Le métabolisme et sa régulation

Dernière mise à jour : 2021.11.19

Le processus dynamique complet de conversion et de transformation des substances, la recherche continuelle d'un équilibre entre synthèse (anabolisme) et dégradation (catabolisme) sont les caractéristiques de tous les organismes vivants. Ils leur permettent d'agir avec précision sur des modifications internes et externes. Ces processus sont influencés par un nombre important de facteurs régulateurs, d'origine interne (génétique) ou d'origine externe (facteurs environnementaux, physiologiques).

Ce renouvellement constant est appelé "le métabolisme" de l'organisme.

Sommaire :

Le métabolisme de base

Les processus métaboliques

La régulation hormonale des processus métaboliques au niveau du tissu musculaire

La régulation hormonale des processus métaboliques au niveau du tissu hépatique

Résumé

Des états de carence en glucose

Contenu :

Le métabolisme de base/basal

Dans des conditions de vie normale avec peu d'activités physiques, le métabolisme de base utilise environ 50% de l'énergie pour maintenir une t° corporelle à 37°C et permettre les activités automatiques (respiration, contractions cardiaques, réactions biochimiques, ...). La thermogenèse (production de chaleur pour activer les mécanismes de la digestion) utilise 20% et les 30% restant correspondent aux dépenses liées aux exercices physiques.

Notre marge de manoeuvre sur notre dépense énergétique est donc assez limitée : 30% au mieux!

La pompe Na/K seule dépense déjà 20 à 50% du métabolisme de base des cellules. Un dysfonctionnement de la pompe, p. ex. en cas d'obésité, diminue fortement les dépenses énergétiques, renforçant ainsi le déséquilibre entre l'énergie absorbée et l'énergie dépensée.

Il existe plusieurs manières de calculer son métabolisme de base.

1. 1. Métabolisme de base (en kcal) = les dépenses énergétiques au repos.

pour les femmes :

= (9,740 x poids en kg) + (172 x taille en m) - (4,737 x âge en années) + 667,051

pour les hommes :

= (13,707 x poids en kg) + (492,3 x taille en m) - (6,673 x âge en années) + 77,607

1. 1. Pour obtenir les dépenses totales, il faut ajouter au métabolisme de base toute l'énergie brûlée lors des activités quotidiennes (cuisiner, prendre une douche, travailler, laver la voiture, repasser, ...) et physiques (faire du sport, marcher, monter un escalier, ...).

Pour calculer approximativement les dépenses totales, multiplier le nombre de calories du métabolisme de base personnel

par 1,56 pour une activité légère

par 1.64 pour une activité moyenne

par 1.82 pour une activité intense

P. ex. :

Femme, 55 ans, 1.69m, 74kg, activité moyenne :

Métabolisme de base = 1417.96 kcal

x 1.64 = 2325.45 kcal de dépenses totales.

Voir aussi : "La gestion énergétique, le métabolisme énergétique".

Les processus métaboliques :

Les routes métaboliques utilisées pour la dégradation ou la synthèse sont partiellement communes, bien qu'elles soient de direction opposée. Cependant, des différences persistent sur certains points, permettant une régulation indépendante.

- Les processus cataboliques sont en général du type oxydatif (ou déshydrogénation), une réaction dans laquelle une substance (sucre, graisse, ...) perd un ou plusieurs électrons/protons. D'autres substances acceptent ces électrons en formant des "équivalents réducteurs" (les atomes H), en général du NADH et du NADPH. Le catabolisme produit également de l'énergie sous forme d'ATP ou sous forme d'une composition libérant facilement l'ATP. Cet ATP est principalement synthétisé dans la chaîne respiratoire, durant laquelle les équivalents réducteurs du NADH sont transférés à l'oxygène via une série de réactions (voir : "Phosphorylation oxydative").

Voir aussi : "Résumé des processus producteurs d'énergie".

- Les processus anaboliques sont en général des réactions de réduction, utilisant le NADPH (mais pas le NADH) comme fournisseur d'équivalent de réduction. Ces réactions consomment de l'énergie : la présence d'ATP est donc indispensable.

