cycle de Krebs

La glycolyse et le cycle des pentoses

Les différentes réactions permettant la transformation du glucose en acide pyruvique constituent ce qu’on appelle la glycolyse, ou la voie anaérobie (« anaérobie » signifiant que les réactions ont lieu en l’absence d’oxygène), ou encore la voie Embden-Meyerhof, du nom des spécialistes qui l’ont mise en évidence. Il faut noter que le cycle de Krebs est un producteur d’ATP beaucoup plus efficace que la glycolyse : la respiration cellulaire à partir de la molécule de glucose produit 38 molécules d’ATP, dont 27 sont fournies par le cycle de Krebs et 8 par la glycolyse.
Les hexoses (sucres simples à six atomes de carbone, comme le glucose) peuvent également être partiellement décomposés en entrant dans le cycle des pentoses (sucres en C5, comme le ribose, qui joue un rôle dans le métabolisme des glucides). Ce cycle permet, en outre, de produire ou de dégrader les oses (sucres) à cinq carbones dont la cellule à besoin, notamment lors de la synthèse des acides nucléiques.
Au cours de cette opération, plusieurs atomes d’hydrogène sont transférés sur un dérivé vitaminique, le NAD, et les deux atomes de carbones de carbone éliminés sous forme de dioxyde se retrouvent dans l’air expiré par l’organisme.
Les intermédiaires intervenant dans le cycle de Krebs sont formés soit à partir du glucose, soit à partir de divers acides aminés. Les radicaux acétyles, qui doivent alimenter sans discontinuer le cycle de Krebs, sont obtenus à partir des acides gras ou du glucose. Ainsi, protides, glucides et lipides peuvent être indirectement utilisés dans les réactions du cycle de Krebs aux fins de produire des composés à niveau énergétique élevé. La cellule parvient sans difficulté à maintenir la concentration des métabolites intermédiaires parce qu’ils participent à de nombreuses autres réactions du métabolisme.

Les Lipides

Les acides gras, qui représentent un des principaux constituants des lipides, sont dégradés au cours du processus appelé ß-oxydation. Les longues chaînes carbonées dont ils sont progressivement découpées en molécules à deux atomes de carbon avant d’être définitivement dégradées dans le cycle de Krebs.
Leur synthèse relève d’un processus inverse, puisque leur chaîne carbonée est recomposée à l’aide de maillons à deux atomes de carbone. Une des grandes différences entre la synthèse et la dégradation est que la première est réalisée dans la mitochondrie à l’aide d’enzymes spécifiques des acides gras (les enzymes de l’hélice de Lynen), tandis que la seconde se déroule intégralement dans le cytoplasme de la cellule.

La Polymérisation

La polymérisation peut consister en la synthèse de protéines à partir d'un grand nombre d'acides aminés disposés selon une séquence déterminée. Les précurseurs de la synthèse des acides aminés sont en grande majorité les intermédiaires de cycles tels que celui de Krebs ou de la glycolyse. Les acides aminés «indispensables » que la cellule ne peut synthétiser proviennent exclusivement de l'alimentation. La dégradation des acides aminés commence toujours par une désamination, qui a lieu, par exemple, dans le cycle de l'urée. Les nouveaux composés ainsi produits peuvent devenir des intermédiaires de nombreux cycles.La polymérisation peut aussi consister en la synthèse d'ADN ou d'ARN à partir de mononucléotides, composés d'une base et d'un pentose, reliés entre eux par l'acide phosphorique. La polymérisation ne peut avoir lieu qu'en présence d'ATP ou d'autres composés à niveau énergétique élevé, dont certains, comme la guanosine triphosphate (GTP ), sont des dérivés de l'ATP.

