Il est généralement connu que les mammifères et les oiseaux ont le sang chaud, et ils sont capables de maintenir un tel état est non seulement dans le confort, mais dans des conditions de basse et haute température. Ces circonstances, selon toute probabilité, étaient la condition préalable pour le développement d’idées sur l’existence d’un organisme de sang chaud système spécial de génération de chaleur. Actuellement, il a été accumulé beaucoup de matériel dans cette direction, qui montre que la production de chaleur est déterminée par des mécanismes spécialisés subcellulaires. Il possède diverses activités qui diffèrent de manière significative dans les différentes classes phylogénétiques de vertébrés, dans l’ontogenèse des mammifères et des oiseaux à divers états d’un organisme. Par conséquent, les animaux à sang chaud ont été affectés à un groupe distinct possédant un métabolisme élevé et supportant une température corporelle constante et élevée (environ 36°C-40°C). L’autre groupe comprend les animaux à sang froid dont le métabolisme est faible et la température corporelle variable. Pour classer les animaux en fonction de leur température, la littérature moderne utilise couramment les termes « à sang chaud et à sang froid », « homéothermes et poïkilothermes », « ectothermes et endothermes ». Dans la pratique, ces groupes sont des termes souvent utilisés de manière interchangeable bien qu’ils aient une signification différente. Nous les utiliserons également en termes non équivoques, bien que nous utilisions principalement le terme « ectothermie et endothermie ». Les différences dans le niveau de métabolisme entre les organismes endo-et ectothermiques en moyenne dans 10 fois, mais dans certains cas, il atteint jusqu’à 100 fois ou plus.1-10 Cette comparaison montre que le maintien de l’état endothermique est atteint par un coût élevé. Il est possible que jusqu’à 90 %, et parfois la majeure partie du métabolisme soit consacrée uniquement à la production de chaleur pour maintenir l’état endothermique de l’organisme. Krogh11 est l’un des premiers à avoir remarqué un taux métabolique inférieur chez les animaux à sang froid par rapport aux animaux à sang chaud. Cependant, il a fallu beaucoup de temps pour clarifier complètement la question de la différence entre les organismes à sang froid et à sang chaud en matière de métabolisme et de production de chaleur.
Chez les animaux poïkilothermes, contrairement aux animaux à sang chaud, le métabolisme dépend des conditions extérieures et peut augmenter comme la température ambiante. Dans ce cas, en conséquence, la température corporelle des animaux à sang froid peut augmenter. Dans de nombreux cas, l’étude du métabolisme des animaux à sang froid est réalisée à la température optimale de ces animaux. Cependant, les résultats de ces études sont difficilement comparables à ceux obtenus chez les animaux à sang chaud, car la température corporelle des animaux est très différente (environ 20°C chez les animaux à sang froid et environ 37°C chez les animaux à sang chaud). Compte tenu de cette circonstance, des études spéciales ont été menées sur des animaux ectothermes à une température corporelle de 35-37°C.8 Leur métabolisme dans ces conditions est environ 10 fois supérieur à celui des animaux endothermes. Il convient également de noter que l’intensité du métabolisme des organismes endothermiques et ectothermiques diminue avec l’augmentation du poids corporel, bien que l’inclinaison de la courbe de régression soit approximativement la même pour ces groupes d’animaux.11-13 La dépendance du métabolisme par rapport au poids corporel est reconnue comme généralement valable pour les animaux à sang chaud et à sang froid12, bien qu’une discussion ait été menée jusqu’à présent sur ses aspects individuels.14 Comme décrit ci-dessus, lors de la comparaison entre les animaux à sang froid et ceux à sang chaud, il faut strictement considérer l’égalité de leur poids. En ce qui concerne l’intensité de la production de chaleur, les animaux endothermiques et ectothermiques varient de 5 à 10 fois à la même température corporelle8,15,16. A la température corporelle optimale chez les animaux à sang froid (20°C), ils diffèrent de 40 à 50 fois et à 10°C chez les animaux à sang froid, ils diffèrent d’environ 100 fois.8