Les substances intermédiaires obtenues lors du catabolisme peuvent servir comme substrats dans les réactions anaboliques.

Le métabolisme se déroule dans chaque cellule, utilisant des enzymes produites par cette cellule. Lorsqu'une enzyme n'est pas disponible ou en quantité insuffisante, une anomalie métabolique survient. Dans cette situation, les substances sont bien absorbées par la cellule mais elles ne peuvent pas ou insuffisamment être transformées. Elles empêchent le bon déroulement des autres processus métaboliques et entraînent ainsi un vieillissement précoce de la cellule.

Note :

Pour la digestion alimentaire, l'estomac et l'intestin possèdent des enzymes synthétisées par e.a. les glandes salivaires, le pancréas, ... Cette digestion est essentielle : seuls les aliments suffisamment digérés peuvent être absorbés par les cellules de la paroi intestinale. Le manque ou la présence insuffisante d'une ou plusieurs enzymes induit ainsi une perturbation digestive : les aliments ne sont pas bien dégradés dans le tractus gastro-intestinal et seront éliminés via les selles.

Dans la digestion p. ex. :

1. - les protéases (action protéolytique : dégradation des protéines) : trypsine, chymotrypsine, pepsine, élastase, et les protéases végétales : papaïne (papaye), bromélaïne (ananas) ...

1. - les amylases (action amyolytique : dégradation des hydrates de carbone) : amylase, sucrase, maltase, lactase, fructase, ...

1. - les lipases (action lipolytique : dégradation des lipides) : lipase

Le sang se charge des produits de digestion au niveau de l'intestin grêle, plus précisément dans les villosités intestinales.

1. - ce sont les aliments simples (ions minéraux, peptides, petits glucides) qui passent directement dans le sang.
  - les lipides et acides gras, le cholestérol et les vitamines liposolubles passent dans les chylifères, donc par les voies lymphatiques, pour former des chylomicrons (des lipoprotéines comme transporteurs de particules), avant de rejoindre le sang veineux (veine sous-clavière gauche).

La régulation hormonale des processus métaboliques dans le tissu musculaire :

En cas de besoin soudain d'énergie (dans des situations d'angoisse/de peur, d'une attaque, ou d'une fuite, ... mais également lors d'un état de joie extrême, d'agitation intense, de tension sexuelle, de stress, de douleurs, ...), les hormones adrénaline/noradrénaline activent le système de cascade de l'adénylate cyclase dans les adipocytes du tissu musculaire, suite à une excitation.

- Extracellulaire : Les catécholamines

Les catécholamines stimulent ou freinent l'affinité pour la liaison alpha ou bêta, induisant ainsi un équilibre en temps normal ; toutefois, lors des efforts physiques intenses, la stimulation des récepteurs bêta est plus prononcée que l'inhibition des récepteurs alpha ; d'autres mécanismes doivent donc intervenir. La lipolyse est en effet très sensible à des changements de concentration de l'insuline.

1. - l'insuline : neutralise le blocage de la synthèse de glycogène par conversion de la Glycogène synthase D en Glycogène synthase I ;

1. - l'insuline : favorise une diminution de la concentration d'AMPc, tandis que l'adrénaline (et le glucagon) font augmenter la concentration d'AMPc. L'insuline agit par stimulation (phosphorylation) de la phosphodiestérase à l'aide du système de cascade des phosphatidylinositols utilisant l' IP3 comme messager secondaire ;

1. - l'insuline : inactive la LHS (Lipase hormonosensible - lipogenèse) ;

Dans le muscle, sous l'influence de l'adrénaline :

1. 1. - augmente la glycogénolyse
    - augmente la lipolyse pour libérer de l'énergie
    - - avec une inhibition de la glycogenèse
      - avec une inhibition de la lipogenèse

- Intracellulaire : La PKA (la Protéine Kinase AMPc dépendante) :

