 41

• En conditions anaérobiques, la molécule NADH2 est réoxydée en NAD en donnant ses électrons à l’acide pyruvique qui devient ainsi l’accepteur final d’électrons ; En acceptant ces é, l’acide pyruvique est réduit en acide lactique (fait intervenir la lactate déshydrogénase (LDH))
• surtout dans les muscles (n’implique que le glucose)
• gain net de 2 mol ATP

Question 42

Que peut provoquer l’acide lactique s’il est accumulé? Que faire pour éviter cela?

Answer 42

• des acidoses et des fatigues extrêmes
• transformer le lactate en pyruvate (rx réversible) pour l’envoyer soit cycle de Krebs lorsque l’O2 va revenir OU soit refaire du glucose en empruntant la glycolyse inversée (NÉOGLUCOGÉNÈSE) qui nécessite également de l’oxygène

Question 43

Nommez et décrivez un autre mécanisme de production d’ATP sans oxygène (autre que glycolyse anaérobique)

Answer 43

Les phosphagènes qui sont des mol riches en énergie utilisable pour former de l’ATP

• ex: la CRÉATINE phosphate des muscles de Vertébrés et l’ARGININE phosphate des Invertébrés
• elles sont synthétisés par des phosphagènes kinases

Question 44

Nommez et décrivez un autre mécanisme de production d’ATP (parfois lorsque manque O2)

Answer 44

Des stocks d’O2 pour faire de l’ATP : i.e. l’utilisation d’O2 lié à l’hémoglobine ou à la myoglobine
- Quand manque O2 = sprinter qui part tout de suite = va pas manquer O2, mais crée une demande bcp plus élevé en O2 que syst peut livrer = syst respiratoire doit s’ajuster, mais reste O2 dans corps et mol hémoglobine = donc ce stock = utilisé pour produire mol ATP rapidement quand la demande devient importante

Question 45

Quel mécanisme est priorisé lorsqu’au repos et lequel l’est lorsqu’un exercice est abruptement démarré ?

Answer 45

• Au repos: métabolisme aérobie (équilibre entre production ATP et son utilisation + consommation O2)
• Exercice abruptement démarré: déficit ATP et O2 en utilisant glycolyse anaérobie, mobilisation de phosphagènes et/ou utilisation des réserves d’O2

Question 46

Pourquoi les muscles du vol des insectes est le plus aérobique de tous les tissus chez les animaux ?

Answer 46

Car les muscles du vol contiennent un système de trachées et de trachéales qui fournit directement l’oxygène aux cellules musculaires du vol
- les cellules musculaires contiennent des niveaux élevés d’enzymes aérobies et souvent plus de la moitié du vol tissulaire est constitué de mitochondries

Question 47

Dans la courbe de consommation de l’O2 (lors première étape suite exercice soudain): La livraison d’oxygène aux tissus ____ graduellement au début d’un exercice, et donc la consommation d’oxygène est ____ à la demande pour réaliser l’exercice

Quel est le nom de cette étape?

Answer 47

1. augmente
2. inférieure

réponse: déficit d’oxygène

Question 48

Lors du déficit d’oxygène quelles sont les voies cataboliques empruntées?

Answer 48

anaérobie et aérobie = fournissent ATP durant cette période de déficit O2

Question 49

Quand arrivons-nous à une phase d’équilibre (quant à la courbe de consommation d’O2)?

Answer 49

Lorsque tout l’oxygène nécessaire pour faire face aux nouvelles demandes atteint les tissus

• ajustement des systèmes respiratoires et cardiovasculaires quant au déficit d’O2
• l’ATP est fournit entièrement par le catabolisme aérobie

Question 50

Qu’arrive-t-il à la consommation d’O2 lorsque l’exercice est fini (quant à la courbe de consommation d’O2)?

Answer 50

Lors d’un arrêt soudain d’exercice, les systèmes cardiovasculaires et respiratoires ne vont pas subitement arrêter aussi, ils ont besoin d’un temps d’ajustement, donc il y a un excès de consommation d’oxygène post-exercice (i.e. surconsommation du besoin général)

Question 51

Vrai ou faux? Peu importe le type d’exercice que j’effectue (marche, course, sprint…) les phases de consommation d’oxygène ne varient pas, soit les transitions restent aussi drastiques?

Answer 51

FAUX! les phases varient selon l’intensité de l’exercice!

ex: si je marche, les phases de transitions seront beaucoup moins drastiques ; les phases de déficit en O2 et de sur-consommation ne seront pas aussi intense que si j’effectuais un sprint

Question 52

Expliquez la différence entre un organisme dont la capacité anaérobique prédomine et un organisme dont la capacité aérobique est dominante.

