Séquence 2: Les nutriments

Toutes les cellules du corps humain sont capables d'utiliser le glucose pour produire de l'énergie. Cette énergie se présente sous la forme de la molécule d'ATP (Adénosine TriPhosphate). Certaines cellules ont un besoin impératif de glucose comme source d'énergie : c'est le cas en particulier des cellules nerveuses.

Cette production d'énergie se réalise en deux temps : la glycolyse, puis la respiration au sein des mitochondries.

De manière très schématique, la glycolyse permet la dégradation de glucose en pyruvate :

Cette dégradation s'accompagne de la synthèse, au bilan, de deux ATP, molécules énergétiques utilisables par la cellule. Dans le cas le plus général, les pyruvates formés sont ensuite dégradés lors du cycle de Krebs, au sein des mitochondries. Ceci s'accompagne de la formation, transitoire, de molécules d'acétyl-Coenzyme A (acétyl-CoA). Dans certains cas, les pyruvates permettent la réalisation d'un fermentation, qui régénère les NAD+ indispensables au fonctionnement de la glycolyse.

La dégradation complète du pyruvate permet donc, grâce à la chaîne respiratoire, la formation d'ATP.

En conclusion, le glucose, grâce à la glycolyse, au cycle de Krebs et à la chaîne respiratoire, permet la production d'énergie utilisable par la cellule.

De même que la dégradation du glucose permet une production d'énergie dans la cellule, sous forme d'ATP, la dégradation des acides gras (des lipides) permet aux cellules d'obtenir l'énergie nécessaire à leur survie. Cette dégradation se réalise dans la mitochondrie, selon un ensemble de réactions regroupées sous le terme d'hélice de Lynen (ou béta-oxydation des acides gras) :

A chaque "tour" de l'hélice de Lynen, l'acide gras "perd" deux Carbones, sous la forme d'une molécule d'acétyl-CoA. Cette molécule d'acétyl-CoA entre alors dans le cycle de Krebs, d'où une production d'énergie (voir le devenir du pyruvate ci-dessus).

La dégradation des lipides permet donc ainsi la synthèse d'une énergie utilisable par la cellule (ATP).

Les glucides sont une source d'énergie importante pour les cellules de l'organisme, aussi bien animal que végétal. Mais, alors que les besoins des cellules sont continus, l'apport de glucides est discontinu : pendant la journée (réalisation de la phase sombre de la photosynthèse) chez la majorité des végétaux, après les repas chez les animaux. La constitution de réserves de glucides, sous forme de molécules polymériques (stockage important sans création de déséquilibres hydriques), permet de disposer de glucides à tout moment. Ces réserves de glucides sont essentiellement sous la forme de glycogène chez les animaux, et d'amidon (ainsi que d'inuline, dans une moindre mesure) chez les végétaux.

L'amidon et le glycogène sont des polymères de glucose. Chez l'Homme, le glycogène est synthétisé dans les hépatocytes et les cellules musculaires. Seul le glycogène hépatique peut être ensuite redistribué aux autres cellules de l'organisme. Le glycogène peut ainsi représenter à lui seul 10% du poids du foie, et 1% du poids des muscles. Cette macromolécule peut être composée de plus de 50 000 molécules de glucoses. Les glucoses sont associés en une chaîne principale, d'où partent de nombreuses ramifications serrées.

La synthèse et la dégradation du glycogène font intervenir de nombreuses réactions, dont voici les principales :

Les réserves de glycogène musculaire ne peuvent être utilisées par d'autres cellules de l'organisme, car les cellules musculaires ne possèdent pas l'enzyme permettant de catalyser la réaction donnant du glucose à partir du glucose-6-phosphate. Or seul le glucose peut sortir de la cellule...

Les lipides sont essentiellement stockés sous forme d'acides gras dans le cytoplasme des adipocytes. L'ensemble de ces cellules forme le tissu adipeux, communément appelé "la graisse".

Ces réserves sont bien plus importantes en quantité que les réserves sous forme de glycogène, dans l'organisme humain.

Les cellules de l'organisme peuvent avoir besoin de synthétiser des acides gras, composants essentiels des membranes biologiques. Il existe donc des voies de biosynthèse des acides gras dans les cellules humaines (remarque : certains acides gras ne sont pas synthétisables par ces cellules : ce sont les acides gras dit essentiels, qui doivent être fournis après l'alimentation).

Les cellules humaines sont ainsi capables de synthétiser des acides gras à partir du glucose. Ceci permet aussi un stockage de réserves énergétiques sous forme de lipides, qui peuvent être stockés en plus grandes quantités par l'organisme que les glucides (stockés sous forme de glycogène).

Cette synthèse nécessite un passage par la mitochondrie. Voici un schéma extrêmement simplifié du début de cette voie de biosynthèse :

L'acide gras en formation est allongé, par ajouts successifs de 2 Carbones, grâce à des molécules de malonyl-CoA.

Le cerveau est un organe essentiel du corps humain. Or les cellules nerveuses ont besoin de molécules bien précises pour produire l'énergie dont elles ont besoin. Il s'agit essentiellement de glucose. Le cerveau est ainsi alimenté grâce aux réserves en glucose sous forme de glycogène hépatique. Néanmoins, ces réserves sont très limitées, et en particulier moins importantes que les réserves lipidiques du tissu adipeux. Or les cellules nerveuses ne peuvent pas réaliser la dégradation des acides gras ! Un problème important se pose donc ici : les cellules nerveuses ont un besoin important d'énergie, mais l'essentiel des réserves énergétiques de l'organisme se trouvent sous une forme (acides gras) que ces cellules ne peuvent pas utiliser...

La solution est : les corps cétoniques. Il s'agit de composés synthétisables à partir des acides gras, et qui sont utilisables par les cellules nerveuses comme source d'énergie.

Afin d'alimenter correctement le cerveau, l'organisme utilise donc d'abords les réserves glucidiques (glycogène hépatique), puis, une fois qu'elles sont épuisées, les réserves lipidiques (tissus adipeux), converties en corps cétoniques.