Nutrition and health: vegetal lipids and proteins - New data to appreciate the quality of vegetal proteins in humans - Implications and outlook

ARTICLE

De la difficulté d’évaluer la qualité protéique chez l’homme

Dès le début du siècle, il a été formulé que la qualité d’une protéine chez l’homme relevait de sa capacité à être retenue avec le maximum d’efficacité dans l’organisme [1]. On pense donc pouvoir juger de la qualité d’une protéine alimentaire chez l’homme en mesurant l’ampleur des pertes azotées induites par sa consommation, en essayant de les distinguer des pertes continuelles d’azote "endogène", provenant du catabolisme des protéines de l’organisme [1]. Pour ce faire, la mesure du bilan azoté à long terme obtenu par des individus consommant comme seule source protéique la protéine qu’on cherche à évaluer permet d’estimer la rétention de cette protéine (de l’azote) dans l’organisme, le plus souvent par comparaison au bilan obtenu avec une autre source protéique [2]. L’animal en croissance, caractérisé par un gain azoté, fournit tout naturellement un modèle d’étude pratique pour l’homme [3]. Ainsi l’essentiel des données concernant la qualité des protéines chez l’homme qui ont été obtenues jusque dans les années 90 repose sur la capacité relative d’une protéine à promouvoir un bilan azoté positif chez l’animal ou à assurer un bilan azoté nul chez l’homme.

Les nombreuses données obtenues chez le rat avec ce type d’approche consacrent alors l’ensemble des sources protéiques végétales comme étant de mauvaise qualité, par opposition aux sources protéiques animales [4, 5]. Les données chez l’homme, beaucoup plus rares, sont moins contrastées et indiquent que certaines sources végétales comme le soja sont en fait de qualité similaire aux sources animales [6, 7] mais indiquent par exemple une moindre qualité des protéines de céréales [2]. Pratiquement, les résultats d’évaluation de la qualité protéique diffèrent entre les différents modèles animaux ainsi qu’entre l’homme et les animaux [8]. La qualité protéique se décompose en deux paramètres : la digestibilité de la protéine, qui donne un indice de la biodisponibilité des acides aminés, et la valeur biologique qui reflète l’efficacité d’utilisation de ces acides aminés absorbés [9, 10].

 

Parallèlement, les progrès conceptuels amènent à définir la qualité d’une protéine comme son aptitude à couvrir les besoins en azote et en acides aminés [11, 12]. L’accent est mis sur l’importance critique du besoin en acides aminés indispensables pour assurer un renouvellement des protéines de l’organisme. Une protéine de faible qualité fournit certains ou plusieurs acides aminés indispensables en quantité insuffisante, en particulier pour assurer l’incorporation de l’ensemble des acides aminés dans les protéines de l’organisme, c’est-à-dire que la protéine alimentaire est limitante en certains acides aminés.

Les progrès sur les connaissances des besoins en acides aminés de l’homme et des animaux indiquent qu’ils diffèrent assez fortement, entre autres parce que l’un est en maintenance et les autres en croissance. Ces considérations expliquent les différences rapportées entre le modèle animal et l’homme [13]. L’approche chez l’homme paraît donc plus pertinente.

Cependant, les mesures de bilan azoté chez l’homme montrent que cette mesure reflète également les phénomènes d’adaptation métabolique induits par la consommation à long terme de régimes protéiques différents [14, 15]. L’organisme adulte montre ainsi des modifications d’activité métabolique qui ajustent les besoins en acides aminés aux apports effectifs protéino-énergétiques [16, 17]. Ainsi, pour faire le lien avec l’introduction de ce chapitre, il est manifeste que les pertes endogènes d’azote varient en fonction de la quantité et de la qualité des protéiques dans le régime. La consommation par un individu d’une seule source protéique dans un régime le place alors dans une situation finalement biaisée d’un point de vue méthodologique. En outre, d’un point de vue pratique, la méthode du bilan azoté chez l’homme se révèle assez peu robuste [16, 18]. Signalons enfin qu’en présence de fibres ou de différents types de fibres, des modifications métaboliques et physiologiques des flux d’azote dans l’organisme rendent difficiles les comparaisons entre sources protéiques végétales non purifiées [19-21].

