L’ ATP dans le métabolisme du tissu musculaire et des organes


Comme on a l’a vu dans l’article sur le tissu musculaire, ce tissu est constitué de milliers de cellules de forme allongée, appelées fibres musculaires. Ces fibres sont regroupées en paquets ou faisceaux, un peu comme l’intérieur d’un câble d’acier qui contient plusieurs centaines de fils. Toutes ces cellules musculaires – mais pas seulement dans les muscles, toutes les cellules de notre organisme sont concernées – ont besoin constamment et sans interruption de l’énergie pour garantir leur survie. Cette énergie est fournie par l’ ATP, ou adénosine triphosphate.

Si l’on observait une fibre musculaire au microscope, on apercevrait des filaments minuscules, dans lesquels prennent naissance les contractions musculaires : dans chacune de nos fibres logent deux protéines spécialisées, l’actine et la myosine, qui ont la propriété de pouvoir se contracter et se relâcher.

En se contractant ou se relâchant, elles « glissent » les unes sur les autres et font ainsi bouger le muscle. Pour entreprendre cette action, les fibres musculaires ont besoin d’une « bougie d’allumage », à l’instar des véhicules moteurs. Cependant, une seule « marque » de « bougie » fonctionne dans nos cellules musculaires : l’ATP.

L’ ATP (Adénosine-triphosphate) : Pourquoi cette molécule est-elle si importante pour notre santé globale ?

L’ ATP nous fournit l’énergie nécessaire pour la vie

L’adénosine-triphosphate (ATP) est la molécule clé qui, dans la biochimie de tous les organismes vivants connus, fournit par hydrolyse l’énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme. L’hydrolyse d’une substance est sa décomposition par l’eau grâce aux ions H3O+ et HO provenant de la dissociation de l’eau. Par exemple, l’hydrolyse du saccharose (sucre blanc) donne du glucose et du fructose au cours de la digestion glucidique.

Le rôle principal de l’ ATP est de fournir l’énergie nécessaire aux réactions chimiques des cellules. C’est un nucléotide (molécule organique qui est l’élément de base d’un acide nucléique tel que l’ADN ou l’ARN) servant à stocker et transporter l’énergie. L’ ATP est la réserve d’énergie de la cellule. L’énergie est donc stockée dans les liaisons entre les groupements phosphate. La stabilité de ces liaisons en solution est assurée par leur énergie d’activation, que les enzymes ont la capacité d’abaisser pour en faciliter l’hydrolyse. Le coenzyme ATP/ADP est un donneur d’énergie universel, et c’est la principale source d’énergie directement utilisable par la cellule.

 

Molécule ATP

La molécule d’ ATP modélisée en 3D. L’adénosine-triphosphate est la source de l’énergie cellulaire.

 

L’ ATP est la seule énergie utilisable pour nos muscles

Chez l’humain, l’ ATP constitue la seule énergie utilisable par le muscle. L’ ATP est un élément clé de la contraction musculaire, sans lequel nous serions incapables d’effectuer le moindre mouvement.

En effet, c’est sa présence et sa déphosphorylation (perte d’un groupement phosphate) qui permet la contraction musculaire par transformation de l’énergie chimique de la réaction en énergie mécanique. Il y a un déplacement physique des filaments, composants des fibres musculaires, les uns par rapport aux autres.

Les muscles sont composés de filaments de myosine épais et d’actine fins. Ils sont disposés de manière alternée, et forment des sarcomères, unité structurale du muscle. La taille du sarcomère, qui diminue pendant la contraction, permet de visualiser l’impact physique de la contraction du muscle.

Il y a des têtes de myosine fixées sur les filaments d’actine en temps normal. Lorsque l’ATP se fixe à ces têtes semblables à de petits crochets, elles se détachent de l’actine. L’ ATP se transforme en ADP en perdant un groupement phosphate (phosphate inorganique). Cette réaction qui fournit de l’énergie chimique permet aux têtes de myosine de se fixer sur l’actine à nouveau, mais cette fois plus loin du centre du sarcomère qu’auparavant. En relâchant l’ADP, les têtes de myosine pivotent vers le centre du sarcomère, retournant ainsi à leur position initiale, en tirant les filaments d’actine.

De ce fait, la taille des sarcomères est réduite (contraction du muscle) grâce à la réaction exo-énergétique de la déphosphorylation de l’ATP.

Quels sont les organes qui ont sont les plus grands consommateurs d’ ATP ?

