7.6 : Connexions entre les voies métaboliques des glucides, des protéines et des lipides
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Compétences à développer
- Discutez de la façon dont les voies métaboliques des glucides, la glycolyse et le cycle de l'acide citrique interagissent avec les voies métaboliques des protéines et des lipides
- Expliquer pourquoi les voies métaboliques ne sont pas considérées comme des systèmes fermés
Vous avez découvert le catabolisme du glucose, qui fournit de l'énergie aux cellules vivantes. Mais les êtres vivants consomment plus que du glucose pour se nourrir. Comment un sandwich à la dinde finit-il sous forme d'ATP dans vos cellules ? Cela se produit parce que toutes les voies cataboliques des glucides, des protéines et des lipides finissent par se connecter à la glycolyse et aux voies du cycle de l'acide citrique (voir Figure\(\PageIndex{2}\)). Les voies métaboliques doivent être considérées comme poreuses, c'est-à-dire que les substances entrent par d'autres voies et que les intermédiaires partent par d'autres voies. Ces voies ne sont pas des systèmes fermés. De nombreux substrats, intermédiaires et produits d'une voie donnée sont des réactifs empruntant d'autres voies.
Liens entre les autres sucres et le métabolisme du glucose
Le glycogène, un polymère du glucose, est une molécule de stockage d'énergie chez les animaux. Lorsque l'ATP est présent en quantité suffisante, l'excès de glucose est acheminé vers le glycogène pour le stockage. Le glycogène est fabriqué et stocké à la fois dans le foie et les muscles. Le glycogène sera hydrolysé en monomères de glucose (G-1-P) si le taux de sucre dans le sang baisse. La présence de glycogène comme source de glucose permet de produire de l'ATP pendant une période plus longue pendant l'exercice. Le glycogène est décomposé en G-1-P et converti en G-6-P dans les cellules musculaires et hépatiques, et ce produit entre dans la voie glycolytique.
Le saccharose est un disaccharide contenant une molécule de glucose et une molécule de fructose liées entre elles par une liaison glycosidique. Le fructose est l'un des trois monosaccharides alimentaires, avec le glucose et le galactose (qui font partie du sucre du lait, le lactose disaccharide), qui sont absorbés directement dans la circulation sanguine lors de la digestion. Le catabolisme du fructose et du galactose produit le même nombre de molécules d'ATP que le glucose.
Connexions des protéines au métabolisme du glucose
Les protéines sont hydrolysées par diverses enzymes présentes dans les cellules. La plupart du temps, les acides aminés sont recyclés pour la synthèse de nouvelles protéines. Cependant, s'il y a un excès d'acides aminés ou si le corps est en état de famine, certains acides aminés seront dirigés vers les voies du catabolisme du glucose (Figure\(\PageIndex{1}\)). Chaque acide aminé doit voir son groupe aminé retiré avant d'entrer dans ces voies. Le groupe amino est converti en ammoniac. Chez les mammifères, le foie synthétise l'urée à partir de deux molécules d'ammoniac et d'une molécule de dioxyde de carbone. Ainsi, l'urée est le principal déchet des mammifères produit à partir de l'azote provenant des acides aminés, et elle quitte l'organisme par voie urinaire.
Connexions entre les métabolismes des lipides et du glucose
Les lipides connectés aux voies du glucose sont le cholestérol et les triglycérides. Le cholestérol est un lipide qui contribue à la flexibilité de la membrane cellulaire et est un précurseur des hormones stéroïdiennes. La synthèse du cholestérol commence par les groupes acétyle et se déroule dans une seule direction. Le processus ne peut pas être inversé.