Si la qualité d’une protéine peut être évaluée comme sa capacité à couvrir les besoins de l’homme en acides aminés, il est alors possible d’en rendre compte en comparant la composition en acides aminés de la protéine avec les besoins en chaque acide aminé : une protéine idéale est celle qui, consommée à hauteur du besoin nutritionnel global en protéines, a une composition en acides aminés telle qu’elle permet de couvrir les besoins en chacun des acides aminés. La méthode dite du "score chimique" repose sur ce principe et compare le profil en acides aminés d’une protéine testée avec ce profil de référence [22]. L’acide aminé présent en plus faible quantité par rapport à ce profil de référence est l’acide aminé limitant et sa concentration relative détermine la valeur de l’indice chimique. Pour tenir compte de la mise à disposition effective pour l’organisme des acides aminés de la protéine, cette valeur est ensuite pondérée par la digestibilité globale de la protéine, ce qui forme l’indice PDCASS (protein digestibility corrected amino acid score) qui est actuellement la méthode de référence préconisée au niveau international [4, 23], même si on lui connaît des limites théoriques ou pratiques [10, 24]. Outre une certaine praticité, la méthode a l’avantage de proposer une comparaison avec des valeurs établies chez l’homme. Elle a comme inconvénient majeur de reposer sur les estimations des besoins en acides aminés, qui sont depuis longtemps un sujet de forte controverse, pour des raisons théoriques et techniques [25-28]. Nous reviendrons plus tard sur ces considérations.

Les apports des données récentes utilisant des traceurs isotopiques chez l’homme

Principe des méthodes

Face à la complexité des concepts qui sous-tendent les méthodes d’évaluation de la qualité protéique chez l’homme, certaines équipes ont proposé et mis en œuvre des approches alternatives directes qui s’appliquent assez bien au concept de qualité protéique tel que nous l’avons présenté ici. Pour évaluer la capacité d’une protéine à être retenue par l’organisme, tout en évitant l’approche long terme qui complique considérablement l’interprétation des résultats, il est possible d’essayer de distinguer spécifiquement le devenir métabolique de la protéine après son ingestion chez l’homme. L’étude de la phase postprandiale offre un intérêt supplémentaire car lors de cette phase critique pour l’homéostasie azotée, les protéines ingérées font office à la fois de signal et de substrat pour la réalisation du gain protéique qui permet de couvrir les pertes azotées postabsorptives [29, 30].

Ces méthodes utilisent des protéines intrinsèquement et uniformément marquées à l’azote 15, l’isotope stable de l’azote, qui permettent de distinguer, par le principe de dilution isotopique, l’origine (alimentaire ou endogène) de l’azote perdu par l’organisme. L’accès expérimental au niveau intestinal (par des méthodes complexes de pose de sonde et de perfusion intestinale ou par l’étude de sujets iléostomisés) permet de mesurer les pertes d’azote ou d’acides aminés d’origine alimentaire ou endogène au niveau terminal de l’intestin grêle, permettant ainsi de déterminer la digestibilité iléale réelle. Cette mesure fournit directement la proportion d’azote ou d’acides aminés du repas qui a été absorbée par l’intestin grêle et reflète bien la mise à disposition des acides aminés ingérés pour le métabolisme postprandial. Simultanément, la méthode permet de déterminer les pertes iléales d’azote endogène pendant la période postprandiale pour évaluer dans quelle mesure l’ingestion du repas a entraîné une plus grande sécrétion ou une moindre réabsorption des sécrétions endogènes dans l’intestin.