Certaines recherches se concentrent sur l’analyse du coût énergétique de la locomotion (consommation d’énergie par unité de vitesse de mouvement en kg de poids corporel) chez les animaux endothermiques et ectothermiques. Selon les données obtenues, le coût énergétique de la locomotion est 2 à 10 fois plus élevé chez les animaux endothermiques que chez les ectothermiques. Comme il ressort de ce qui précède, la différence la plus significative entre les animaux ectothermes et les animaux endothermes est la capacité des premiers à dépenser beaucoup moins d’énergie pour les fonctions vitales en temps normal et pendant l’activation des processus physiologiques. Par conséquent, sur la base de la recherche sur les animaux à sang froid, l’activité vitale semble être un processus non gaspilleur d’énergie. Cependant, si l’on considère les organismes à sang chaud isolés des organismes à sang froid, la réalisation des fonctions vitales semble associée à une grande consommation d’énergie. Au cours de l’évolution des organismes, il peut se produire des changements dans l’approvisionnement en énergie des fonctions de base, en particulier l’apparition d’une nouvelle fonction énergétique dans l’organisme – la fourniture de sang chaud. Cette circonstance pourrait être la cause principale de la différence qualitative entre les animaux endo et ectothermes dans l’intensité du métabolisme. La recherche physiologique sur les animaux ectothermes et endothermes a servi de condition préalable au développement de la base biochimique de la thermogenèse. En conséquence, plusieurs points de vue biochimiques sur l’origine de l’endothermie des organismes ont été proposés.
Efficacité du fonctionnement de la chaîne respiratoire et thermogenèse
Pendant longtemps, parmi les chercheurs, il y avait un point de vue très populaire sur la faible efficacité des réactions énergétiques dans les tissus comme source de thermo production. Sur la base des données sur la valeur de l’énergie libre standard de l’hydrolyse de l’ATP (ΔG), de nombreux chercheurs pensaient qu’environ la moitié de l’énergie de l’oxydation des substrats dans la synthèse de l’ATP dans la mitochondrie est dissipée sous forme de chaleur, et que les processus dépendant de l’énergie, recyclant l’ATP, dissipent environ une autre moitié de la portion d’énergie restante. Les pertes totales d’énergie pour la production de chaleur seraient d’environ 70 à 80 % de l’énergie initiale de l’oxydation du substrat. Seulement environ 20% de l’énergie est stockée dans des processus biologiques utiles.17-24
Comme la définition de l’énergie libre ΔG a montré la teneur en ATP/ADP et en phosphate dans les tissus, sa valeur est beaucoup plus élevée que l’énergie libre standard de l’hydrolyse de l’ATP et correspond approximativement aux valeurs de13-16 kcal/M d’ATP.18,20-31 Ces résultats indiquent que l’organisation du système énergétique cellulaire adapté pour maintenir un niveau élevé d’énergie libre de l’hydrolyse de l’ATP dans les tissus. Aux valeurs cellulaires de l’énergie d’hydrolyse de l’ATP (13-16 kcal/M) et au niveau d’équilibre des réactifs, l’efficacité de la chaîne respiratoire, c’est-à-dire son rendement, peut être supérieure à 80 %. Actuellement, les chercheurs ne considèrent pas la synthèse et l’hydrolyse de l’ATP comme une source importante de thermogenèse. Il faut également se rappeler que si ces processus se produisent chez les organismes à sang froid, cela contredirait la conception d’une faible efficacité des processus biologiques.