Voici les consommateurs d’énergie les plus importants.

  • Cerveau : il consomme 20 à 25 % de la production quotidienne d’ ATP. Le cerveau ne possède aucune forme de stockage d’énergie. Il a besoin d’environ 5 g de glucose par heure soit 120 – 140 g/jour. Les neurones ont besoin de molécules bien précises pour pouvoir utiliser l’énergie. Ces cellules nerveuses utilisent essentiellement le glucose, elles ne peuvent pas dégrader les acides gras directement, sans transformation préalable. Le cerveau est ainsi alimenté grâce aux réserves en glucose sous forme de glycogène hépatique (dans le foie). Néanmoins, ces réserves sont très limitées, et en particulier moins importantes que les réserves lipidiques du tissu adipeux. 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. Mais la solution existe : les corps cétoniques. Ces derniers sont produits par le processus de cétogenèse dans le foie à partir de la dégradation des acides gras, lorsque l’organisme ne dispose plus de réserves suffisantes en glucose. Il s’agit donc de composés synthétisables à partir des acides gras, et qui sont utilisables par les cellules nerveuses comme source d’énergie.
  • Muscles : nos muscles consomment 20 à 80 % de la production énergétique de l’organisme, dépendant de notre effort physique. Les muscles possèdent une réserve de protéines et stockent du glycogène pour leur propre usage. Par contre, le muscle ne produit pas de glucose lui-même. Les acides gras libres sont leur source d’énergie principale hors le glycogène quand il n’y a plus de glucose à disposition.
  • Foie : le foie est notre réserve de glucose (glycogène) et en petite quantité également de triglycérides. Cet organe peut produire du glucose à partir d’autres molécules telles que les acides gras, les acides aminés, le glycérol ou encore l’acide lactique (produits par d’autres organes). En cas d’excès de glucose, il stocke ce dernier sous forme de glycogène et éventuellement de triglycérides (si les stocks de glycogène sont pleins). Le foie possède plusieurs sources d’énergie : les acides aminés pendant la période postprandiale (après les repas) et les acides gras dans les autres circonstances.
  • Tissu adipeux : le tissu adipeux représente notre réserve de triglycérides. Ce tissu libère les acides gras lorsque l’insuline est basse. Ses sources d’énergie sont le glucose (en présence d’insuline) et les acides gras dans les autres circonstances.
  • Reins : les reins peuvent produire du glucose par la néoglucogénèse au cours du jeûne prolongé.

Du glucose à l’énergie par le biais de l’ ATP

Le métabolisme énergétique est un processus très complexe. A moins que vous ne soyez un professionnel de la science ou de la santé, il est plutôt difficile à comprendre.

Dans ce cours, l’idée n’est pas de vous fournir un cours complet et détaillé en métabolisme et en biochimie, pour cela, vous trouverez de meilleures sources dédiées beaucoup plus professionnelles (personnellement, je n’ai pas de formation scientifique). Cependant, j’aimerais aider à contribuer à la compréhension comment l’énergie cellulaire est produite et quels sont les rôles des glucides (plus précisément du glucose) et des lipides dans ce processus.

Le glucose – ce sucre simple dont notre organisme a besoin pour créer son énergie

Métabolisme des glucides

Le métabolisme des glucides est un processus complexe composé de deux phases qui produisent de l’ ATP.

 

Pour commencer : toutes les cellules du corps humain sont capables d’utiliser le glucose pour produire de l’énergie – mais ce n’est pas leur source unique, comme on verra par la suite.

Le glucose est un sucre simple avec la formule chimique C6H12O6. Le suffixe -ose indique qu’il s’agit d’un glucide simple, plus précisément d’un monosaccharide. On peut dire, après avoir passée par notre métabolisme, cette molécule ne peut plus devenir plus « simple », car elle ne peut plus être hydrolysée en glucides plus simples.

C’est donc la forme moléculaire du sucre dont notre organisme a besoin et qu’il peut utiliser. Le glucose est alors un glucide essentiel qui sert pour la production de l’énergie cellulaire ATP.

Les êtres vivants ont la capacité de stocker le glucose. Chez les plantes, il est stocké sous forme d’amidon, et chez les animaux et les humains, sous forme de glycogène (voir plus bas). Ainsi, il peut être hydrolysé à tout moment pour redonner des molécules de glucose prêtes à être dégradées en fournissant de l’énergie dès que la cellule en a besoin.