Enfin, en mesurant les quantités d’azote d’origine alimentaire qui sont retrouvées dans les produits du catabolisme de l’azote des acides aminés (urée corporelle, azote urinaire), on peut déduire la fraction absorbée de l’azote alimentaire qui a été retenu par l’organisme pendant la phase postprandiale. Par analogie avec la mesure de la valeur biologique, on pourrait ici parler de valeur biologique réelle postprandiale.

L’utilisation des acides aminés alimentaires pour le gain protéique postprandial a été également étudiée par d’autres approches utilisant également des traceurs isotopiques. En mesurant le bilan de leucine par perfusion de leucine marquée, ces méthodes déterminent la capacité des protéines du repas à promouvoir un gain de leucine pendant la période postprandiale [30-32]. Le principe est donc différent dans la mesure où on juge ici la capacité des protéines à promouvoir le gain azoté total et non leur capacité à être retenues dans l’organisme. Les deux phénomènes sont assez fortement liés même si, dans le détail, l’utilisation des acides aminés alimentaires et endogènes peut varier au niveau du corps entier comme de certains organes [33-35]. Outre l’évaluation de la qualité protéique, ces méthodes ont également contribué à la meilleure compréhension de la mise à disposition et du métabolisme des acides aminés pendant la phase postprandiale. Elles ont ainsi pu être appliquées pour évaluer l’impact d’autres facteurs nutritionnels que la nature des protéines alimentaires, comme la charge énergétique du repas ou la présence de fibres solubles. Ces approches ont été appliquées ces dernières années à l’évaluation de la qualité protéique et fournissent des nouvelles données qui permettent de réévaluer la qualité des protéines animales et végétales et d’explorer le concept de qualité protéique.

Digestibilité iléale réelle des protéines

Le tableau 1 rassemble les valeurs de digestibilité iléale réelle obtenues pour différentes sources protéiques grâce à un marquage à l’azote 15. Il s’agit de protéines de pois sous forme de farine, d’isolé de soja, d’isolé de pois (reconstitué à partir de fractions purifiées), de globulines de pois purifiées (sous forme native), de protéines de lait purifiées, de protéines d’œuf (avant ou après cuisson).

Ces données montrent que les protéines de pois ou de lupin ont une digestibilité élevée, similaire à celle des protéines de soja, bien que les protéines de lupin aient été ingérées sous une forme non purifiée (farine). Les études ont également permis de montrer que certaines protéines pouvaient avoir une digestibilité particulièrement élevée, comme les globulines de pois. Dans l’ensemble, ces chiffres, obtenus dans notre unité ou par d’autres équipes, montrent que les protéines de légumineuses présentent une digestibilité élevée et similaire à celle de protéines animales de référence. La digestibilité des protéines varie cependant selon leur nature. Ainsi la présence à l’état natif de sous-fractions protéiques exerçant une activité anti-trypsique réduit la digestibilité des protéines de pois, mais l’impact reste modéré. Dans certaines conditions (protéines naturellement dépourvues de facteurs antinutritionnels, comme les protéines de lupin ou les globulines de pois) ou après des traitements thermiques optimisés (réduisant l’effet des facteurs antinutritionnels ou favorisant l’hydrolyse enzymatique), les protéines végétales ont ou pourraient avoir une digestibilité très élevée. Ces résultats convergent avec certaines données obtenues chez l’animal, bien qu’il soit en réalité difficile de les comparer [36]. Les procédés d’extraction, de purification et les traitements physico-chimique appliqués aux protéines alimentaires ont vraisemblablement un rôle déterminant sur leur digestibilité [37].

Si la digestibilité iléale réelle de l’azote fournit une estimation précieuse de la mise à disposition de la protéine ingérée, il est possible d’affiner encore cette estimation en mesurant les digestibilités de chacun des acides aminés. En effet, il a été montré chez l’animal que certains acides aminés pouvaient être moins bien absorbés que les autres [38]. Chez l’homme, la digestibilité iléale réelle des acides aminés issus des protéines de soja ou de lait a été mesurée [39] et les résultats ont en effet montré une certaine variabilité. Par exemple, la digestibilité de la thréonine des protéines de soja est de 89 % alors que celle de la lysine ou de la phénylalanine atteint ou dépasse 95 %. Les résultats généraux, sur l’ensemble des acides aminés, confirment une faible différence globale de digestibilité entre protéines de lait et de soja (environ 94 % pour le soja, contre 95 % pour le lait).

