Introduction
Longtemps considérés comme de simples déchets métaboliques, les cétones et le lactate émergent aujourd'hui comme des acteurs essentiels de la régulation énergétique et de la signalisation cellulaire. Cet article explore en profondeur la physiologie de ces deux composés, leur production, leur utilisation et leur impact sur divers aspects de la santé humaine.
La Cétogenèse: Une Voie Métabolique Vitale en Période de Jeûne
La cétogenèse est un processus métabolique indispensable à la survie en conditions de jeûne. Elle désigne l’ensemble des voies de synthèse aboutissant à la formation de corps cétoniques, qui se déroule dans les mitochondries des hépatocytes (cellules du foie). Lors d’une situation prolongée de déficit en glucose, le corps enclenche cette voie métabolique. Les corps cétoniques s’accumulent : on parle d’un état de cétose de l’organisme, un état souvent non pathologique.
Le rôle du foie dans la cétogenèse
Dans le foie, les acides gras et certains acides aminés (dits « cétogènes ») sont dégradés pour former de l’acétyl-CoA. À partir de ces molécules d’acétyl-CoA, une succession de réactions chimiques va permettre de former un premier corps cétonique, l’acétoacétate. L’acétoacétate peut également subir une décarboxylation lente et spontanée pour former de l’acétone. Bien que le foie soit le principal site de la cétogenèse, il est incapable de métaboliser les corps cétoniques (il ne possède pas les enzymes clés de la cétolyse).
Les corps cétoniques: carburant alternatif pour le cerveau
Le cerveau est le premier bénéficiaire de cet état métabolique. À l’inverse des muscles, il ne sait pas exploiter les acides gras issus de la lipolyse ni stocker du glycogène. En conditions normales, les acides gras issus des lipides sont digérés grâce à la β-oxydation qui les dégrade en acétyl-CoA, essentiel au cycle de Krebs. Or en cas de jeûne, pour compenser la baisse de glucose, l’oxaloacétate est utilisé par une autre voie métabolique (la néoglucogénèse). L’oxaloacétate n’étant plus disponible, il ne peut plus prendre en charge l’acétyl-CoA. Le cycle de Krebs est ainsi à l’arrêt.
Les trois corps cétoniques principaux
Les corps cétoniques sont trois métabolites, souvent désignés par le terme de « cétones ». Ils regroupent l’acétoacétate, le D-β-hydroxybutyrate et l’acétone. Les deux premiers servent de vecteurs énergétiques et/ou d’intermédiaires métaboliques dans différentes voies de synthèse.
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La Cétose: Un État Métabolique Induit par les Régimes Pauvres en Glucides
La cétose est un état du métabolisme humain induit par les diètes faibles en glucides. Les diètes faibles en glucides ont pour effet de maintenir un faible taux d’insuline et un taux élevé de glucagon. Ce ratio insuline/glucagon aura pour effet d’induire l’état de cétose, caractérisé par la synthèse de corps cétoniques par le foie.
Les effets des régimes cétogènes
Les utilisateurs des diètes faibles en glucides affirment que ces dernières se comparent avantageusement aux autres types de diètes hypocaloriques en ce que le poids perdu l’est davantage sous forme de masse graisseuse que sous forme de tissu maigre.
Risques potentiels des régimes cétogènes
Mettre en place son propre régime pour induire un état de cétose peut présenter des risques. En effet la diminution des glucides et lipides de l’alimentation s’accompagne nécessairement d’un besoin significatif en protéines. Des carences alimentaires peuvent survenir si les apports en protéines sont insuffisants. Il en résultera une fonte de la masse maigre (musculaire) et une grande fatigue. L'échec du régime est possible si le seuil maximum de glucides (50g) n’est pas respecté, de même si les apports en lipides ne sont pas restreints de manière suffisante pour permettre une mobilisation efficace des graisses de réserve.