Les réactions anaérobies

Toutes les cellules ont la faculté de synthétiser de l'ATP en l'absence d'oxygène (réactions anaérobies ). En règle générale, le glucose, qui constitue la principale source de sucre dans la cellule, est dégradé en acide pyruvique, qui donne à son tour de l'acide lactique, alors éliminé par la cellule. Ainsi, les bactéries du lait en absorbent le sucre et le transforment en acide lactique, au cours d'un processus métabolique qui produit assez d'ATP pour satisfaire les besoins des bactéries. L'acide lactique, éliminé par les cellules bactériennes, rend le lait aigre.De même, chez les animaux, l'activité musculaire peut se poursuivre, pendant un laps de temps assez court, sans apport d'oxygène ; l'acide lactique passe dans le sang. Si la privation d'oxygène dure longtemps, l'acidité bloque toute activité métabolique et la cellule musculaire meurt.

Le métabolisme de base

Au cours de la combustion des aliments, la consommation d'oxygène (O 2 ) s'accompagne d'un dégagement de dioxyde de carbone (CO 2 ). La quantité d'oxygène utilisée permet de calculer les dépenses énergétiques de l'organisme, c'est-à-dire le métabolisme de cet organisme.Le métabolisme d'un animal donné connaît des variations importantes dans le temps, et ce en fonction de divers facteurs : l'intensité de l'activité musculaire ; la nature du comportement alimentaire ; la digestion, la lactation ou la grossesse ; le moment de la journée ou la période de l'année ; la période du cycle menstruel chez la femme ; ou encore, la situation émotionnelle.Souhaitant disposer d'un point de référence, les spécialistes ont arbitrairement défini un métabolisme dont la détermination suppose le respect préalable d'un certain nombre de conventions. Il est défini comme étant le métabolisme d'un animal placé dans les conditions les plus favorables qui soient sur le plan physiologique. Chez l'homme et les autres mammifères ainsi que chez les oiseaux, ce métabolisme correspondant à une dépense énergétique minimale est appelé «métabolisme de base »: il s'agit du métabolisme d'un animal au repos, en période de jeûne, et qui ne subit aucun stress d'origine thermique.

Le métabolisme de base chez l'homme

Chez l'homme, le métabolisme de base correspond à la quantité d'oxygène utilisée par l'organisme alors que le sujet est au repos complet, après avoir dormi au moins 8 heures ; son dernier repas ne doit pas remonter à moins de 12 heures ; il doit être resté au minimum 30 minutes sans faire le moindre exercice ; enfin, la température ambiante doit être comprise entre 16,7 et 30,6 °C.Ainsi, par définition, le métabolisme de base représente la quantité minimale d'énergie nécessaire à l'organisme par unité de temps pour maintenir l'individu en vie, c'est-à-dire la quantité d'énergie nécessaire à la contraction musculaire lors de la respiration, des battements cardiaques et du tonus musculaire ; au maintien des activités de synthèse qui se déroulent en permanence au sein des différentes cellules ; au maintien de l'activité électrique du cerveau.Le terme «métabolisme de base » ne saurait être appliqué aux animaux à sang froid, du fait du caractère particulier de leur métabolisme. En effet, leur température dépend de la température ambiante, et le métabolisme varie avec la température du corps. On parle, à propos de ces animaux, de métabolisme standard pour évoquer le métabolisme minimal des sujets en période de jeûne, placés dans des conditions de température déterminées.