Dans le tissu musculaire, la PKA, activée par la production de l'AMPc, incite les cellules à transformer le glycogène/les acides gras en glucose :

1. - différentes enzymes impliquées dans le métabolisme du glycogène sont phosphorylées par la PKA. Les effets de la PKA sont contrés par les phosphatases, qui libèrent à nouveau le groupement phosphate...:

1. 1. - la PKA phosphorylise la Glycogène phosphorylase b, en formant la phosphorylase a activée, qui convertit le glycogène en glucose 6-phosphate (stimulation de la dégradation du glycogène) ;

1. 1. - la PKA phosphorylise la Glycogène synthase I en Glycogène synthase D, l'enzyme qui convertit le glucose en glycogène ; cette enzyme est désactivée par la phosphorylation (blocage de l'anabolisme du glycogène) ;

1. 1. - la PKA phosphorylise un inhibiteur de la phosphatase 1, qui empêche la phosphatase de libérer les groupements phosphate fixés par la PKA ;

1. - la PKA phosphorylise la Lipase HormonoSensible (HSL) en HSL-P, qui dégrade les TAG en glycérol et en acides gras libres :

1. 1. - dès que ces acides gras libres sont ramenés dans la mitochondrie via des molécules de transport, ils peuvent être utilisés dans la béta-oxydation (en présence suffisante d'oxygène et en cas de déficit calorique) ;

1. 1. - les acides gras libres non brûlés sont à nouveau estérifiés et transformés en TAG (Triglycérides de stockage) ;

La PKA intervient donc dans 3 (des 4) niveaux, permettant la dégradation très rapide du glycogène disponible en glucose!

La régulation interne est influencée par :

1. 1. - l'AMP : la formation d'AMP active la phosphorylase b inactive, inhibant ainsi la dégradation ;

1. 1. - le glucose 6-P : la concentration du glucose 6-P formé active la Glycogène synthase I , activant ainsi la synthèse du glycogène ;

1. 1. - l'AMPc : la réponse à une excitation constante ou affaiblie cesse à terme (adaptation) : à terme, aucune molécule d'AMPc ne sera produite, rendant la PKA inactive ainsi que la glycogénolyse.

La régulation hormonale des processus métaboliques dans le tissu hépatique :

Le tissu hépatique est particulièrement sensible au glucagon qui intervient via le système en cascade de l'adénylate cyclase. Dans ce système, l'ATP est convertie en messager intracellulaire, l'AMPc, lorsque les taux de glucose sont déficitaires dans le foie.

- Extracellulaire : le glucagon

Dans le foie, sous l'influence du glucagon :

1. 1. - augmente la glycogénolyse
    - augmente la gluconéogenèse
    - augmente la lipolyse pour produire de l'énergie
    - - avec une inhibition de la lipogenèse

- Intracellulaire : La PKA (la Protéine Kinase AMPc dépendante) :

Dans le tissu hépatique, la PKA, activée par la production d'AMPc, incite les cellules à convertir le glycogène en glucose :

1. - différentes enzymes impliquées dans le métabolisme du glycogène sont phosphorylées par la PKA. Les effets de la PKA sont contrés par les phosphatases, qui libèrent à nouveau le groupement phosphate :

1. 1. - la PKA phosphorylise la Glycogène phosphorylase b, en formant la phosphorylase a activée, qui convertit le glycogène en glucose 6-phosphate (stimulation de la dégradation du glycogène) ;

1. 1. - la PKA phosphorylise la Glycogène synthase I en Glycogène synthase D, l'enzyme qui convertit le glucose en glycogène ; cette enzyme est désactivée par la phosphorylation (blocage de l'anabolisme du glycogène).

1. - la PKA phosphorylise la Lipase HormonoSensible (LHS) en HSL-P, qui dégrade les TAG en glycérol et en acides gras libres.

1. 1. - dès que ces acides gras libres sont amenés dans la mitochondrie via des molécules de transport, ils peuvent être utilisés dans la béta-oxydation (en présence suffisante d'oxygène et en cas de déficit calorique) ;

1. 1. - les acides gras libres non brûlés sont à nouveau estérifiés et transformés en TAG (TG de stockage).