Le glucose circule à travers l’organisme dans le sang, et la concentration de glucose dans le sang s’appelle la glycémie, une valeur dont surtout les diabétiques doivent se soucier au quotidien. L’hormone appelée « insuline » est chargée de maintenir un taux constant de glucose dans le sang.

La plupart des glucides (simples ou complexes) contiennent des molécules de glucose. Elles peuvent être présentes comme constituants uniques, comme amidon ou combiné avec d’autres sucres simples (oses), par exemple dans le saccharose (sucre de table).

Dans notre intestin, plus précisément dans la lumière du duodénum de l’intestin grêle, la plupart des sucres et des amidons que nous ingérons sont hydrolysés et donnent donc essentiellement du glucose.

La plupart des sucres et des amidons deviennent du glucose !

Presque tous les glucides des aliments que nous ingérons sont transformés en glucose au cours de la digestion. Le glucose est la molécule qui peut passer dans le sang et être utilisée comme carburant direct pour notre organisme. C’est le glucose qui est donc à la tête de la production énergétique de l’ ATP. Les autres molécules de sucres ou d’amidons ne peuvent pas être directement servies par notre corps – l’organisme convertit tous les glucides en glucose, ou presque !

Citons deux grandes exceptions bien connues qui fonctionnent différemment :

  • Le fructose: ce sucre simple, présent dans les fruits, mais également sous forme artificielle dans une multitude de boissons et aliments industriels, est métabolisé différemment que les autres sucres. Après la digestion, il est orienté vers le foie où il sera stocké ou utilisé. Un excès en fructose peut donc mener à un « foie gras » ou stéatose hépatique. Il faut par contre noter qu’un excès ne vient pas des fruits qui sont riches en fibres et en antioxydants, mais surtout du fructose industriel qui est ajouté sous forme de sirop (de maïs, de blé, etc.) dans la plupart des aliments industriels.
  • Les fibres : celles-ci ne sont pas directement digestibles par l’intestin, mais elles sont fermentées par les bactéries intestinales en acides gras à courte chaîne qui, eux, sont assimilables par notre organisme. Les fibres ne contiennent pas de glucose et n’influencent donc pas directement la glycémie, certaines peuvent aider à son contrôle. Par contre, des études récentes ont montré que l’intestin est en effet capable de synthétiser ce glucide et de le libérer en cas de nécessité dans le sang, par exemple, entre les repas et au cours de la nuit. Or, ce glucose possède des vertus particulières : il est détecté par le système nerveux présent dans les parois de la veine porte qui envoie un signal nerveux au cerveau. En réponse, le cerveau déclenche un faisceau d’effets protecteurs face au diabète de type 2 et à l’obésité : la sensation de faim diminue, la dépense énergétique de repos augmente, et enfin, le foie produit moins de glucose. Les fibres sont alors des alliés précieux contre les montées anormales de la glycémie et contre le diabète !

La production d’énergie à partir des glucides se réalise en deux temps :

  • la glycolyse, puis
  • la respiration cellulaire 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. 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.

Des lipides à l’énergie par le biais de l’ ATP

Les lipides (graisses) sont la source d’énergie la plus concentrée de notre organisme, avec 9 kcal/g (4 kcal/g pour les glucides). Les lipides qui proviennent de l’alimentation peuvent avoir une origine végétale (huiles) ou animale (viandes, graisses, produits laitiers, poissons). La quasi-totalité des lipides que nous ingérons se trouve sous la forme de triglycérides (3 acides gras attachés à une molécule de glycérol) et est ainsi stocké au niveau du tissu adipeux.

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

 Cette dégradation des lipides s’appelle « lipolyse » et est l’équivalent de la dégradation du glucose.  Ce processus métabolique  des triglycérides permet de détacher les acides gras du glycérol. Les acides gras libres circulent alors dans le sang jusqu’aux muscles. En plus de cet apport, les cellules contiennent des gouttelettes lipidiques qui sont déjà sur place pour être consommées directement par la cellule. Les acides gras libres sont alors oxydés dans les mitochondries, qui sont les véritables usines énergétiques des cellules.

On retient donc : l’énergie chimique dans l’ ATP peut être produite à partir du glucose ou à partir des acides gras

La cétogénèse et les corps cétoniques

Ces deux mots sont bien connus de nos jours : le régime cétogène ou Low Carb est très à la mode et en même temps très controversé. Sans vouloir trancher à cet endroit concernant son utilité (il y a autant d’avantages que d’inconvénients), voyons comment et pourquoi cette forme d’alimentation fonctionne et pourquoi on a quand-même assez d’énergie. D’où l’organisme reçoit-il son énergie sont il a besoin ?