Le métabolisme des glucides

Les glucides sont les premiers à être consommés par l'organisme, avant les lipides et les protides. Le D-glucose est l'élément primordial du métabolisme des glucides, car, d'une part, il offre une réserve d'énergie importante et facilement accessible et, d'autre part, sa dégradation fournit une série de composés indispensables à l'activité de la cellule.Les plantes sont capables de fabriquer leurs glucides par la photosynthèse, au cours de laquelle l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique grâce à la chlorophylle et à d'autres pigments. Cette réaction aboutit à la conversion de l'eau et du dioxyde de carbone en glucose et en oxygène. Elle se décompose en une phase lumineuse (dépendante de la lumière ), durant laquelle l'énergie chimique est créée sous forme d'ATP (adénosine triphosphate ), et en une phase obscure (indépendante de la lumière ), où le CO 2 et l'ATP servent à la synthèse du glucose. Chez les animaux, l'utilisation des glucides (saccharose, amidon, glycogène ), stockés dans les cellules, dépend de leur oxydation, réaction inverse de celle de la photosynthèse. Avec quelques variations selon les êtres vivants considérés, la libération du glucose se fait par glycolyse (voie des trioses ), réaction catalysée par des enzymes et qui consiste en la séparation des unités constitutives des molécules ; elle fournit de l'énergie et de l'acide pyruvique. Celui -ci, transformé en acide lactique dans les tissus animaux, est impliqué dans la contraction musculaire, mais cet acide pyruvique participe aussi, chez les levures vivant en aérobiose, à la formation d'alcool éthylique (fermentation alcoolique ). Toutefois, l'essentiel de l'énergie dont la cellule a besoin pour fonctionner est produit par les autres étapes du métabolisme : le cycle de Krebs, dans lequel entre en jeu l'acide pyruvique, et la chaîne respiratoire.

Les fonctions des glucides

Chez les végétaux, les parois cellulaires sont composées de cellulose, principal constituant du bois, et d'hémicellulose, polymère de pentose et d'autres composés organiques. Le coton, par exemple, est de la cellulose quasi pure (98 %). La cellulose n'est pas soluble dans l'eau, mais peut être hydrolysée en cellobiose, puis en glucose. Non assimilable par l'homme, la cellulose l'est par les ruminants qui, lors de la digestion, l'utilisent pour produire leurs glucides.Chez les crustacés et les insectes, l'exosquelette est constitué d'une substance inerte, la chitine, polymère du sucre aminé N-acétylglucosamine.Chez les animaux, on trouve des mucopolysaccharides, ou polymères de sucre, dans les manteaux des cellules des cartilages, des os et de divers autres tissus ; en outre, ils entrent dans la composition des liquides du milieu interstitiel entourant les cellules. Les parois et les capsules de certaines bactéries consistent en un cadre rigide, un mucocomplexe composé de sucres, de lipides et d'acides aminés.Les glycoprotéines, qui comportent des groupes de glucides reliés par des liaisons covalentes, abondent dans les membranes cellulaires. Certaines glycoprotéines, disposées à la surface des globules rouges, déterminent, par la seule présence d'un glucide différent en bout de chaîne, la spécificité du groupe sanguin d'un individu : si ce glucide est le galactose, l'individu est du groupe B ; si c'est l'acétylgalactosamine, il est du groupe A ; en l'absence de l'un ou de l'autre de ces glucides, il est du groupe O.Les glucides jouent aussi le rôle de réserve énergétique, les principales molécules stockées étant l'amidon, dans les graines et les racines des végétaux, et le glycogène, dans le foie des animaux. Les deux polyholosides sont déposés dans les cellules sous forme de granules quand le glucose libre de l'organisme se révèle excédentaire. Si l'activité métabolique de l'organisme le requiert, les polymères sont dégradés sous l'action d'enzymes, libérant ainsi le combustible. Des espèces végétales, telles la betterave sucrière ou la canne à sucre, emmagasinent également du saccharose.Chez l'homme, l'alimentation comprend une large part de glucides, intégrés sous forme d'amidon et de saccharose. Ces deux substances doivent d'abord être dégradées, par les enzymes digestives, en sucres simples, afin que leur absorption et leur passage dans la circulation sanguine soient possibles. Le trouble le plus courant du métabolisme des glucides chez l'homme est le diabète.

La Glycolyse

La glycolyse est une série de réactions biochimiques au cours desquelles des molécules de glucose sont transformées en molécules d'acide pyruvique, avec production d'énergie (sous forme de molécules d'ATP, adénosine triphosphate ). Elle fut une des premières voies métaboliques connues car son étude a commencé au siècle dernier avec les travaux de Pasteur, de Buchner, de Meyerhof ou d'Embden. Cette suite de réactions est commune à la fermentation et à la respiration cellulaire.Son principe général est de transformer la molécule de glucose, un glucide contenant six atomes de carbone, en acide pyruvique, une molécule tricarbonée. Les transformations du glucose sont réalisées par isomérisation, phosphorylation, oxydation et rupture de la molécule.

