24.1 Vue d'ensemble des réactions métaboliques
Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez capable de :
- Décrire le processus par lequel les polymères sont décomposés en monomères
- Décrire le processus par lequel les monomères sont combinés en polymères
- Discuter du rôle de l'ATP dans le métabolisme
- Expliquer les réactions d'oxydoréduction
- Décrire les hormones qui régulent les réactions anaboliques et cataboliques
Les processus métaboliques se déroulent constamment dans le corps. Le métabolisme est la somme de toutes les réactions chimiques impliquées dans le catabolisme et l'anabolisme. Les réactions régissant la dégradation des aliments pour obtenir de l'énergie sont appelées réactions cataboliques. Inversement, les réactions anaboliques utilisent l'énergie produite par les réactions cataboliques pour synthétiser des molécules plus grandes à partir de molécules plus petites, comme lorsque le corps forme des protéines en assemblant des acides aminés. Ces deux ensembles de réactions sont essentiels au maintien de la vie.
Parce que les réactions cataboliques produisent de l'énergie et que les réactions anaboliques en utilisent, idéalement, l'utilisation de l'énergie devrait équilibrer l'énergie produite. Si le changement net d'énergie est positif (les réactions cataboliques libèrent plus d'énergie que les réactions anaboliques n'en utilisent), alors le corps stocke l'excès d'énergie en construisant des molécules de graisse pour un stockage à long terme. D'autre part, si le changement net d'énergie est négatif (les réactions cataboliques libèrent moins d'énergie que les réactions anaboliques n'en utilisent), le corps utilise l'énergie stockée pour compenser le déficit d'énergie libérée par le catabolisme.
Réactions cataboliques
Les réactions cataboliques décomposent les grandes molécules organiques en molécules plus petites, libérant l'énergie contenue dans les liaisons chimiques. Ces libérations d'énergie ne sont pas efficaces à 100 %. La quantité d'énergie libérée est inférieure à la quantité totale contenue dans la molécule. Environ 40 % de l'énergie produite par les réactions cataboliques est directement transférée à la molécule à haute énergie adénosine triphosphate. L'ATP, la monnaie énergétique des cellules, peut être utilisée immédiatement pour alimenter les machines moléculaires qui soutiennent la fonction des cellules, des tissus et des organes. Cela inclut la construction de nouveaux tissus et la réparation des tissus endommagés. L'ATP peut également être stockée pour répondre aux futures demandes énergétiques. Les 60 % restants de l'énergie libérée par les réactions cataboliques sont dissipés sous forme de chaleur, que les tissus et les fluides corporels absorbent.
Structurellement, les molécules d'ATP sont constituées d'une adénine, d'un ribose et de trois groupes phosphate (Figure 24.2). La liaison chimique entre le deuxième et le troisième groupe phosphate, appelée liaison à haute énergie, représente la plus grande source d'énergie dans une cellule. C'est la première liaison que les enzymes cataboliques rompent lorsque les cellules ont besoin d'énergie pour fonctionner. Les produits de cette réaction sont une molécule d'adénosine diphosphate et un groupe phosphate isolé (Pi). L'ATP, l'ADP et le Pi sont constamment recyclés à travers des réactions qui construisent l'ATP et stockent l'énergie, et des réactions qui décomposent l'ATP et libèrent de l'énergie.
L'énergie de l'ATP alimente toutes les fonctions corporelles, telles que la contraction des muscles, le maintien du potentiel électrique des cellules nerveuses et l'absorption des aliments dans le tractus gastro-intestinal. Les réactions métaboliques qui produisent l'ATP proviennent de diverses sources (Figure 24.3).
Parmi les quatre principaux groupes macromoléculaires (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques) qui sont traités par la digestion, les glucides sont considérés comme la source d'énergie la plus courante pour alimenter le corps. Ils se présentent sous forme de glucides complexes, de polysaccharides comme l'amidon et le glycogène, ou de sucres simples comme le glucose et le fructose. Le catabolisme des sucres décompose les polysaccharides en leurs monosaccharides individuels. Parmi les monosaccharides, le glucose est le carburant le plus courant pour la production d'ATP dans les cellules, et, à ce titre, il existe un certain nombre de mécanismes de contrôle endocrinien pour réguler la concentration de glucose dans la circulation sanguine. L'excès de glucose est soit stocké comme réserve d'énergie dans le foie et les muscles squelettiques sous forme de glycogène, un polymère complexe, soit il est converti en graisse (triglycéride) dans les cellules adipeuses.
Parmi les lipides, les triglycérides sont le plus souvent utilisés pour l'énergie via un processus métabolique appelé β-oxydation. Environ la moitié de l'excès de graisse est stockée dans les adipocytes qui s'accumulent dans le tissu sous-cutané sous la peau, tandis que le reste est stocké dans les adipocytes d'autres tissus et organes.