Note : lorsque les TAG n'arrivent pas à quitter la cellule, une accumulation de graisses dans le cytoplasme peut survenir (stéatose).

La régulation interne est influencée par :

1. 1. - le glucose 6-P :
    - - l'accumulation du glucose 6-P formé peut être reconverti en glycogène via la gluconéogenèse ;

1. 1. - le glucagon : fait augmenter la concentration d'AMPc ;

1. 1. - la caféine, la théophylline, les xanthines méthylées : freinent la dégradation d'AMPc et renforcent l'effet du glucagon (les taux d'AMPc restent plus longtemps élevés).

Résumé :

Lorsque les taux de glucose sont plus élevés que 90mg/100ml,

- l'insuline est libérée pour diminuer les taux de glucose : l'insuline stimule l'absorption du glucose par toutes les cellules (à l'exception des cellules cérébrales) en augmentant la perméabilité de la membrane cellulaire...;

- la conversion de glucose en glycogène dans les cellules hépatiques et musculaires est favorisée (glycogenèse) ;

- la glycogénolyse hépatique est freinée.

Lorsque les taux de glucose sont inférieurs,

- le glucagon est libéré par le foie afin d'augmenter la dégradation du glycogène (glycogénolyse).

Des états de carence en glucose :

En cas de jeûne : le cerveau doit constamment être alimenté en glucose. Afin d'assurer cet apport de glucose en cas de jeûne, l'organisme fait appel à la gluconéogenèse, en recyclant en glucose ou glycogène de l'acide lactique formé durant la glycolyse en anaérobiose (foie), en transformant des acides aminés "glycogéniques" (tels que : alanine, cystéine, glycine, sérine, thréonine et tryptophane issus de l'hydrolyse des protéines (musculaires). En cas de jeûne, une petite partie est également produite dans le foie à partir du glycérol (issus de l'hydrolyse des triglycérides, libérant des acides gras libres et du glycérol). Voir aussi : "La restriction calorique" et "Le régime cétogène".

En cas de grossesse et en cas d'infection/inflammation : la situation devient plus compliquée lorsque d'autres processus nécessitent un apport en glucose plus élevé : p. ex. la croissance foetale durant la grossesse et le système immunitaire en cas d'infection/inflammation. Puisque le foetus occupe une place élevée dans la hiérarchie évolutionnaire et en cas d'infection, une réaction adéquate du système immunitaire est cruciale afin d'assurer la survie directe. En fait, il est peu connu qu'un système immunitaire non-activé utilise déjà autant de ressources que notre cerveau (23% du métabolisme basal : 47% à partir du glucose et 22 % à partir d'un acide aminé glycogénique, la glutamine). Il est évident qu'un système immunitaire activé consomme nettement plus d'énergie : l'activation du système immunitaire nécessite en effet un surplus énergétique correspondant à 9-30% du métabolisme basal.

Le remède pour faire face à un état de carence aigu en glucose pour le cerveau, le foetus (grossesse) et le système immunitaire (infection/inflammation) est la résistance à l'insuline. En effet, elle induit une incapacité pour les cellules hépatiques, musculaires et des tissus périphériques d'absorber le glucose sanguin. Par contre, la résistance à l'insuline assure l'apport de glucose aux organes consommant exclusivement du glucose, tandis que les autres organes sont obligés à délaisser le glucose comme source d'énergie et de préférer la combustion d'(importantes) réserves lipidiques. L'insulinorésistance pousse donc le foie à produire du glucose et des lipides ainsi que leur distribution (triglycérides-VLDL). Elle pousse aussi le tissu adipeux à produire des acides gras libres et du glycérol, comme dans un état de jeûne.

La carence en glucose provoque donc une ré-allocation des substrats énergétiques: du glucose vers le cerveau, le foetus et le système immunitaire, et des graisses vers les organes insulinorésistants.