Utilisation métabolique des acides aminés alimentaires

Comparons maintenant les résultats obtenus concernant l’efficacité d’utilisation de ces protéines alimentaires pendant la phase postprandiale. Nous voyons que, après ingestion des différentes protéines de légumineuse, le catabolisme des acides aminés alimentaires s’élève à environ 20 % des quantités absorbées (figure 1), si bien que l’efficacité d’utilisation des protéines de pois, de soja et de lupin dans l’organisme varie entre 79 et 81 %. Ces valeurs sont numériquement légèrement plus faibles que la valeur de 85 % obtenue dans des conditions assez similaires pour les protéines de lait.

Repenser la qualité protéique ?

Ces données renouvellent la vision classique concernant la valeur des protéines végétales en montrant que l’azote des protéines de légumineuses est fortement retenu chez l’homme après ingestion. Les écarts avec les protéines animales sont notablement plus faibles que ce qui était couramment admis. En particulier, le score chimique de ces protéines n’est pas en accord avec les résultats présentés ici. Deux explications très différentes peuvent être identifiées.

Les protéines de lupin ont une valeur biologique postprandiale similaire à celle des protéines de soja, alors que les indices chimiques sont respectivement de 0,87 et 1,07 sur la base du profil de référence FAO/WHO de 1990. Cependant ce profil, établi de manière transitoire, a été très critiqué car de nombreux travaux ont montré que l’estimation du besoin en certains acides aminés conduisait à de moindres exigences pour le profil théorique [21]. Ainsi, par comparaison au nouveau profil qui a été proposé par le comité d’experts réuni sous l’égide de la FAO cette année [40], les protéines de lupin ne présentent plus d’acide aminé limitant. On peut donc penser que l’incertitude sur les besoins en acides aminés, ou sur la façon d’établir le profil à partir de ces données, pourrait ainsi expliquer en partie les écarts entre les résultats de valorisation immédiate in vivo des protéines végétales et l’estimation de leur qualité sur la base du score chimique. L’amélioration des connaissances concernant les besoins en acides aminés, permise par les progrès techniques, devrait permettre d’affiner ce profil de référence, mais il reste encore des inconnues sur la manière de transcrire ces données si bien que différents profils ont été proposés jusqu’ici [41].