Le rôle de la biosynthèse des protéines dans la thermogenèse
Il a été étudié la haute activité de la synthèse des protéines chez les organismes à sang chaud comme le principal facteur de la dépense énergétique. En considération de l’énergie élevée de l’hydrolyse des liaisons peptidiques dans les protéines (environ 4 kcal on par mole), Racker21 a suggéré la possibilité d’utilisation de la cellule en fonctionnement à 90% de l’énergie totale du métabolisme à la synthèse des protéines. Dans ce contexte, des études ont été menées pour évaluer la valeur énergétique de la biosynthèse. Sur la base du compte de l’accumulation d’une masse corporelle croissante et des changements du niveau du métabolisme basal, il a été constaté que le processus de biosynthèse est responsable de l’utilisation d’une petite proportion de l’énergie du métabolisme, soit 2 à 3%.32,33 L’utilisation d’un inhibiteur de la synthèse protéique à un organisme à sang chaud a montré que dans des conditions de métabolisme basal est supprimé à une petite (à 5%) valeur.34
Le rôle de la Na, K-ATPase
Un certain nombre de chercheurs, sur la base des résultats expérimentaux, arrivent à la conclusion que 40-50% de l’énergie du métabolisme basal est dépensée au fonctionnement de la Na, K-ATPase.35-42 Cependant, selon les calculs de Van Rassum42 la part de la respiration conjuguée au transport dans les tranches de foie n’est pas de 40% comme considéré Ismail-Beigi, et al.38,39 mais seulement d’environ 3-6% de la dépense énergétique totale du tissu. À peu près la même taille (2-6%) de la consommation d’énergie de la Na, K-ATPase est donnée dans d’autres travaux.43-46 Il est montré que le taux de respiration dans les tissus de souris 2-5 fois plus élevé que les reptiles, tandis que la partie de la respiration sensible à l’ouabaïne, associée au fonctionnement de la Na, K-ATPase dans les tissus de souris 4-9 fois plus élevé que chez les reptiles15.
Production de chaleur et complexité de l’organisation des vertébrés
Barton et Edholm47,48 pensent que les animaux à sang chaud est lié à la complexité de l’organisation et que le maintien de cette organisation nécessite une certaine dépense énergétique. Or, le niveau métabolique basal et la respiration tissulaire des grands vertébrés est plus faible que celui des petits, bien que l’organisation des premiers soit plus élevée. En considération de ces constatations, Dolnik16 et Schmidt-Nielson9 expriment l’opinion de la faible dépendance de l’intensité du métabolisme dans l’organisme du niveau d’organisation des animaux.
Cycles (futiles) de substrat et thermogenèse
Selon la conception de Newskholm49,50 un élément obligatoire de la régulation métabolique doit être les « cycles de substrat ». Leur efficacité régulatrice, sur des considérations théoriques, beaucoup plus élevée que la forme allostérique de régulation. Cependant, il est nécessaire de dépenser constamment de l’énergie sous forme d’ATP. Actuellement, il existe les principaux « cycles de substrat » suivants : I) le cycle phosphofructokinase/fructosodi phosphatase (PFK/ FBP) ; 2) le cycle des acides gras triglycérides. Newsholm et al,49 ont noté que « le cycle du substrat PFK/FBP, à son travail maximal, est capable de recycler environ 10% de l’ATP cellulaire. En réalité, cette valeur devrait être beaucoup plus faible. Une opinion similaire est exprimée par d’autres auteurs. Ainsi, on pense51,52 que « les cycles de substrat (futiles) dans les tissus des animaux normaux consomment moins de 5% de l’ATP. Cette part, selon Katz et Rogenstad51 est moindre lors d’un régime glucidique. Kummel52 est d’avis que le « cycle de substrat » des fonctions PFK/FBP dans les tissus est assez stable à différents taux de gluconéogenèse et qu’il ne s’agit pas d’un mécanisme universel de régulation du métabolisme dans les tissus. Un autre cycle de substrat, celui des triglycérides/acides gras est considéré comme important dans la régulation du métabolisme oxydatif des lipides 50 et est également associé à l’utilisation de l’ATP. Selon les données expérimentales, les cycles de substrat in vivo sont proches de l’état d’équilibre. Par conséquent, ces cycles peuvent se dérouler sans dissipation de l’énergie ATP sous forme de chaleur.50,53
Le phénomène de l’activité aérobie