Les protéines, qui sont des polymères, peuvent être décomposées en leurs monomères, des acides aminés individuels. Les acides aminés peuvent être utilisés comme éléments constitutifs de nouvelles protéines ou décomposés davantage pour la production d'ATP. En cas de famine chronique, cette utilisation des acides aminés pour la production d'énergie peut entraîner une dégradation du corps, à mesure que de plus en plus de protéines sont décomposées.
Les acides nucléiques sont présents dans la plupart des aliments que vous mangez. Pendant la digestion, les acides nucléiques, y compris l'ADN et divers ARN, sont décomposés en leurs nucléotides constitutifs. Ces nucléotides sont facilement absorbés et transportés dans tout le corps pour être utilisés par les cellules individuelles lors du métabolisme des acides nucléiques.
Réactions anaboliques
Contrairement aux réactions cataboliques, les réactions anaboliques impliquent l'assemblage de molécules plus petites en molécules plus grandes. Les réactions anaboliques combinent les monosaccharides pour former des polysaccharides, les acides gras pour former des triglycérides, les acides aminés pour former des protéines et les nucléotides pour former des acides nucléiques. Ces processus nécessitent de l'énergie sous forme de molécules d'ATP générées par les réactions cataboliques. Les réactions anaboliques, également appelées réactions de biosynthèse, créent de nouvelles molécules qui forment de nouvelles cellules et de nouveaux tissus, et revitalisent les organes.
Régulation hormonale du métabolisme
Les hormones cataboliques et anaboliques du corps aident à réguler les processus métaboliques. Les hormones cataboliques stimulent la dégradation des molécules et la production d'énergie. Celles-ci incluent le cortisol, le glucagon, l'adrénaline/épinéphrine et les cytokines. Toutes ces hormones sont mobilisées à des moments spécifiques pour répondre aux besoins du corps. Les hormones anaboliques sont nécessaires à la synthèse des molécules et comprennent l'hormone de croissance, le facteur de croissance analogue à l'insuline, l'insuline, la testostérone et l'œstrogène. Le Tableau 24.1 résume la fonction de chacune des hormones cataboliques et le Tableau 24.2 résume les fonctions des hormones anaboliques.
| Hormone | Fonction |
|---|---|
| Cortisol | Libéré par la glande surrénale en réponse au stress ; son rôle principal est d'augmenter les niveaux de glucose sanguin par néoglucogenèse (dégradation des graisses et des protéines) |
| Glucagon | Libéré par les cellules alpha du pancréas soit en cas de jeûne, soit lorsque le corps a besoin de générer de l'énergie supplémentaire ; il stimule la dégradation du glycogène dans le foie pour augmenter les niveaux de glucose sanguin ; son effet est l'opposé de celui de l'insuline ; le glucagon et l'insuline font partie d'un système de rétroaction négative qui stabilise les niveaux de glucose sanguin |
| Adrénaline/épinéphrine | Libérée en réponse à l'activation du système nerveux sympathique ; augmente la fréquence cardiaque et la contractilité cardiaque, resserre les vaisseaux sanguins, est un bronchodilatateur qui ouvre les bronches des poumons pour augmenter le volume d'air dans les poumons, et stimule la néoglucogenèse |
| Hormone | Fonction |
|---|---|
| Hormone de croissance (GH) | Synthétisée et libérée par l'hypophyse ; stimule la croissance des cellules, des tissus et des os |
| Facteur de croissance analogue à l'insuline | Stimule la croissance des muscles et des os tout en inhibant la mort cellulaire |
| Insuline | Produite par les cellules bêta du pancréas ; joue un rôle essentiel dans le métabolisme des glucides et des graisses, contrôle les niveaux de glucose sanguin et favorise l'absorption du glucose par les cellules du corps ; amène les cellules des muscles, du tissu adipeux et du foie à capter le glucose du sang et à le stocker dans le foie et les muscles sous forme de glycogène ; son effet est l'opposé de celui du glucagon ; le glucagon et l'insuline font partie d'un système de rétroaction négative qui stabilise les niveaux de glucose sanguin |
| Testostérone | Produite par les testicules chez les hommes et les ovaires chez les femmes ; stimule une augmentation de la masse musculaire et de la force ainsi que la croissance et le renforcement des os |
| Œstrogène | Produit principalement par les ovaires, il est également produit par le foie et les glandes surrénales ; ses fonctions anaboliques incluent l'augmentation du métabolisme et le dépôt de graisse |
Troubles de...