Néoglucogenèse: Production de Glucose à Partir de Précurseurs Non Glucidiques
La néoglucogénèse est une voie métabolique permettant la synthèse de glucose à partir de précurseurs non glucidiques (pyruvate, lactate glycérol et quelques acides aminés). Dans un premier temps, ce sont surtout les acides aminés (issus de la masse musculaire) qui seront les plus sollicités. Ensuite vient le tour du glycérol (issu de la masse grasse) et du lactate. Ce processus de synthèse du glucose se produit également au niveau des reins. C’est ce que l’on appelle la néoglucogenèse rénale. Dans ce cas, le substrat endogène (produit par le corps) le plus sollicité sera le lactate. La néoglucogenèse permet de répondre rapidement à un besoin en glucides, mais elle consomme beaucoup de protéines qui sont des molécules fonctionnelles, et ne doivent pas servir de réserve.
Le Lactate: Plus qu'un Déchet, un Carburant et un Messager
Le lactate est depuis de nombreuses années considéré de façon erronée comme un « déchet » du métabolisme glycolytique et sa production par le muscle en activité est tenue responsable de la survenue de l’acidose, des crampes et de la fatigue musculaire. Ainsi, le lactate est associé à la douleur musculaire et est toujours perçu comme délétère pour la performance. Cependant, à côté de cette vision négative du lactate, de nombreuses études ont montré que le lactate est en fait un intermédiaire métabolique particulièrement important pour les échanges d’énergie et d’information entre les cellules, les tissus et les organes.
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Production et rôle du lactate pendant l'exercice
Le lactate est produit continuellement par le muscle dès lors que celui-ci utilise du glucose via la glycolyse. Ainsi, la lactatémie va augmenter au cours d’un exercice, même si l’apport en oxygène est satisfaisant, permettant d’amener un substrat énergétique au muscle. La production de lactate par le muscle au cours de l’effort est non seulement nécessaire pour le fonctionnement de la glycolyse mais aussi que cette production permet de retarder la survenue de l’acidose.
La glycolyse et la production de lactate
De façon concomitante, il existe une production d’ATP extra-mitochondriale via la dégradation du glycogène et du glucose qui ne nécessite pas l’utilisation d’oxygène (voie anaérobie). La dégradation du glucose (glycolyse), qui aboutit à la production de pyruvate, a besoin de NAD (nicotine-adenine-dinucléotide) pour fonctionner. Si cette régénération de NAD à partir du NADH2 est insuffisamment réalisée par les mitochondries, soit parce que l’apport en oxygène est insuffisant, soit parce que le fonctionnement mitochondrial est trop lent par rapport à la demande d’énergie, la dégradation du glycogène et/ou du glucose ne peut se poursuivre que grâce au transfert du H2 du NADH2 sur l’acide pyruvique grâce à la LDH.
Le lactate comme molécule de signalisation
Depuis quelques années, un nouveau rôle de molécule de signalisation a été clairement démontré pour le lactate. Le lactate est ainsi actuellement considéré comme une « lactormone ».
Le transport du lactate
Grâce aux travaux du groupe de G. Brooks, de l’Université de Berkeley, les connaissances concernant les mécanismes d’échange du lactate entre les cellules, les tissus et les organes ont considérablement évolué. Ainsi, ce groupe a pu démontrer que les échanges du lactate impliquaient un mécanisme de transport facilité du type symport lactate/proton appartenant à la famille des transporteurs des monocarboxylates (MCT). Comme ce sont des symports lactate/protons, ces transporteurs jouent un rôle majeur dans la régulation du pH intracellulaire et la coordination du métabolisme. Au niveau du muscle squelettique, on trouve deux principales isoformes MCT1 et MCT4 qui présentent des caractéristiques bien distinctes. Il existe de nombreuses situations où la quantité de ces transporteurs peut varier, mais le principal facteur de variation est l’activité musculaire. Ainsi, l’entraînement en endurance augmente l’expression de ces isoformes au niveau des muscles squelettiques, mais surtout l’isoforme MCT1. Ces variations d’expression de MCTs ont des répercussions sur la cinétique du lactate au niveau du corps entier et sur la vitesse d’élimination du lactate au décours d’un exercice exhaustif.
