L'enseignement de la biologie fondamentale (UE 2.1 S1) est indispensable aux étudiants en soins infirmiers car il leur fournit les bases nécessaires pour comprendre les processus physiologiques complexes. Parmi ces processus, la réaction pyruvate lactate redox occupe une place centrale dans le métabolisme énergétique cellulaire. Cet article explore en profondeur cette réaction, son importance et ses implications physiologiques.
Introduction au Métabolisme Énergétique et au Pyruvate
Le métabolisme énergétique est l'ensemble des processus biochimiques par lesquels les organismes vivants produisent et utilisent l'énergie pour maintenir la vie. Le glucose est le nutriment le plus important dans ce processus. Les cellules du corps produisent de l’énergie en convertissant le glucose en pyruvate, qui est ensuite converti en Acétyl-coenzyme A, la principale source d’énergie du corps. Cette conversion est cruciale pour alimenter les fonctions cellulaires.
Le pyruvate, un métabolite central, se situe à l’intersection de multiples voies métaboliques, incluant la glycolyse, la néoglucogenèse et le cycle de l’acide tricarboxylique (cycle de Krebs). La quantification précise des niveaux de pyruvate dans les échantillons biologiques est essentielle pour comprendre le métabolisme cellulaire, les états pathologiques et les effets des médicaments. Les kits de dosage du pyruvate sont des outils essentiels pour explorer le métabolisme intermédiaire, offrant une quantification sensible, rapide et fiable d’un intermédiaire métabolique clé.
La Glycolyse et la Formation du Pyruvate
Le glucose subit tout d’abord une glycolyse, une réaction chimique qui se déroule dans le cytoplasme de la cellule. Au cours de la glycolyse, le glucose est d’abord converti en glucose 6-phosphate grâce à l’hexokinase. Le glucose 6-P est ensuite converti en fructose 6-P par une autre enzyme, la phosphohexose isomérase. Il s’agit d’une isomérisation (conversion de la molécule en l’un de ses isomères), une réaction réversible catalysée par une isomérase. Le fructose 6-P est ensuite converti en fructose 1,6 diphosphate par la phosphofructokinase. Il y a formation de 2 molécules de phosphoglycéraldéhyde: cette réaction est catalysée par une aldolase (groupe des lyases : enzyme qui brise diverses liaisons chimiques par d'autres voies que l'hydrolyse et l'oxydation). Et ainsi de suite jusqu’à l’étape finale de la formation du pyruvate par l’enzyme pyruvatekinase. Chaque étape est catalysée par une enzyme spécifique. Au final, 2 molécules d’ATP ont été produites pour 1 molécule de glucose. Ce bilan est faible comparé aux autres étapes de la respiration cellulaire.
La Réaction Pyruvate Lactate : Une Réaction d'Oxydoréduction Clé
La réaction pyruvate lactate est une réaction d'oxydoréduction réversible catalysée par l'enzyme lactate déshydrogénase (LDH). Cette réaction est essentielle pour la régénération du NAD+ nécessaire à la poursuite de la glycolyse, en particulier dans des conditions où l'apport en oxygène est limité ou lorsque la demande énergétique est élevée.
Lire aussi: La LDH dans le métabolisme
Oxydoréduction : Les Fondamentaux
Quand un réducteur perd des électrons, il s'oxyde. Le glucose est donc oxydé et le dioxygène réduit. L'hydrogène (H) est transféré du glucose à l'oxygène. Des atomes d'hydrogène sont arrachés du glucose à certaines étapes, mais ils ne sont pas transférés immédiatement à l'oxygène. Mais plutôt que de devenir le NAD en captant un seul électron, ces enzymes vont retirer une paire d'atomes d'hydrogène (2H) du glucose. Or un atome d'hydrogène contient 1 électron et 1 proton. La déshydrogénase amène deux électrons et UN proton (H+) au NAD+, l'autre proton est libéré dans le milieu. En fait, le NADH est seulement riche en énergie mais il ne la stocke pas.
Le Rôle du NAD+ et du NADH
La 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.