Bennett, Ruben8,16 lors de l’interprétation de la nature de l’homéothermie, accordent plus d’attention au phénomène de « l’activité » du métabolisme aérobie. En particulier, les auteurs pensent que le sang chaud est dû à un métabolisme aérobie élevé. Le niveau de celui-ci est jusqu’à 5-10 fois plus élevé que chez les animaux à sang froid dans les mêmes conditions de température corporelle des animaux comparés. Selon eux, l’activité aérobie est la base de l’augmentation de l’énergie corporelle nécessaire au mouvement de locomotion rapide des mammifères54 et au vol des oiseaux.16 Discutant du rôle des facteurs possibles contribuant au phénomène « activité », Bennett8 considère que des facteurs tels que l’activation du métabolisme aérobie, l’évolution de la circulation sanguine et du système respiratoire chez les vertébrés, ainsi que l’augmentation de la concentration des mitochondries sont d’une grande importance. Dans certains travaux55,56, la surface pulmonaire a été étudiée et on a obtenu des données selon lesquelles elle était corrélée à l’intensité du métabolisme de l’animal. Une grande importance est également accordée au flux sanguin en tant que facteur, qui détermine l’efficacité du métabolisme, car chez les animaux à sang chaud, son taux est plusieurs fois supérieur à celui des animaux à sang froid.57,58
Il a également été suggéré que dans l’évolution des animaux à sang chaud, le nombre de mitochondries et leur densité dans les tissus augmentent. Cependant, selon Savina59, de nombreux animaux à sang froid vivant dans des eaux à faible teneur en oxygène possèdent un grand nombre de mitochondries dans les tissus. Par conséquent, le nombre de mitochondries peut participer à différents processus. Il faut dire que les systèmes susmentionnés des animaux à sang chaud sont très probablement destinés à maintenir le métabolisme des tissus, notamment au niveau cellulaire et mitochondrial. Les faits mentionnés ci-dessus montrent que l’efficacité de nombreux processus énergétiques dans un organisme est élevée. Supposer que l’endothermie d’un organisme est due à la formation de chaleur au détriment du flux continu (et à faible efficacité) des processus énergétiques est un point de vue peu fondé. Ce point de vue est contredit par le fait qu’il existe des animaux à sang froid, dans l’organisme desquels les processus énergétiques se déroulent également de manière continue. Toutefois, leur métabolisme est relativement moins intense que celui des animaux à sang chaud. Ces hypothèses nous permettent de penser que le sang chaud peut être causé par un système spécial de production de chaleur qui est apparu dans ces organismes au cours du processus d’évolution.
Fuite de protons, respiration découplée des mitochondries et thermogenèse
En considération de la relation étroite des mécanismes subcellulaires avec la thermogenèse, un certain nombre d’études ont été menées dans cette direction en utilisant des approches biochimiques, biophysiques et génétiques. En général, les travaux expérimentaux ont été menés aux niveaux mitochondrial et cellulaire, et dans certains travaux, sur des organismes endo- et ectothermiques. L’une des approches importantes dans cette direction est l’étude du processus de fuite de protons des mitochondries causé par une perméabilité accrue de leur membrane interne. La fuite de protons est provoquée par des protéines membranaires spécifiques – les découpleurs (uncoupler proteins-UCP) – localisées dans les membranes mitochondriales internes. A ce jour, plusieurs espèces de protéines ont été identifiées dans différents tissus, qui sont désignées comme UCP1, UCP2, UCP3et UCP4.60 Elles contribuent à la dissémination du gradient de protons sur la membrane mitochondriale, qui a été créé par l’énergie de l’oxydation des substrats. La diffusion du gradient de protons est une source de chaleur biologique, assurant la production de chaleur d’un organisme endothermique.61,62 La fuite de protons à travers les pores des UCP se produit lorsque le potentiel de la membrane de la mitochondrie est élevé et a un lien non ohmique avec la conductivité de la membrane.61 La réduction graduelle du potentiel de la membrane réduit simultanément la fuite de protons, ce qui pourrait améliorer la synthèse d’ATP. Selon l’opinion des chercheurs sur ce problème, la fuite de protons dans son ensemble peut occuper environ 25-40% du taux de respiration total des mitochondries et, par conséquent, de l’organisme. Nous pensons que cette valeur est assez faible, car la production de chaleur dans les organismes endothermiques peut être dépensée jusqu’à 90% de l’énergie totale. Il est possible d’admettre l’existence d’une partie de la respiration des mitochondries indépendante du potentiel de membrane. En particulier, une respiration de découplage élevée est réalisée dans les mitochondries de la graisse brune lors de l’oxydation de divers substrats.63-66 Elle est particulièrement élevée V4 dans l’oxydation du succinate, non supprimée par l’oligomycine et le carboxyatractyloside. Auparavant, une respiration élevée de découplage a été trouvée pendant l’oxydation du NADH dans les mitochondries des muscles squelettiques 67-74 il a été trouvé l’ATPase découplée, qui peut être proche du problème de la thermogenèse.