Answer 52

• capacité anaérobique: prédateurs/proies qui chassent/s’enfuissent à toute vitesse, mais une course de courte durée à cause de la fatigue occasionnée par l’accumulation d’acide lactique (acidose) ; doit trouver refuge après pour leur survie ; pas possible métabolisme anaérobique agir sur le long terme
• capacité aérobique :
  poursuivre une proie ou s’esquiver d’un prédateur de manière délibérée, tenace et à un rythme de croisière plus modeste; dure plus sur le long terme

Question 53

Vrai ou faux? les fibres musculaires peuvent être inné ou être source d’acclimatation selon le type d’exercice effectué et la demande en oxygène de celui-ci?

Answer 53

VRAI! un marathonien possède principalement des fibres musculaires de type « slow oxidative » (catabolisme aérobie ; fournir ATP à long terme) vs un sprinters possèdent des fibres de types « fast glycolytic » (métabolisme anaérobie)
- le type de fibres peut être inné : plus de fibres à la naissance
OU en fonction de l’entraînement

Question 54

Quelles sont les 3 classes d’organismes en fonction de leur réponse à l’hypoxie?

Answer 54

1. Aréobiques obligatoires : besoin d’O2 pour vivre
2. Anaérobiques facultatifs : capable de se développer en présence ou en absence d’O2
3. Anaérobiques obligatoires (anoxiques) : vivre dans des environnements anaérobiques (sans O2) toute leur vie

Question 55

Qu’est-ce que la dépression métabolique ? Quelle espèce utilise ce phénomène?

Answer 55

• adaptation particulière permettant aux espèces qui la possèdent d’ajuster leur métabolisme aux faibles possibilités de synthèse d’ATP résultant d’une hypoxie prononcée en évitant des effets délétères majeurs au niveau cellulaire
• chez plusieurs invertébrés (certains vertébrés aussi)

Question 56

Que cause la dépression métabolique induite par l’hypoxie (3)?

Answer 56

1. une diminution importante de l’activité permettant une diminution de la demande en O2 (ex: diminution certaines enzymes, diminution nb de mitochondries)
2. une réduction de la synthèse protéique générale et un passage à un métabolisme anaérobie (parfois avec produits = meilleurs rendement que acide lactique ou + faciles à évacuer dans le milieu = éthanol)
3. une vasoconstriction périphérique marquée, une diminution fréquence cardiaque, et une augmentation transitoire du flot sanguin cérébral

Question 57

Comment font les animaux plongeurs pour réguler leur système et protéger leur cerveau en moment d’hypoxie

Answer 57

• utilisent réserves d’O2 poumons, sang et tissus (muscles)
• teneurs en hémoglobine et myoglobine supérieures à celle des animaux non plongeurs
• cerveau alimenté en priorité, vs irrigation sanguine des autres tissus est réduite = utilisent métabolisme anaérobie
• rythme cardiaque et les besoins en O2 sont souvent réduits

Question 58

Comment font les tortues pour vivre jusqu’à 150 jours en anoxie complète?

Answer 58

Les tortues se sont adapter en étant capable de silencer leur cerveau en période d’anoxie:

• Réduire transmissions synaptiques puis entrent en coma durant ce temps (cerveau devient électriquement silencieux= pompes ions silencés donc pas besoin ATP)
• Va aussi réduire tous les tissus qui ont besoins ATP
• ATP est égale à l’offre par le mécanisme anaérobique
• Accumulation acide lactique dans leur carapace = sans acidose ou fatigue

Question 59

Nommez 3 exemples d’invertébrés anaérobies et un de vertébrés anaérobies, et le temps qu’ils peuvent passer en anaérobie?

Answer 59

Invertébrés:
1. moules marines Genkensia demissa ; 5 jours dans une atmosphère pure en azote

2. le clam marin Arctica islandica ; 1-2mois dans une eau dépourvue d’O2
3. vers tubicole Tubifex ; survivre, se nourrit, se développe et même se reproduit jusqu’à 7 mois dans une eau dépourvue d’O2

Vertébré:
1. le poisson rouge ; 6 jours dans une eau dépourvue d’O2 à température de 10°C

Question 60

Expliquez le mécanisme de l’anaérobiose de la carpe Carassius qui peut survivre plusieurs mois sans O2 (à des T° < 10°C)

Answer 60

Contrairement aux tortues qui tombent dans un état comateux, la carpe reste éveillée tout le long de l’hypoxie en imposant la production d’ATP par le catabolisme anaérobie (glycolyse) pour tous les tissus MÊME le cerveau sans le «shutdown»
- l’acide lactique ne pouvant être tamponné dans une carapace comme les tortues, elle sera transformée en éthanol qui est plus facile à excréter par les branchies directement dans le milieu