Les triglycérides sont une forme de stockage d'énergie à long terme chez les animaux. Les triglycérides sont composés de glycérol et de trois acides gras. Les animaux peuvent produire la plupart des acides gras dont ils ont besoin. Les triglycérides peuvent être produits et décomposés par certaines parties des voies du catabolisme du glucose. Le glycérol peut être phosphorylé en glycérol-3-phosphate, qui se poursuit par glycolyse. Les acides gras sont catabolisés dans le cadre d'un processus appelé bêta-oxydation qui se produit dans la matrice des mitochondries et convertit leurs chaînes d'acides gras en deux unités carbonées de groupes acétyle. Les groupes acétyle sont captés par le CoA pour former de l'acétyl CoA qui passe dans le cycle de l'acide citrique.
Lien évolutif : voies de la photosynthèse et du métabolisme cellulaire
Les processus de photosynthèse et de métabolisme cellulaire se composent de plusieurs voies très complexes. On pense généralement que les premières cellules sont apparues dans un environnement aqueux, une « soupe » de nutriments, probablement à la surface de certaines argiles poreuses. Si ces cellules se reproduisaient avec succès et que leur nombre augmentait régulièrement, il s'ensuit que les cellules commenceraient à épuiser les nutriments du milieu dans lequel elles vivaient en transférant les nutriments dans les composants de leur propre corps. Cette situation hypothétique aurait entraîné une sélection naturelle favorisant les organismes susceptibles d'exister en utilisant les nutriments qui sont restés dans leur environnement et en manipulant ces nutriments pour en faire des matériaux sur lesquels ils pourraient survivre. La sélection favoriserait les organismes capables de tirer le maximum de valeur des nutriments auxquels ils avaient accès.
Une forme précoce de photosynthèse s'est développée qui exploitait l'énergie du soleil en utilisant l'eau comme source d'atomes d'hydrogène, mais cette voie ne produisait pas d'oxygène libre (photosynthèse anoxygène). (La photosynthèse précoce ne produisait pas d'oxygène libre car elle n'utilisait pas d'eau comme source d'ions hydrogène ; elle utilisait plutôt des matériaux tels que le sulfure d'hydrogène et produisait donc du soufre). On pense que la glycolyse s'est développée à cette époque et pourrait tirer parti des sucres simples produits, mais ces réactions n'ont pas permis d'extraire complètement l'énergie stockée dans les glucides. Le développement de la glycolyse a probablement précédé l'évolution de la photosynthèse, car elle était bien adaptée pour extraire de l'énergie des matériaux qui s'accumulaient spontanément dans la « soupe primitive ». Une forme ultérieure de photosynthèse a utilisé l'eau comme source d'électrons et d'hydrogène et a généré de l'oxygène libre. Au fil du temps, l'atmosphère s'est oxygénée, mais pas avant que l'oxygène n'ait libéré des métaux oxydés dans l'océan et créé une couche de « rouille » dans les sédiments, ce qui a permis de dater la montée en puissance des premiers photosynthétiseurs oxygènes. Les êtres vivants se sont adaptés pour exploiter cette nouvelle atmosphère qui a permis à la respiration aérobie telle que nous la connaissons d'évoluer. Lorsque le processus complet de photosynthèse oxygénée s'est développé et que l'atmosphère s'est oxygénée, les cellules ont finalement pu utiliser l'oxygène expulsé par la photosynthèse pour extraire beaucoup plus d'énergie des molécules de sucre en utilisant le cycle de l'acide citrique et la phosphorylation oxydative.
Résumé
La dégradation et la synthèse des glucides, des protéines et des lipides sont liées aux voies du catabolisme du glucose. Les sucres simples sont le galactose, le fructose, le glycogène et le pentose. Elles sont catabolisées lors de la glycolyse. Les acides aminés des protéines sont liés au catabolisme du glucose par le biais du pyruvate, de l'acétyl CoA et des composants du cycle de l'acide citrique. La synthèse du cholestérol commence par les groupes acétyle, et les composants des triglycérides proviennent du glycérol-3-phosphate issu de la glycolyse et des groupes acétyle produits dans les mitochondries à partir du pyruvate.