Une comparaison a été effectuée dans la phylogénie de différents groupes d’animaux. Chez les reptiles, il a été constaté que la fuite de protons dans les hépatocytes et leurs mitochondries est plus faible que chez les mammifères, bien que la différence soit insignifiante.75 Ces données, ainsi que d’autres76 étaient peu compatibles avec l’idée du rôle thermogénique des UCP dans l’organisme. C’est pourquoi on a étudié la possibilité que l’ANT anion-translocateur joue un rôle important dans les tissus de la thermogenèse. Ainsi, à la comparaison des organismes endo- et ectothermiques, il a été montré que la valeur de la conduction protonique est bien corrélée avec la quantité de transporteurs d’anions mitochondriaux, en particulier, avec la quantité d’adénine nucléotide-translocase (ANT).77,78 représentant 75% de la fuite basale de proton. La protéine de découplage UCP1 des mitochondries de la graisse brune contribue également de façon certaine à hauteur de 8 %. On suppose que l’ANT ne détermine pas la totalité de la fuite de protons basale (métabolisme de repos), puisque ni le carboxyatractyloside (inhibiteur de l’ANT) ni le GDP (inhibiteur des UCP) ne suppriment significativement le processus de fuite de protons, la participation d’autres anion-translocateurs mitochondriaux est donc également possible.
Ces représentations sont corroborées par une comparaison expérimentale de la conductivité protonique des hépatocytes chez les mammifères et les reptiliens. Chez ces derniers, le taux de consommation d’oxygène est 4 à 5 fois plus faible, ce qui est corrélé avec un taux d’ANT 4 fois plus faible chez les reptiles. Par conséquent, la quantité d’ANT dans les mitochondries des hépatocytes de mammifères est considérée comme un modulateur important de la thermogenèse au niveau cellulaire.79 Il convient également de noter que dans les travaux examinés, on pense que toutes les populations de mitochondries participent au processus de fuite de protons qui passe par plusieurs étapes.80 Un certain nombre de travaux indiquent que la contribution de la fuite de protons dans le métabolisme de nombreux tissus est d’environ 25 %, et le niveau des muscles squelettiques atteint jusqu’à 50 %. Il est souhaitable de poursuivre les études à cet égard, mais cette contribution n’explique pas la différence de métabolisme entre les organismes endo- et ectothermes, différant de l’ordre de 10 fois ( ou plus) dans le métabolisme standard.
