Le métabolisme énergétique comporte deux aspects : la production d’énergie à partir des aliments et l’ensemble des activités par lesquelles l’organisme dépense cette énergie. Cet article explique comment le corps produit de l’énergie à partir des nutriments.
L’une des principales raisons pour lesquelles nous mangeons est de fournir de l’énergie à l’organisme. Les aliments sont d’abord digérés, puis leurs éléments constitutifs passent dans le sang et parviennent aux cellules, où ils sont utilisés pour les activités cellulaires.
Lorsque les éléments constitutifs sont utilisés pour la production d’énergie, l’énergie libérée est transférée aux molécules d’adénosine triphosphate (ATP) produites. L’ATP peut être considéré comme des paquets porteurs d’énergie et l’ATP est utilisé dans toutes les activités nécessitant de l’énergie.
Le corps peut fournir de l’énergie à partir de glucides, de protéines et de graisses. La principale source utilisée pour répondre aux besoins énergétiques est le glucose, un monomère glucidique. Après digestion des glucides consommés, environ 80 % sont libérés sous forme de glucose, tandis que 20 % sont constitués d’autres monomères glucidiques (tels que le fructose, le galactose, le mannose).
Bien que le fructose soit aussi un monomère glucidique, il doit d’abord subir certains processus dans le foie avant de fournir de l’énergie. Il est donc moins facilement utilisé que le glucose à cette fin. Les préoccupations de santé publique liées au sirop de maïs découlent de cette situation.
Le corps convertit l’excès de glucose en polymères sous forme de glycogène et le stocke comme source d’énergie prête à être utilisée en cas de besoin. La quantité de glycogène ainsi stockée dans l’organisme est d’environ 300 grammes et il faut une demi-heure pour l’épuiser en cas d’effort intense.
Les acides aminés, constituants des protéines, servent principalement de matériaux de construction dans l’organisme. Ils sont rarement utilisés comme source d’énergie, sauf lors d’un effort intense ou d’une alimentation inadéquate. Pour en tirer de l’énergie, il faut d’abord retirer le groupe aminé (–NH2) de la chaîne carbonée.
Ce processus se produit au niveau du foie (désamination) et des muscles (transamination). La chaîne carbonée restante peut fournir de l’énergie; cependant, le groupe amino sortant (urée) doit être immédiatement éliminé du corps. L’urée est diluée avec de grandes quantités d’eau et excrétée dans l’urine. Cela entraîne une perte importante d’eau du corps et les besoins en eau du corps augmentent.
Les monomères de graisse sont utilisés comme éléments constitutifs dans le corps et une autre fonction importante de la graisse est d’être la principale réserve d’énergie du corps.
En cas d’effort intense, les cellules utilisent d’abord le glucose présent dans le sang, puis le glycogène est dégradé et le glucose libéré est utilisé. Lorsque le glycogène est également consommé, la destruction des triglycérides stockés à l’intérieur de la cellule et dans les tissus adipeux commence. La production d’énergie est assurée par la combustion du glycérol et des acides gras libérés.
Le corps peut produire de l’énergie à partir des nutriments de deux manières différentes: la respiration aérobie et anaérobie.
1. Respiration Aérobie
La respiration aérobie libère l’énergie contenue dans les éléments constitutifs des glucides, des lipides et des protéines par oxydation en présence d’oxygène. Elle comporte trois étapes et produit de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’ATP :
– Préparation des nutriments pour le cycle de Krebs,
– Cycle de Krebs,
– Le système de transport d’électrons (ETS).
Alors que la production d’ATP dans les deux premières étapes est réalisée par “phosphorylation au niveau du substrat”, la production d’ATP dans la troisième étape, le système de transport d’électrons, est réalisée par “phosphorylation oxydative.” La quantité d’ATP produite par phosphorylation oxydative est bien plus importante.
L’oxygène agit comme un piégeur d’hydrogène dans le système de transport d’électrons. Il serait plus avantageux d’expliquer les étapes de la respiration aérobie sous leurs rubriques.