Cependant, la révision du profil de référence n’atténue pas toutes les différences entre score chimique et efficacité biologique d’utilisation des protéines. En effet, nos mesures ne montrent pas de moindre utilisation métabolique de la fraction globuline de pois, alors que celle-ci a un indice chimique deux fois plus faible que celui des protéines de pois totales [42]. Ces différences pourraient donc être conceptuelles : peut-on comparer la valorisation immédiate des protéines (leur valeur biologique postprandiale) avec leur capacité à couvrir à long terme, comme seule source protéique, les besoins en acides aminés de l’homme (ce qui est le principe du score chimique) ? A court terme, la valorisation des protéines alimentaires ne paraît pas être étroitement liée à l’"équilibre" du régime en acides aminés à long terme. Tout d’abord, même à moyen terme, l’utilisation métabolique d’un ensemble d’acides aminés réagit de manière complexe à la composition en acides aminés et à la quantité d’acides aminés [43, 44]. Ainsi il est vraisemblable qu’à court terme, l’orientation immédiate des acides aminés dans les voies métaboliques puisse être optimale pour un profil en acides aminés différent de celui qui assure la couverture des besoins à long terme et que ce profil puisse dépendre de nombreux facteurs comme l’apport énergétique associé [34, 45-47]. En particulier, l’homme possède d’assez fortes capacités d’accommodation à des variations qualitatives aiguës de l’apport protéique [26, 48]. Ceci est corroboré par des données récentes du métabolisme de la leucine obtenues dans la phase postprandiale après ingestion de protéines de lait ou de blé [31, 49]. Une protéine alimentaire qui présente une "déficience" en un acide aminé pourrait avoir une utilisation forte, ou moins faible qu’il n’était attendu, grâce à la capacité des acides aminés endogènes à "tamponner" ce déficit de mise à disposition. Deux exemples de ces possibilités ont été présentés. Les assez fortes teneurs en lysine libre dans l’organisme (comparativement à la plupart des acides aminés) pourraient expliquer que les protéines de blé permettent un gain postprandial supérieur à celui attendu au vu de leur très faible teneur en lysine [31, 49]. De même, il est envisageable qu’une moindre synthèse de glutathion, qui consomme des quantités importantes de cystéine, puisse expliquer la bonne rétention des acides aminés des protéines de la fraction globuline, pourtant très pauvre en acides aminés soufrés [42]. Ces capacités tampons sont plus difficiles à imaginer pour la plupart des autres acides aminés, qui n’ont ni pools libres importants ni forme spécifique non protéique apparentée à une réserve. Cependant, si on compare les protéines alimentaires avec le nouveau profil de référence, ce sont pratiquement presque toujours ces seuls acides aminés (lysine et acides aminés soufrés) qui sont susceptibles d’être limitants dans les protéines alimentaires.

Il est alors légitime de penser que, si l’organisme peut s’accommoder à court terme de l’ingestion d’une protéine à la composition sub-optimale par rapport à ses besoins à longterme, il ne pourra pas longtemps soutenir ce déficit. Ce point reste controversé, certains auteurs arguant que les capacités d’adaptation métabolique de l’organisme à long terme lui permettent de diminuer de manière très importante le besoin en certains acides aminés [31, 50], si bien que même les régimes exclusivement à base de céréales ne poseraient aucun problème nutritionnel, dans la mesure où l’apport énergétique est assuré [51]. Ces considérations restent cependant théoriques car il y peu de données expérimentales pour évaluer l’étendue des capacités d’adaptation [52, 53]. Les conséquences de ces "adaptations" ou de ces "accommodations", sont également difficiles à évaluer [53]. D’un point de vue plus pragmatique, dans le cadre des populations des pays industrialisés, une certaine diversité des sources protéiques assure la bonne utilisation des différentes protéines alimentaires. Ainsi, la question de l’effet de la consommation à long terme de sources protéiques présentant la même "déficience" est peu pertinente pour ces populations de pays développés. Enfin, à long terme également, d’autres paramètres alimentaires, comme le niveau d’apport protéique ou énergétique pèsent sur l’utilisation des acides aminés pendant la phase postprandiale. Des travaux de notre unité ont d’ailleurs confirmé que la valeur biologique postprandiale des protéines alimentaires varie selon la quantité globale de protéines dans le régime, et ces données ont montré que les différences relatives de valorisation aiguë entre différentes sources protéiques sont plus importantes quand l’individu a suivi précédemment un régime à forte teneur en protéine [54, 55].