L'Importance de la Lactate Déshydrogénase (LDH)
La lactate déshydrogénase (LDH) joue un rôle crucial dans la conversion du pyruvate en lactate. Cette enzyme permet de régénérer le NAD+ nécessaire à la glycolyse, assurant ainsi la production continue d'ATP même en l'absence d'oxygène.
Le Cycle de Krebs et la Chaîne Respiratoire
Le cycle de Krebs, ou cycle de l’acide citrique (citrate), est au centre du métabolisme cellulaire. Le cycle de Krebs se déroule donc dans la matrice de la mitochondrie en aérobiose. Le pyruvate subit aussi une décarboxylation (retrait des atomes de carbone) totale qui conduit à la libération de dioxyde de carbone, déchet de la respiration.
Il existe 5 ensembles de complexes impliqués dans la chaîne respiratoire. Les 4 premiers (I, II, III et IV) interviennent dans le transport des électrons et le cinquième (V) intervient dans la synthèse d'ATP. Au fur et à mesure de ce transport, les électrons " perdent " de leur énergie. L'énergie " perdue " par les électrons et la présence des protons H+ permettent d'activer une enzyme, l'ATP synthase, localisée elle aussi dans la membrane interne. En effet lors de la glycolyse 2 NAD+ sont réduits en 2 NADH, durant le cycle de Krebs 10 NAD+ sont réduits en 10 NADH et enfin pendant la chaîne respiratoire 12 NADH sont oxydés en 12 NAD+.
Lire aussi: Comprendre le Pyruvate et le Lactate
Le Lactate : Plus qu'un Déchet Métabolique
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.
Production et Utilisation du Lactate
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. De plus, 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 permettait de retarder la survenue de l’acidose.
La Navette 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).
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 ». Il est un acteur essentiel du métabolisme à l’échelle cellulaire, tissulaire et de l’organisme. Sa production pendant l’exercice permet le maintien de la dégradation du glucose par la glycolyse. Elle retarde, mais ne cause pas l’acidose.
Implications Cliniques de la Réaction Pyruvate Lactate
La concentration normale de lactate est d’environ 0,6-1,4 mmol/L et les concentrations augmentent en cas de stress biologique. Une demande énergétique élevée en état de choc déclenche une consommation de glucose plus élevée, saturant le métabolisme dépendant de l’oxygène.
Lire aussi: Pourquoi un ratio lactate/pyruvate élevé est-il préoccupant?
Hyperlactatémie et Acidose Lactique
On parle d'hyperlactatémie lorsque la concentration plasmatique de lactate est supérieure à 2 mmol/l. On parle d'acidose lactique lorsqu'il coexiste une acidose (définie par un pH<7,35 et une hyperlactatémie > 5 mmol/l). C'est un indicateur de gravité qui incite à une prise en charge intensive du patient.
Lactate dans le Diagnostic des Infections
Dans le liquide cérébrospinal (LCS), la mesure du lactate aux cours des méningites aiguës est un indicateur performant pour différencier précocement les infections bactériennes des causes virales. Le dosage du pyruvate, toujours associé à celui du lactate, permet d'orienter le diagnostic de déficit en pyruvate déshydrogénase ou en pyruvate carboxylase.
Autres Voies Métaboliques Impliquant le Pyruvate
La Néoglucogenèse
Le foie peut aussi synthétiser du glucose à partir d’acide lactique, d’acide pyruvique, de certains acides aminés…, ce processus est appelé néoglucogenèse. Ce processus intervient quand la glycémie baisse et qu’il n’y a plus de stock de glycogène.
La Lipolyse et les Triglycérides
Les triglycérides sont transformés en acides gras et glycérol lors de la lipolyse. En présence d'oxygène l'Acétyl Coenzyme A est intégré au cycle de Krebs et produit du CO2 et de l'énergie sous forme d'ATP ainsi que des Coenzymes réduits.
La Glycogenèse
Le glucose est amené dans le foie par la veine porte. Les molécules vont alors former de longues chaines représentant les réserves de glucose : c'est du glycogène. Ce processus est appelé glycogenèse.
tags: #réaction #pyruvate #lactate #redox