1.1. Préparation des nutriments pour le cycle de Krebs
Essentiellement, le cycle de Krebs commence par la molécule Acétyl CoA. Le glucose, les acides aminés, le glycérol et les acides gras sont préparés de manière spécifique et inclus dans certaines parties du cycle de Krebs.
Une fois le glucose absorbé dans la cellule, il est décomposé en pyruvate dans le cytoplasme. Cet événement est appelé “glycolyse.” La réaction de glycolyse est donnée ci-dessous;
La glycolyse d’une molécule de glucose produit deux molécules de pyruvate, un gain net de 2 ATP et 2 NADH+. L’ATP est obtenu par phosphorylation au niveau du substrat. Le NADH+ produit est utilisé pour la production d’ATP dans le système de transport d’électrons.
La dégradation du glucose en pyruvate ne suffit pas à le préparer au cycle de Krebs. Les deux molécules de pyruvate produites passent du cytoplasme à la matrice mitochondriale. La pyruvate déshydrogénase les transforme alors en acétyl-CoA à deux carbones, avec libération de dioxyde de carbone.
La réaction dans laquelle le pyruvate est converti en acétyl CoA est indiquée ci-dessous;
Deux molécules d’acétyl-CoA sont obtenues à partir de deux molécules de pyruvate. Cette réaction produit aussi 2 NADH+, transférés au système de transport d’électrons. Le glucose est ainsi dégradé en acétyl-CoA et préparé au cycle de Krebs.
Lorsqu’une molécule de graisse, ou triglycéride, est utilisée pour fournir de l’énergie, elle est d’abord dégradée dans le tissu adipeux. Cette dégradation libère une molécule de glycérol et trois molécules d’acides gras, qui passent dans le sang pour être acheminées vers les cellules.
Selon la structure du triglycéride, les trois acides gras libérés peuvent être identiques ou correspondre à deux ou trois acides gras différents. La longueur de leur chaîne modifie la quantité d’énergie produite.
La quantité d’énergie produite à partir de l’acide butyrique, qui est un acide gras à 4 carbones, et la quantité d’énergie produite à partir de l’acide stéarique, qui est un acide gras à 18 carbones, ne sont naturellement pas les mêmes.
Pour revenir au sujet, le glycérol, libéré suite à la destruction d’une molécule de graisse, entre dans la réaction de glycolyse au même titre que le glucose. Le résultat est la production de pyruvate. Le pyruvate est également décomposé en acétyl CoA et de cette manière, le glycérol est préparé pour le cycle de Krebs.
Les acides gras sont soumis à une “β-oxydation” dans les mitochondries et, à la suite de cette réaction, les acides gras sont décomposés et convertis en acétyl CoA. De cette manière, les acides gras sont préparés pour le cycle de Krebs.
L’important ici est que l’oxygène est nécessaire à l’oxydation des acides gras, comme son nom l’indique. S’il n’y a pas assez d’oxygène, les acides gras ne peuvent pas être convertis en acétyl CoA.
Comme indiqué précédemment, les acides aminés doivent d’abord perdre leur groupe aminé avant de servir à la production d’énergie. Ils subissent pour cela une désamination dans le foie et une transamination dans les muscles.
Le groupe amino est éliminé du corps; la chaîne carbonée restante est donnée au sang et délivrée aux cellules. Étant donné que les structures moléculaires des acides aminés sont différentes les unes des autres, il n’existe pas de procédure standard pour chacun d’entre eux dans la cellule.
Certaines chaînes carbonées d’acides aminés sont dégradées par glycolyse ; d’autres sont directement transformées en acétyl-CoA, ou rejoignent le cycle de Krebs à différents points.
