Différents tissus ont des profils métaboliques spécialisés qui reflètent leurs fonctions uniques. Comprendre le métabolisme tissu-spécifique est essentiel pour apprécier comment les maladies métaboliques affectent des organes particuliers et comment les voies métaboliques sont coordonnées dans tout l’organisme.

Le foie

Le foie est le carrefour métabolique central, traitant, stockant et distribuant les nutriments. Les hépatocytes contiennent le complément complet d’enzymes métaboliques et peuvent effectuer à la fois l’utilisation et la production de glucose. Le foie exprime la glucokinase plutôt que l’hexokinase, qui a un Km plus élevé pour le glucose et n’est pas inhibée par le glucose-6-phosphate. Cela permet au foie de phosphoryler le glucose uniquement lorsque la glycémie est élevée, empêchant un cycle futile entre l’absorption et la production de glucose.

Le foie est le site principal de la gluconéogenèse, de la synthèse de l’urée, de la cétogenèse et de la production de lipoprotéines. Il a une capacité élevée d’oxydation des acides gras et peut utiliser les acides aminés comme substrats gluconéogéniques. La zonation du foie crée une spécialisation métabolique dans le lobule, les hépatocytes périportaux étant plus actifs dans la gluconéogenèse et la synthèse de l’urée, tandis que les hépatocytes périveineux sont plus actifs dans la glycolyse et la lipogenèse.

Muscle squelettique

Le muscle squelettique est le plus grand tissu par masse et représente une part majeure de la dépense énergétique. Les fibres musculaires sont classées en type I, fibres lentes-oxydatives qui reposent principalement sur l’oxydation des acides gras et ont une densité mitochondriale élevée, et type II, fibres rapides-glycolytiques qui reposent davantage sur la glycolyse et ont une densité mitochondriale plus faible. La plupart des muscles humains contiennent un mélange de types de fibres.

Pendant le repos, le muscle utilise principalement les acides gras. Pendant l’exercice modéré, l’absorption du glucose augmente par la translocation de GLUT4 médiée par AMPK, et le glucose et les acides gras sont utilisés. Pendant l’exercice intense, la glycolyse prédomine, produisant du lactate. Le muscle a de grandes réserves de glycogène, environ 300 à 400 grammes au total, qui fournissent du glucose pour la glycolyse sans nécessiter de glucose sanguin. Pendant la récupération, le glycogène musculaire est reconstitué par l’absorption du glucose dépendante de l’insuline.

Tissu adipeux

Le tissu adipeux existe en types blanc et brun. Le tissu adipeux blanc stocke les triacylglycérols et libère des acides gras pendant le jeûne. Il exprime la lipase hormone-sensible et la lipase des triglycérides adipeux, qui sont activées par les catécholamines et inhibées par l’insuline. Le tissu adipeux fonctionne également comme un organe endocrine, sécrétant des adipokines incluant la leptine, l’adiponectine et la résistine qui régulent l’appétit, la sensibilité à l’insuline et l’inflammation.

Le tissu adipeux brun est spécialisé dans la thermogenèse par la protéine découplante 1, qui dissipe le gradient de protons mitochondrial sous forme de chaleur plutôt que de générer de l’ATP. Le tissu adipeux brun est abondant chez les nourrissons et est présent chez les adultes à des niveaux métaboliquement significatifs, en particulier dans les régions supraclaviculaires et paravertébrales. L’exposition au froid active le tissu adipeux brun par stimulation sympathique, augmentant la dépense énergétique.

Le cœur

Le cœur est un organe aérobie obligatoire avec des besoins énergétiques élevés, consommant environ 6 kilogrammes d’ATP par jour. Contrairement au muscle squelettique, le cœur maintient une activité contractile continue et ne peut pas compter sur le métabolisme anaérobie. Le cœur utilise principalement les acides gras, qui fournissent 60 à 90 % de ses besoins énergétiques. L’énergie restante provient du glucose, du lactate et des corps cétoniques dans des proportions variables selon la disponibilité du substrat.

Le cœur exprime une isoforme unique de la lactate déshydrogénase, la LDH1, qui est inhibée par des niveaux élevés de pyruvate. Cela favorise la conversion du lactate en pyruvate, permettant au cœur d’utiliser le lactate circulant comme carburant. La flexibilité métabolique du cœur lui permet de passer d’un substrat à l’autre, mais dans des conditions telles que l’insuffisance cardiaque, une inflexibilité métabolique se développe avec une réduction de l’oxydation des acides gras et une augmentation de l’utilisation du glucose.

Le cerveau

Le cerveau a le taux métabolique le plus élevé de tous les organes, consommant environ 20 % de l’oxygène de l’organisme bien qu’il ne représente que 2 % du poids corporel. Dans des conditions normales nourries, le cerveau utilise presque exclusivement le glucose. Le glucose est transporté à travers la barrière hémato-encéphalique par GLUT1 et absorbé par les neurones par GLUT3, qui a un faible Km garantissant l’absorption du glucose même lorsque la glycémie est basse.

Pendant le jeûne prolongé, le cerveau s’adapte pour utiliser les corps cétoniques, principalement le bêta-hydroxybutyrate et l’acétoacétate. Les corps cétoniques entrent dans le cerveau par les transporteurs de monocarboxylates et sont convertis en acétyl-CoA pour la production d’énergie. Après environ 3 jours de jeûne, les corps cétoniques fournissent environ 30 % de l’énergie du cerveau, augmentant à 70 % après plusieurs semaines de privation. Cette adaptation réduit le besoin de gluconéogenèse à partir des protéines musculaires.

Globules rouges

Les érythrocytes manquent de mitochondries et dépendent entièrement de la glycolyse anaérobie pour la production d’ATP. Ils métabolismt le glucose en lactate à un taux d’environ 40 grammes de glucose par jour. Les globules rouges utilisent également la voie des pentoses phosphates pour générer du NADPH afin de maintenir le glutathion réduit et de se protéger contre les dommages oxydatifs.