Les étapes de la glycolyse

La première étape est celle de la phosphorylation du carbone 6 du glucose. Ce phosphore est prélevé sur une molécule d'ATP. La deuxième étape transforme le glucose en fructose par l'enzyme phospho-hexiosomérase. Au cours de la troisième, le fructose est phosphorylé sur le carbone 1. Une deuxième molécule d'ATP est donc consommée.La quatrième étape coupe la molécule en deux oses phosphorylés à trois carbones (dihydroxy-acétone et glycéraldéhyde ). Au cours des étapes suivantes, le glycéraldéhyde perd deux atomes d'hydrogène et l'énergie libérée est stockée sur une molécule d'ATP.Le phosphate passe ensuite sur le carbone 2 puis l'acide glycérique perd une molécule d'eau pour devenir de l'acide énolpyruvique. Enfin, la dernière étape est une déphosphorylation qui aboutit à la formation d'acide pyruvique.

Le bilan énergétique

Le bilan énergétique de la glycolyse est positif car il produit deux molécules d'ATP pour une molécule de glucose dégradé en deux molécules d'acide pyruvique.La dégradation complète de l'acide pyruvique peut être obtenue par son entrée dans le cycle de Krebs. Cette molécule peut aussi être utilisée dans des réactions de fermentation anaérobie produisant une dégradation incomplète. La dégradation complète de la molécule de glucose fournit au total trente-huit molécules d'ATP.La première partie de la dégradation du glucose se déroule dans le cytoplasme de la cellule et ne nécessite pas la présence d'oxygène. Cette partie du catabolisme est donc anaérobie. En revanche, la dégradation de l'acide pyruvique a lieu dans les mitochondries en présence d'oxygène.

Le métabolisme des lipides

Les triglycérides ingérés par l'organisme sont hydrolysés (catabolisme ) dans l'intestin par des enzymes spécifiques, les lipases, puis réabsorbés sous forme d'acides gras et de monoglycérides. À partir des cellules intestinales (entérocytes ), des chylomicrons (lipoprotéines sécrétées par les entérocytes ) transportent les lipides d'origine alimentaire vers le tissu adipeux et le foie via la lymphe.On distingue, en fonction de leur densité, cinq types de lipoprotéines impliquées dans le transport des lipides : les chylomicrons, essentiellement composés de triglycérides ; les lipomicrons, ou «lipoprotéines de très basse densité » (VLDL, very low density lipoproteins ), qui véhiculent les triglycérides ; les lipoprotéines de faible densité (LDL ), qui transportent le cholestérol ; les lipoprotéines de densité intermédiaire (IDL,intermediary density lipoproteins) les lipoprotéines de haute densité (HDL, high density lipoproteins ), qui prennent en charge les phosphoglycérides et le cholestérol.C'est dans les capillaires du tissu adipeux (adipocytes ) qu'a lieu l'hydrolyse des triglycérides de réserve en glycérol et en acides gras : ces derniers, à l'état libre, quittent les adipocytes pour rejoindre les organes où ils seront oxydés. À l'inverse, les adipocytes sont capables d'absorber les acides gras pour les convertir en triglycérides afin de les stocker.

Oxydation des lipides

Les acides gras sont utilisés comme substrat énergétique par de nombreux organes. Ils sont beaucoup plus abondants que le glycogène, et leur dégradation, à quantité égale, fournit environ deux fois plus d'énergie. Leur dégradation partielle, ou bêta-oxydation, a lieu dans les mitochondries (organites cellulaires ) grâce à l'acétylcoenzyme A, catalyseur fondamental dans le métabolisme. Les molécules d'acétate (à 2 carbones ) produites sont à leur tour hydrolysées et transformées en dioxyde de carbone par les enzymes du cycle de Krebs. Ce dernier aboutit à la formation de l'adénosine triphosphate (ATP ), molécule de haute énergie.