Affiner les critères de qualité des protéines

L’ensemble de ces considérations ne doit pas conduire à penser que la qualité protéique est un concept sans importance pour les populations jouissant d’un bon statut protéino-énergétique. Les données appellent plutôt à affiner et à élargir le concept de qualité protéique. En effet, si les données obtenues au niveau du corps entier tendent à montrer que l’organisme fait preuve d’une certaine robustesse quant à sa capacité à utiliser globalement l’ensemble des acides aminés alimentaires, des données obtenues pour certains zones de l’organisme ou organes soutiennent l’idée que ce n’est probablement pas le cas pour tous les acides aminés et tous les tissus [56-58]. Par exemple, les résultats obtenus par analyse compartimentale des données expérimentales de distribution et de métabolisme de l’azote des protéines de lait et de soja ont montré que la différence globale de valeur biologique entre ces deux protéines s’expliquait par une différence de rétention dans la zone périphérique [59]. Une des raisons est vraisemblablement la plus forte teneur en acides aminés ramifiés des protéines de lait, qui sont peu prélevés par la zone splanchnique (intestin, foie) et donc largement transférés dans la zone périphérique (muscle), où ils exercent un effet stimulateur sur le transfert et l’utilisation anabolique de l’ensemble des acides aminés [59, 60]. Ainsi, dans la phase postprandiale, la composition en acides aminés pourrait influencer le métabolisme des différents tissus et définir le degré d’incorporation des acides aminés dans les différentes protéines, sans pour autant nécessairement affecter l’utilisation globale au niveau de l’ensemble de l’organisme [57]. L’analyse compartimentale à l’aide de modèles globaux du métabolisme de l’azote ou des acides aminés peut permettre de proposer une vue intégrée de la valorisation spécifique des protéines dans les différentes zones de l’organisme [61, 62]. Des progrès pourront également être accomplis en étudiant directement sur certains tissus, comme le muscle, le transport et l’utilisation anabolique des acides aminés alimentaires, en situation dynamique, ce qui appelle également à un traitement des données par analyse compartimentale [63].

Enfin, la notion de valeur protéique doit être élargie. En effet, la qualité d’une protéine peut influencer des voies spécifiques d’utilisation de certains acides aminés pour la synthèse de composés non protéiques. Une fois encore, une illustration convaincante est fournie par les acides aminés soufrés, dont la teneur dans le régime [64, 65] mais aussi dans le repas, c’est-à-dire à court terme, est capable de moduler les concentrations tissulaires en glutathion [65-68]. De manière plus générale, de nombreux acides aminés sont ainsi utilisés dans des voies métaboliques particulières, qui ont peu de lien avec le métabolisme protéique mais jouent des rôles physiologiques ou physiopathologiques de première importance [69-71]. La présence dans les protéines alimentaires de fortes quantités d’acides aminés précurseurs pourrait augmenter leur participation à ces voies d’utilisation spécifiques non protéiques, et moduler le métabolisme de l’organisme [72]. Parmi ces voies métaboliques suscitant un intérêt grandissant, on retrouve les acides aminés soufrés pour la synthèse de glutathion mais on peut également citer la production de monoxyde d’azote à partir de l’arginine, qui est reconnue comme une voie métabolique de première importance pour un nombre étonnant de situations physiopathologiques [73-75]. Dans ce dernier cas, il ne s’agit plus de considérer la rétention de l’ensemble des acides aminés des protéines alimentaires, ni même la rétention de l’arginine, car cette voie est extrêmement mineure, quantitativement parlant, chez l’adulte en bonne santé. Il s’agit plutôt de déterminer si la proportion d’arginine dans les protéines alimentaires est capable d’influencer son utilisation pour la production de monoxyde d’azote. L’importance et les répercussions physiologiques de l’apport en certains acides aminés comme l’arginine ont été montrées dans certains cas physiopathologiques chez l’animal et chez l’adulte [76]. Dans ces situations, les effets de l’arginine ne sont pas uniquement liés au bénéfice sur le métabolisme protéique [77] et ils proviendraient des capacités régulatrices de ses métabolites [78-80]. Sur cet exemple s’ouvre la perspective que les protéines alimentaires, par l’action spécifique de leurs acides aminés, jouent un rôle important dans le développement ou la prévention du risque de pathologies chroniques, qui ne relève plus du concept de "qualité protéique" mais de celui de la valeur nutritionnelle dans son acception la plus large [71]. Les études devront établir les fondements métaboliques de l’action des acides aminés et les liens avec la réponse fonctionnelle, en situation nutritionnelle, pour évaluer et comprendre la pleine valeur des protéines alimentaires pour la nutrition des populations de nos pays.

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