L’intégration métabolique décrit comment l’organisme coordonne les activités métaboliques de différents organes pour maintenir l’homéostasie énergétique. Le foie, le muscle, le tissu adipeux et le cerveau ont chacun des rôles métaboliques spécialisés qui sont coordonnés par des signaux hormonaux et de substrats.

Le foie comme carrefour métabolique

Le foie occupe une position centrale dans le métabolisme, recevant les nutriments de la circulation porte et distribuant les substrats énergétiques aux autres tissus. Après un repas, le foie absorbe le glucose et le stocke sous forme de glycogène. L’excès de glucose est converti en acides gras par lipogenèse de novo et exporté sous forme de triglycérides VLDL. Pendant le jeûne, le foie libère du glucose par glycogénolyse et gluconéogenèse, utilisant le lactate, les acides aminés et le glycérol comme précurseurs. Le foie produit également des corps cétoniques à partir de l’oxydation des acides gras pour l’exportation vers les tissus extrahépatiques.

Tissu adipeux

Le tissu adipeux blanc stocke l’excès d’énergie sous forme de triacylglycérols et libère des acides gras pendant le jeûne. À l’état nourri, l’insuline favorise l’absorption du glucose et la lipogenèse, tout en inhibant la lipolyse. À l’état de jeûne, l’insuline basse et les catécholamines élevées activent la lipase hormone-sensible et la lipase des triglycérides adipeux, libérant des acides gras libres et du glycérol dans la circulation. Les acides gras libres sont utilisés par le muscle et d’autres tissus par oxydation des acides gras, tandis que le glycérol est un substrat gluconéogénique pour le foie. Le tissu adipeux brun est spécialisé dans la thermogenèse par la protéine découplante 1, qui dissipe le gradient de protons pour générer de la chaleur.

Muscle squelettique

Le muscle squelettique représente une grande partie de la dépense énergétique. Au repos, le muscle utilise principalement les acides gras. Pendant l’exercice, le muscle utilise ses réserves de glycogène et absorbe le glucose du sang. Pendant l’exercice intense, la glycolyse anaérobie produit du lactate, qui est libéré dans la circulation et absorbé par le foie pour la gluconéogenèse. Le muscle contient également un grand pool de protéines qui peut être mobilisé pendant le jeûne prolongé, libérant des acides aminés pour la gluconéogenèse.

Le cerveau

Le cerveau a des besoins obligatoires en glucose dans des conditions normales, consommant environ 120 grammes de glucose par jour. Il ne peut pas utiliser les acides gras car ils ne traversent pas efficacement la barrière hémato-encéphalique. Pendant le jeûne prolongé, le cerveau s’adapte pour utiliser les corps cétoniques, qui peuvent fournir jusqu’à 70 % de ses besoins énergétiques après plusieurs semaines de privation. Le cerveau a des réserves négligeables de glycogène et dépend d’un apport continu de glucose par la circulation.

L’état nourri

Après un repas, la glycémie augmente et l’insuline est sécrétée. Dans le foie, le glucose est phosphorylé par la glucokinase, qui a un Km élevé et n’est pas inhibée par le glucose-6-phosphate, permettant une absorption continue du glucose lorsque la glycémie est élevée. Le glucose est stocké sous forme de glycogène ou converti en acides gras. Dans le muscle et le tissu adipeux, l’insuline stimule l’absorption du glucose par la translocation de GLUT4. Les acides aminés sont utilisés pour la synthèse protéique, et les acides aminés en excès sont désaminés dans le foie, les squelettes carbonés étant utilisés pour l’énergie ou la production de glucose.

L’état de jeûne

Pendant le jeûne de courte durée, la glycogénolyse maintient la glycémie. Après 12 à 24 heures, les réserves de glycogène sont épuisées et la gluconéogenèse devient la principale source de glucose. Le glucagon stimule ces processus et favorise la lipolyse. Après 2 à 3 jours de jeûne, les corps cétoniques deviennent des substrats énergétiques significatifs, alimentant le cycle de l’acide citrique et la phosphorylation oxydative. Après un jeûne prolongé, le catabolisme protéique est réduit pour préserver la masse musculaire, et les corps cétoniques fournissent la majeure partie de l’énergie du cerveau, réduisant le besoin de gluconéogenèse à partir des acides aminés.

Exercice

L’exercice impose des demandes uniques à l’intégration métabolique. Pendant l’exercice modéré, le muscle utilise un mélange de glucose et d’acides gras. À mesure que l’intensité augmente, l’utilisation des glucides prédomine. Le lactate produit par le muscle actif est libéré dans la circulation et absorbé par le foie pour la gluconéogenèse. Pendant la récupération, le glycogène musculaire est reconstitué à partir des glucides alimentaires ou du lactate via le cycle de Cori. L’exercice régulier améliore la flexibilité métabolique, la capacité de passer d’une source de carburant à l’autre, et améliore la sensibilité à l’insuline.