Cycle de Krebs
Le cycle de Krebs, ou cycle de l’acide citrique, est une série de réactions chimiques dont la finalité est de produire des intermédiaires énergétiques qui serviront à la production d’ATP dans la chaîne respiratoire. Point de convergence du catabolisme des glucides (Glycolyse / Voie des pentoses phosphates), des lipides (β-oxydation) et des protéines (Décarboxylation / Désamination), il aboutit à la formation d’acétyl-coA. La cétogenèse, ou voie des corps cétoniques est, après le cycle de Krebs, la voie secondaire de consommation de l’acétyl-coA. Cette voie est mise en place de manière importante en période de jeûne glucidique prolongé(ou en cas de diabète), puisqu’en l’absence de molécules glucidiques, la molécule d’AOA n’est plus disponile. Ces conditions ne permettent donc plus l’acétyl-coA de rentrer dans le cycle de Krebs. Le but de la cétogenèse est de transporter cet acétyl-coA (qui ne peut plus rentrer dans le cycle de Krebs), du foie vers les muscles par l’intermédiaire des corps cétoniques.
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Les glucides et les lipides comme source d'énergie
Les cellules du corps humain ont besoin d’énergie pour remplir leurs fonctions. Cette énergie est apportée par la dégradation de molécules organiques. Toutes les cellules du corps humain sont capables d’utiliser le glucose pour produire un intermédiaire énergétique : la molécule d’ATP (adénosine triphosphate). Cette molécule est utilisée dans de nombreux processus cellulaires. De manière très schématique, la glycolyse permet la dégradation de glucose en pyruvate. Ceci s’accompagne de la formation, transitoire, de molécules d’acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA). La dégradation des acides gras, contenus dans certains lipides, permet aussi aux cellules de produire de l’ATP.
Les glucides sont une source d’énergie importante pour les cellules de l’organisme, aussi bien animal que végétal. Mais, alors que les besoins des cellules sont continus, l’apport de glucides est discontinu. La constitution de réserves de glucides, sous forme de polymères (stockage important dans la cellule sans modification significative du potentiel osmotique), permet de disposer de glucides à tout moment. Ces réserves de glucides sont essentiellement constituées de polymères de glucose : glycogène chez les animaux, et amidon chez la majorité des végétaux. Chez l’Homme, le glycogène est synthétisé dans les hépatocytes et les cellules musculaires. Seul le glycogène hépatique peut être ensuite redistribué aux autres cellules de l’organisme. Les lipides sont essentiellement stockés sous forme de triglycérides dans la vacuole des des adipocytes. Dans l’organisme humain, ces réserves sont bien plus importantes en quantité que les réserves de glycogène. Les cellules humaines sont capables de synthétiser des acides gras à partir du glucose.
L'alimentation énergétique du cerveau
Dans les conditions physiologiques normales, la principale source d’énergie du cerveau est le glucose, provenant du glucose ingéré ou des réserves de glucose de l’organisme, présentes sous forme de glycogène hépatique. Les corps cétoniques sont synthétisés dans les mitochondries du tissu hépatique, à partir des acides gras provenant de la lipolyse du tissu adipeux (ou des acides aminés cétogènes comme la leucine), c’est la cétogenèse. Une grande partie de l’acétyl-coA produit par la dégradation des acides gras et du glucose est oxydée dans le cycle de Krebs. En cas de jeûne le glucose vient à manquer, il y a déséquilibre entre la dégradation des acides gras et celle des glucides.
La molécule LaKe: un nouveau composé pour simuler l'exercice physique ?
Un nouveau composé, appelé LaKe, développé à l'Université d'Aarhus, simule les effets d'une course à pied de 10 kilomètres à jeun. L'équipe de recherche a réussi à fusionner ces deux composés (le lactate et les cétones) en un seul, administrable par voie orale. Les essais sur des rats ont montré une réduction des niveaux de graisses dans le sang, tout en déclenchant la production d'une hormone coupe-faim. Les chercheurs estiment que le lactate et la cétone ne peuvent être consommés en quantités suffisantes uniquement par le biais de l'alimentation. En plus des bénéfices sur le métabolisme, ce composé pourrait aussi améliorer la récupération des patients souffrant de troubles neurodégénératifs, comme Parkinson et Alzheimer. Des essais cliniques sont en cours pour évaluer l'efficacité de ce complément sur l'homme.
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