Ce régime ou cette forme d’alimentation vise à réduire considérablement la consommation de glucides au profit des lipides pour provoquer un état de cétose. Au-delà de la perte de poids importante, il aurait de nombreux bienfaits pour la santé. Malheureusement, comme toujours, les études et les opinions scientifiques sont contradictoires. 

La consommation des lipides est très importante (jusqu’à 75 % de l’apport calorique journalier), par contre, les glucides sont réduits à 50 g maximum par jour. Cela représente environ 5 % des calories totales consommées dans la journée. Un régime alimentaire normal fournit habituellement entre 45 et 65 % de nos calories sous forme de glucides. Il y a des formes de Low Carb moins strictes (par exemple, jusqu’à 150 g de glucides par jour) qui eux, ne provoquent pas l’état de cétose.

On comprend donc tout de suite que dans un régime cétogène, l’organisme ne reçoit pas assez de glucides pour en faire sa source d’énergie principale. Ce sont les acides gras qui doivent prendre le relais pour la production de l’ ATP.

Dans l’alimentation cétogène, les glucides étant extrêmement limités, le corps commence à puiser dans ses réserves de glucides entreposées au niveau des muscles et du foie (réserves de glycogène). Lorsque les réserves de glycogène sont épuisées, le corps commence naturellement à utiliser les lipides ou matières grasses pour produire de l’énergie. Hors, lorsque le corps utilise les lipides en l’absence de glucides, il produit des déchets appelés corps cétoniques.

Ensuite, les corps cétoniques commencent à s’accumuler dans le sang et leur odeur, semblable à celle du vernis à ongles, devient perceptible dans l’haleine. C’est l’indicateur principal que le corps est en état de « cétose ». Cela prend habituellement entre 2 à 4 semaines avant d’en arriver à cet état. On peut vérifier l’état de « cétose » en se procurant des bandelettes d’analyse d’urine en pharmacie.

La cétogenèse ne consomme pas d’ ATP, par contre la cétolyse (catabolisme ou dégradation des corps cétoniques) produit de nombreux ATP par l’intermédiaire des acétylCoA produits (entrée dans le cycle de Krebs). C’est donc une méthode viable pour le corps pour produire efficacement de l’énergie cellulaire.

Conclusion

Notre corps est donc bien préparé pour produire de l’ ATP à partir de diverses sources. Il peut utiliser autant le glucose que les acides gras, avec un processus métabolique différent.

Bien sûr, la question se pose quel macronutriment est le meilleur carburant pour produire de l’ ATP : les glucoses ou les lipides. Sur le plan calorique, le rendement énergétique des lipides est meilleur que celui des glucides : 1 g de lipide permet de fournir 9 kcal (contre 4 kcal pour 1 g de glucide). De plus, leur réserve est beaucoup plus importante (entre 12 et 25 % du poids corporel), ce qui donne mathématiquement une réserve énergétique de plus de 100 000 kcal.

Malheureusement, ce n’est pas aussi simple. Les lipides sont de bons carburants d’un point de vue du rendement énergétique et également en terme de réserves stockées dans l’organisme. En revanche, les acides gras nécessitent de l’oxygène et de l’énergie pour leur dégradation –  on est dans un processus d’oxydation. Leur vitesse de dégradation est donc plus lente que celle des glucides : l’énergie est libérée plus lentement. Ceci explique pourquoi leur part diminue quand l’intensité d’un effort physique augmente : le « débit » de libération de l’énergie devient trop faible.

Il faut donc retenir que l’énergie venant des glucides est rapidement disponible aux cellules (surtout musculaires et neuronales), mais également rapidement utilisée. Par contre, celle venant des lipides est plus constante et plus lente, mais pas toujours disponible dans un effort ponctuel. 

Dans une optique plus pratique, la connaissance des voies de production d’ ATP permet de mieux gérer son alimentation au quotidien, sachant qu’il est possible d’adapter la consommation de glucides ou de lipides selon le niveau ou le type d’activité et le moment de la journée.

 

 

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Crédits/sources images: 

  • Molécule d’ATP : Wikimedia Creative Commons, libre de droits
  • Résumé métabolisme énergétique : Creative Commons, by cegeplimoilou.ca

 


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