Le métabolisme énergétique comporte deux faces. Alors que le premier couvre les activités de production d’énergie à partir des aliments; la seconde regroupe toutes les activités qui consomment de l’énergie dans le corps. Cet article décrit la production d’énergie à partir de la nourriture dans le corps.
L’une des raisons les plus importantes pour lesquelles nous consommons de la nourriture est de fournir de l’énergie au corps. La nourriture consommée est principalement digérée; les éléments constitutifs résultants sont ensuite délivrés à chaque cellule du corps via le sang. Ces éléments de base sont utilisés pour toutes les activités réalisées dans les cellules.
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 également un monomère glucidique, il doit d’abord subir certains processus hépatiques pour obtenir de l’énergie à partir du fructose. Par conséquent, même le fructose n’est pas aussi pratique que le glucose pour obtenir de l’énergie. Aujourd’hui, les inquiétudes de santé publique concernant l’utilisation du 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, qui sont des monomères protéiques, sont principalement utilisés comme matériaux de construction dans l’organisme. Ils ne sont pas utilisés comme énergisant sauf en cas d’effort intense ou de malnutrition. Pour obtenir de l’énergie à partir des acides aminés, il faut tout d’abord séparer le groupe amino (-NH2) de l’acide aminé de la chaîne.
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 brûle les glucides, les graisses et les protéines avec de l’oxygène, produisant ainsi de l’énergie à partir de ces éléments constitutifs. La réaction se déroule en 3 étapes et il en résulte de la formation d’eau, de dioxyde de carbone et d’ATP. Ces étapes sont:
– 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;
À la suite de la glycolyse du glucose, deux pyruvates, 2 ATP net et 2 NADH+, sont produits. Les ATP produits à la suite de cette réaction sont obtenus par phosphorylation au niveau du substrat. Le NADH+ produit est converti en ATP dans le système de transport d’électrons.
Pour que le glucose soit inclus dans le cycle de Krebs, il ne suffit pas de le décomposer en pyruvate. Après cette étape, le pyruvate double produit est transporté du cytoplasme et amené à la matrice mitochondriale, où il est converti en acétyl-CoA à 2 carbones en perdant du dioxyde de carbone par l’enzyme “pyruvate déshydrogénase.”
La réaction dans laquelle le pyruvate est converti en acétyl CoA est indiquée ci-dessous;
Le 2 Acétyl CoA est obtenu à partir de 2 Pyruvates. 2 NADH+ est produit et transféré au système de transport d’électrons au cours de cette réaction. Ainsi, le glucose est décomposé en acétyl CoA et est prêt pour le cycle de Krebs.
Lorsqu’une molécule de graisse (triglycéride) est utilisée pour fournir de l’énergie, la molécule de graisse est tout d’abord décomposée dans le tissu adipeux. À la suite de cette dégradation, une molécule de glycérol et trois molécules d’acide gras sont libérées et administrées au sang pour être acheminées vers les cellules.
Selon la structure des triglycérides, les trois acides gras libérés peuvent être le même acide gras ou peut-être 2 ou 3 acides gras différents. La situation qu’il faut savoir ici est que la longueur de la chaîne de l’acide gras libéré 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 mentionné précédemment, afin de produire de l’énergie à partir des acides aminés, ceux-ci doivent d’abord être libérés de leurs groupes aminés. À cette fin, les acides aminés sont soumis à une désamination dans le foie et à 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 d’acides aminés sont glycosylées, certaines sont converties directement en acétyl CoA et certaines sont incluses dans le cycle à différents moments du cycle de Krebs.
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 est la conversion de l’énergie potentielle formée par les ions hydrogène et la différence de densité des deux côtés de la membrane en énergie chimique (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 hypothèse (1961); cependant, lorsque des résultats favorables ont été obtenus dans les études menées dans les années suivantes, il a été adopté par le monde scientifique et a remporté 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 production d’énergie par respiration anaérobie se produit dans les muscles lors d’une activité physique intense. L’efficacité énergétique est relativement faible; C’est cependant une bonne solution pour augmenter votre capacité de production d’énergie en complément de la respiration aérobie afin de répondre à vos 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.
Si nous regardons la production d’énergie à partir des protéines, une moyenne de 40 ATP peut être produite grâce à la combustion des acides aminés.
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.
Cependant, l’efficacité dans l’environnement expérimental ne peut pas être obtenue dans le métabolisme. Dans le métabolisme, 1 gramme de glucides donne 4 kcal, 1 gramme de protéines 4 kcal et 1 gramme de huiles apporte 9 kcal d’énergie. Si la quantité de nutriments contenus dans un aliment est connue, l’énergie totale que cet aliment fournira peut être facilement calculée sur la base de ces données.
Par exemple, disons que 100 grammes d’un aliment contiennent 20 grammes de glucides, 12 grammes de huiles et 17 grammes de protéines. L’énergie que donneront 100 grammes de cet aliment;
Pour les glucides; 20 x 4 = 80 kcal
Pour les huiles; 12 x 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.
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