Synthèse des lipides

Les unités de construction (acétate et glycérol -3-phosphate ) nécessaires à la synthèse des triglycérides peuvent dériver du métabolisme des glucides ou des acides aminés. Ainsi, tout excès calorique, par rapport aux besoins métaboliques réels, entraîne une augmentation de la quantité de lipides dans les cellules du tissu adipeux, y compris dans le cas d'un régime à faible teneur en lipides.Chez les animaux supérieurs, le foie constitue le site principal de la synthèse des acides gras. Ces derniers, produits à partir de l'acétate, se combinent au glycérol -3-phosphate pour donner de l'acide phosphatidique. Après élimination, par action enzymatique, du groupement phosphate de l'acide phosphatidique, on obtient un diglycéride, qui, à son tour, s'associe avec un autre acide gras pour fournir des triglycérides. Ces derniers sont alors libérés dans le sang par le foie, grâce aux lipomicrons, et dirigés vers les tissus adipeux. L'acétate joue également le rôle de précurseur dans la synthèse du cholestérol, tandis que l'acide phosphatidique est le précurseur direct des phosphoglycérides.Le cholestérol est synthétisé essentiellement dans le foie et dans l'intestin, mais également, à un moindre degré, dans les glandes surrénales ou génitales. Toutefois, le cholestérol est en majeure partie apporté par l'alimentation.

Les lipides de structure

Les lipides de structure entrent dans la composition des membranes des cellules de tous les organismes, mais aussi des membranes cytoplasmiques, c'est-à-dire celles des organites intracellulaires. Ils participent donc au transport des molécules et des ions à travers les membranes, et au bon fonctionnement des récepteurs et des enzymes. Chez la plupart des animaux, les lipides membranaires les plus abondants comprennent la lécithine, la céphaline, la phosphatidylsérine et le cholestérol, également présent dans les tissus et les liquides de l'organisme. Les membranes cellulaires du système nerveux central comprennent, outre les lipides mentionnés précédemment, de la sphingomyéline, des cérébrosides et des gangliosides.Dans les membranes des végétaux supérieurs, on constate une prédominance de la lécithine et de la céphaline, bien que le phosphatidylglycérol et le phosphatidylinositol y soient également présents. Si l'on y constate l'absence de cholestérol, on y trouve en revanche d'autres stérols, appelés phytostérols.Les membranes bactériennes sont uniques en leur genre, car elles recèlent très peu de lécithines et sont, en outre, totalement dépourvues de stérols. Elles renferment essentiellement de la céphaline et du phosphatidylglycérol.

Les lipides de réserve

Les lipides de réserve existent chez la plupart des animaux et des végétaux. Chez les vertébrés, les triglycérides se situent dans le tissu adipeux (graisses ), qui est réparti sur l'ensemble du corps. Les insectes les emmagasinent dans un corpuscule graisseux spécifique, qui sert à la fois de dépôt et de centre de métabolisme. Chez les végétaux supérieurs, on trouve les triglycérides dans les graines de la plupart des espèces ; ils forment aussi le constituant essentiel des huiles végétales de certaines plantes (avocatier, palmier et olivier ), qui donnent des fruits contenant une quantité considérable de triglycérides.

Autres fonctions des lipides

Les lipides remplissent un certain nombre d'autres fonctions. Chez les mammifères vivant en climat froid, la présence de graisse sous-cutanée retarde les déperditions thermiques de l'organisme. Les hydrocarbures et les cires contenus dans la cuticule des insectes ou dans les fruits et les feuilles des végétaux facilitent la rétention d'eau. Certains acides gras cycliques (prostaglandines ) jouent un rôle dans la coagulation et dans les réponses hormonales des mammifères ; en outre, bon nombre de dérivés d'acides gras servent de stimuli sexuels et de régulateurs de croissance chez les insectes. Les hormones sexuelles et les adénocorticoïdes des animaux supérieurs sont des lipides dérivés du cholestérol. Les lipides alimentaires essentiels comprennent certains acides gras polyinsaturés, ainsi que les vitamines A, D, E et K.