Processus métaboliques : Syndrome de Cushing et maladie d'Addison
Comme on peut s'y attendre pour un processus physiologique fondamental comme le métabolisme, des erreurs ou des dysfonctionnements dans le traitement métabolique conduisent à une physiopathologie ou – si non corrigés – à un état de maladie. Les maladies métaboliques sont le plus souvent le résultat de protéines ou d'enzymes défectueuses qui sont essentielles à une ou plusieurs voies métaboliques. Le dysfonctionnement des protéines ou des enzymes peut être la conséquence d'une altération génétique ou d'une mutation. Cependant, des protéines et des enzymes fonctionnant normalement peuvent également avoir des effets délétères si leur disponibilité n'est pas correctement adaptée aux besoins métaboliques. Par exemple, une production excessive de l'hormone cortisol (voir Tableau 24.1) donne lieu au syndrome de Cushing. Cliniquement, le syndrome de Cushing est caractérisé par une prise de poids rapide, en particulier dans la région du tronc et du visage, une dépression et de l'anxiété. Il convient de mentionner que les tumeurs de l'hypophyse qui produisent l'hormone adrénocorticotrope, laquelle stimule ensuite le cortex surrénal à libérer un excès de cortisol, produisent des effets similaires. Ce mécanisme indirect de surproduction de cortisol est appelé maladie de Cushing.
Les patients atteints du syndrome de Cushing peuvent présenter des niveaux élevés de glucose sanguin et ont un risque accru de devenir obèses. Ils présentent également un ralentissement de la croissance, une accumulation de graisse entre les épaules, des muscles faibles, des douleurs osseuses (car le cortisol provoque la dégradation des protéines pour produire du glucose via la néoglucogenèse) et de la fatigue. D'autres symptômes incluent une transpiration excessive, une dilatation capillaire et un amincissement de la peau, ce qui peut entraîner des ecchymoses faciles. Les traitements du syndrome de Cushing sont tous axés sur la réduction des niveaux excessifs de cortisol. Selon la cause de l'excès, le traitement peut être aussi simple que l'arrêt de l'utilisation de pommades à base de cortisol. En cas de tumeurs, la chirurgie est souvent utilisée pour retirer la tumeur incriminée. Lorsque la chirurgie est inappropriée, la radiothérapie peut être utilisée pour réduire la taille d'une tumeur ou pour ablater des portions du cortex surrénal. Enfin, des médicaments sont disponibles qui peuvent aider à réguler les quantités de cortisol.
Une production insuffisante de cortisol est tout aussi problématique. L'insuffisance surrénale, ou maladie d'Addison, est caractérisée par une production réduite de cortisol par la glande surrénale. Elle peut résulter d'un dysfonctionnement des glandes surrénales – elles ne produisent pas assez de cortisol – ou être une conséquence d'une diminution de la disponibilité de l'ACTH de l'hypophyse. Les patients atteints de la maladie d'Addison peuvent présenter une pression artérielle basse, une pâleur, une faiblesse extrême, de la fatigue, des mouvements lents ou léthargiques, des étourdissements et des envies de sel en raison de la perte de sodium et de niveaux élevés de potassium sanguin (hyperkaliémie). Les personnes atteintes peuvent également souffrir de perte d'appétit, de diarrhée chronique, de vomissements, de lésions buccales et d'une coloration inégale de la peau. Le diagnostic implique généralement des analyses de sang et des examens d'imagerie des glandes surrénales et de l'hypophyse. Le traitement implique une thérapie de remplacement du cortisol, qui doit généralement être poursuivie à vie.
Réactions d'oxydoréduction
Les réactions chimiques sous-jacentes au métabolisme impliquent le transfert d'électrons d'un composé à un autre par des processus catalysés par des enzymes. Les électrons dans ces réactions proviennent généralement d'atomes d'hydrogène, qui sont constitués d'un électron et d'un proton. Une molécule cède un atome d'hydrogène, sous la forme d'un ion hydrogène (H+) et d'un électron, décomposant la molécule en parties plus petites. La perte d'un électron, ou oxydation, libère une petite quantité d'énergie ; l'électron et l'énergie sont ensuite transmis à une autre molécule dans le processus de réduction, ou le gain d'un électron. Ces deux réactions se produisent toujours ensemble dans une réaction d'oxydoréduction (également appelée réaction redox) — lorsqu'un électron est transféré entre des molécules, le donneur est oxydé et le receveur est réduit. Les réactions d'oxydoréduction se produisent souvent en série, de sorte qu'une molécule qui est réduite est ensuite oxydée, transmettant non seulement l'électron qu'elle vient de recevoir mais aussi l'énergie qu'elle a reçue. Au fur et à mesure que la série de réactions progresse, de l'énergie s'accumule qui est utilisée pour combiner le Pi et l'ADP afin de former l'ATP, la molécule à haute énergie que le corps utilise comme carburant.
Les réactions d'oxydoréduction sont catalysées par des enzymes qui déclenchent l'élimination des atomes d'hydrogène. Les coenzymes travaillent avec les enzymes et acceptent les atomes d'hydrogène. Les deux coenzymes les plus courants des réactions d'oxydoréduction sont le nicotinamide adénine dinucléotide et le flavine adénine dinucléotide. Leurs coenzymes réduits respectifs sont le NADH et le FADH2, qui sont des molécules contenant de l'énergie utilisées pour transférer l'énergie lors de la création d'ATP.