Il a été démontré une participation des UCP dans la thermorégulation, l’obésité, les maladies, le vieillissement, ainsi que dans la régulation du niveau de superoxyde.81,82 Dans ce groupe d’enquêtes de fuite de protons, comme substrat pour l’oxydation sont utilisés séparés (principalement succinate). La valeur obtenue de la fuite de protons peut augmenter la dépense énergétique d’environ 25%. A notre avis, ce n’est pas suffisant pour la production de chaleur nécessaire au maintien de l’endothermie de l’organisme. Une autre option pour résoudre le problème de la thermogenèse biologique est réalisée aux niveaux mitochondrial et cellulaire en utilisant d’autres variations des approches méthodologiques, qui ont permis de considérer la voie mitochondriale de la thermogenèse depuis d’autres positions. Dans ces études, des mitochondries isolées de différents tissus d’animaux endo- et ectothermes ont été utilisées. Pour brosser un tableau général de la recherche, nous décrivons ici les résultats obtenus sur les mitochondries et les cellules cardiaques de rat (cardiocytes). Dans cette série d’investigations, l’existence de deux types de mitochondries dans les tissus est discutée ; l’une d’entre elles est couplée à la synthèse de l’ATP, la seconde n’est pas couplée et remplit une fonction thermogénique. Il est important de noter que les substrats d’oxydation mitochondriale étaient le succinate exogène, le NADH (+ cytochrome c), l’ascorbate (+ cytochrome c). Il faut d’abord dire que les substrats NAD-dépendants (glutamate, malate+pyruvate) ont été oxydés dans ces préparations tissulaires avec un grand contrôle respiratoire (RC V3/V4). Des caractéristiques spécifiques de l’oxydation des trois premiers substrats étaient intéressantes. Ainsi, au succinate le taux de respiration s’est produit à un taux accru de V4. Ce fait largement connu est interprété par nous comme un signe de son oxydation simultanée dans deux types de mitochondries, couplées et non couplées à la synthèse d’ATP. Cette explication a été confirmée par une analyse de la nature de l’oxydation d’autres substrats. Il s’est avéré que le NADH exogène (+cytochrome c) et l’ascorbate (+ cytochrome c) sont oxydés intensivement à la fois par des préparations de mitochondries isolées et des préparations cellulaires.69,70,83,84 Le processus se déroule sans la phosphorylation de l’ADP ajouté, de sorte que l’oligomycine ou le carboxyatactyloside n’affectent pas la dynamique de leur oxydation. De plus, la respiration est inhibée par la roténone (1μg/ml) d’environ 90% sur le premier substrat et par le cyanure de sodium (1mM) sur tous les substrats. Par conséquent, leur oxydation se produit le long de la chaîne respiratoire mitochondriale principale.
Les résultats obtenus ont permis de postuler que dans les préparations étudiées de tissus contiennent non seulement des mitochondries phosphorylantes, mais aussi non phosphorylantes (non couplées). La fonction biologique de la respiration non couplée peut être la production de chaleur, comme l’a montré précédemment une faible expression de cette forme de respiration dans les mitochondries cardiaques et hépatiques de grenouilles à sang froid.84 Il a également été montré que dans les mitochondries de rats à sang chaud, la respiration non couplée est plus élevée dans les mitochondries cardiaques que dans celles du foie. Dans notre modèle de respiration84, il existe un groupe de mitochondries découplées, ainsi qu’un groupe de mitochondries phosphorylantes, ce qui permet d’expliquer les caractéristiques de l’oxydation de différents substrats dans la suspension de mitochondries et de cellules. En outre, même si la quantité de mitochondries non couplées dans la suspension est d’environ 50%, cela n’affectera pas de manière significative le potentiel membranaire total de la suspension mitochondriale et réduira sa valeur d’environ 18% selon la formule de Nernst. En conclusion, on peut dire que l’étude du problème de la thermogenèse chez les organismes endothermiques a une histoire complexe. Comment la nature a-t-elle pu faire passer l’organisme d’un animal à sang froid à un organisme à sang chaud ? Comment a-t-elle pu élever le niveau du métabolisme de base à dix fois ou plus ? Plus probablement, une transformation importante s’est produite dans l’évolution au niveau des mitochondries des tissus une création du système de fuite de protons et dans les mitochondries non couplées (avec celles qui phosphorylent) dans les tissus des mammifères et des oiseaux.
Il faut dire que notre concept de respiration découplée des mitochondries diffère de celui de la littérature. Cependant, il est possible de trouver un côté commun aux deux derniers points de vue, qui parlent de fuite de protons et de respiration découplée des mitochondries. À notre avis, le côté commun est la fuite de protons. Notre point de vue postule l’existence de deux types de mitochondries. L’une d’entre elles synthétise l’ATP, tandis que l’autre type a une perméabilité membranaire élevée pour de nombreux substrats et effectue une fuite de protons pendant l’oxydation de différents substrats. Selon notre hypothèse, les UCP pourraient être situées dans le second type de mitochondries. Malheureusement, notre schéma publié84 n’a pas été discuté jusqu’à présent dans la littérature moderne. A notre avis, le test de nos résultats par d’autres chercheurs pourrait aider à discuter des idées et à résoudre un certain nombre de difficultés qui se posent dans cette direction.
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