1.2. Cycle de Krebs (cycle de l’acide tricarboxylique (TCA), cycle de l’acide citrique)
Au cours du processus jusqu’à cette étape, les éléments constitutifs des nutriments ont été convertis en Acétyl CoA. Les autres noms du cycle de Krebs sont le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) et le cycle de l’acide citrique. Le diagramme du cycle de Krebs est donné ci-dessous;
L’acétyl CoA se combine avec l’oxaloacétate à 4 carbones via l’enzyme “citrate synthase” pour former du citrate et c’est ainsi que commence le cycle de Krebs. À la suite du cycle, 1 ATP, 3 NADH+ et 1 FADH2 sont produits à partir d’une molécule d’acétyl CoA. Les molécules NADH+ et FADH2 produites sont envoyées au système de transport d’électrons.
Il a été indiqué précédemment que 2 molécules d’acétyl CoA sont formées à partir d’une molécule de glucose. 2 cycles de Krebs sont effectués pour une molécule de glucose. Par conséquent, les produits entrants et sortants du diagramme doivent être multipliés par 2.
1.3. Système de transport d’électrons (ETS)
Les éléments du système de transport des électrons sont situés dans la membrane interne des mitochondries et la production d’énergie s’effectue dans les plis de la membrane interne appelés “crêtes.”
Il existe deux opérations principales dans ETS. La première est la séparation des ions hydrogène dans les molécules NADH+ et FADH2 obtenues au cours du processus jusqu’à cette étape et la combinaison des ions hydrogène séparés avec l’oxygène.
La seconde opération consiste à convertir en énergie chimique l’énergie potentielle créée par la différence de concentration des ions hydrogène de part et d’autre de la membrane. C’est ce que décrit l’hypothèse chimiosmotique.
Les molécules NADH+ et FADH2 sont séparées des ions H+ qu’elles contiennent et les molécules NAD et FAD libres sont renvoyées dans le système pour être réutilisées. L’oxygène extrait des poumons par la respiration aérobie est responsable de la rétention des ions H, et de l’eau se forme à la suite de cette réaction. S’il n’y a pas assez d’oxygène, le système de transport d’électrons ne fonctionnera pas.
L’hypothèse chimiosmotique explique la production d’énergie par le système de transport d’électrons. Cette hypothèse n’a pas été acceptée lors de sa première formulation en 1961; cependant, lorsque des résultats favorables ont été obtenus dans les études menées dans les années suivantes, elle a été adoptée par la communauté scientifique et a valu à son auteur le prix Nobel de chimie en 1978.
Selon l’hypothèse chimiosmotique, les ions H+ séparés des molécules NADH+ et FADH2 s’accumulent à l’extérieur de la membrane interne, entraînant une différence de densité ionique entre l’intérieur et l’extérieur.
La différence de densité qui en résulte signifie l’énergie potentielle. Cette énergie potentielle est convertie en énergie chimique sous forme d’ATP par l’ATP synthase. La production d’énergie dans l’ETS est une phosphorylation oxydative.
Dans ce système, 2,5 moles d’ATP pour 1 mole de NADH+; 1,5 mole d’ATP peuvent être produites à partir de chaque mole de FADH2.
Un total de 10 NADH+ et 2 FADH2 sont obtenus lors de la glycolyse d’une molécule de glucose, de la conversion du pyruvate en acétyl CoA et du cycle de Krebs. Grâce à l’utilisation de ces molécules dans l’ETS, un total de 28 ATP sont produits.
2. Respiration Anaérobie
La respiration anaérobie fournit de l’énergie aux muscles pendant un effort physique intense. Son rendement énergétique est faible, mais elle joue un rôle important pour répondre aux besoins énergétiques urgents.
Le glucose est brûlé par la respiration anaérobie et, par conséquent, 2 moles d’ATP et 2 moles d’acide lactique sont libérées. La raison pour laquelle la respiration anaérobie est appelée fermentation lactique est que l’acide lactique est libéré en raison de la réaction. La fatigue lors d’une activité physique est due à l’accumulation d’acide lactique.
Quantité de production d’énergie
À la suite de la respiration aérobie, un total de 32 moles d’ATP sont produites à partir de 1 mole de glucose (180 grammes). Le tableau concernant la production est donné ci-dessous. Essentiellement, il existe un potentiel théorique de production d’environ 85 moles d’ATP à partir de 1 mole de glucose; Cependant, la quantité produite est de 32 moles et l’énergie restante est libérée sous forme de chaleur.
19 moles d’ATP sont produites à la suite de la combustion d’une mole de glycérol, l’un des éléments constitutifs des triglycérides, par respiration aérobie. Comme mentionné précédemment, les acides gras libèrent de l’énergie à des niveaux variables proportionnellement au nombre de carbones qu’ils contiennent.
En brûlant 1 mole d’acide stéarique, 148 moles d’ATP sont produites. Selon la nature d’un triglycéride, 50 à 580 moles d’ATP peuvent être produites par mole de triglycéride.
Pour les protéines, la dégradation d’une molécule d’acide aminé produit en moyenne 40 ATP.
Bien que l’unité énergétique soit l’ATP en termes de chimie cellulaire, différentes unités énergétiques expriment les quantités énergétiques des aliments dans la vie quotidienne. La première de ces unités est la “calorie.” Une calorie est la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 15°C à 16°C et est désignée par “cal.”
Une autre unité énergétique utilisée pour indiquer la valeur énergétique des aliments est le “joule.” Un joule est la quantité d’énergie nécessaire pour transporter un kilogramme de poids sur un mètre avec une force d’un newton et est noté “j.” 1 000 calories (cal) équivalent à 1 kilocalorie (kcal). 1 kcal équivaut à 4,184 kJ. 1 mole d’ATP fournit 7,3 kcal d’énergie.
L’unité calorique est en fait universellement mal utilisée. La quantité que nous exprimons sous forme de calories dans la vie quotidienne est en réalité des kilocalories. Par exemple, lorsqu’on dit qu “une pomme contient 100 calories”, cela signifie en réalité qu’elle contient 100 kilocalories.
Cette erreur est presque la même que “J’ai acheté 2 grammes de tomates à l’épicerie”. Cette mauvaise utilisation a abouti à une solution encore plus erronée et le terme calorie a été appelé “petite calorie.” Cette expression revient à appeler un gramme un “petit gramme.” Sur les étiquettes des aliments, la calorie est utilisée comme unité d’énergie; mais son symbole est “kcal.”
En conséquence, la quantité énergétique des aliments est exprimée par “le nombre de calories que contient un gramme.” Expérimentalement, 1 gramme de glucides donne 4,1 kcal, 1 gramme de protéines apporte 5,6 kcal et 1 gramme de graisse donne 9,3 kcal d’énergie.
Le rendement obtenu en laboratoire n’est toutefois pas atteint dans le métabolisme. Dans l’organisme, 1 gramme de glucides fournit 4 kcal, 1 gramme de protéines 4 kcal et 1 gramme de lipides 9 kcal. Connaître les quantités de ces nutriments dans un aliment permet donc de calculer facilement l’énergie totale qu’il fournit.
Prenons un aliment dont 100 grammes contiennent 20 grammes de glucides, 12 grammes de lipides et 17 grammes de protéines. L’énergie fournie par ces 100 grammes se calcule ainsi :
Pour les glucides; 20 x 4 = 80 kcal
Pour les lipides : 12 × 9 = 108 kcal
Pour les protéines; 17 x 4 = 68 kcal
TOTAL = 256 kcal
Cent grammes de nourriture dans l’exemple donnent 256 kcal d’énergie. Les composants tels que l’eau, les vitamines ou les minéraux ne sont pas pris en compte dans le calcul de l’énergie. En effet, rien ne donne de l’énergie à part les glucides, les graisses et les protéines. Concernant les glucides, il faut savoir que les fibres alimentaires non digestibles n’apportent pas non plus d’énergie. L’alcool est exclu du champ d’application de cet article.
Références
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