Catabolisme

Les principales sources de molécules catabolisées sont les trois grandes classes de nutriments : les glucides, les lipides et les protéines. Chacune emprunte des voies spécifiques au début de sa dégradation, mais converge souvent vers des intermédiaires communs qui alimentent les voies centrales de production d'énergie. 

Glycolyse.
Les glucides, notamment le glucose, constituent la source énergétique la plus immédiate et la plus privilégiée par de nombreuses cellules, en particulier les neurones et les globules rouges. La dégradation du glucose commence dans le cytoplasme par la glycolyse, une séquence de dix réactions enzymatiques qui transforme une molécule de glucose (à six carbones) en deux molécules de pyruvate (à trois carbones). Ce processus produit un gain net de deux molécules d'ATP et de deux molécules de NADH, un transporteur d'électrons. La glycolyse ne nécessite pas d'oxygène et peut donc fonctionner en conditions anaérobies, comme lors d'un effort intense. Dans ce cas, le pyruvate est réduit en lactate pour régénérer le NAD⁺, permettant à la glycolyse de continuer. 

Cycle de Krebs.
En présence d'oxygène, toutefois, le pyruvate pénètre dans les mitochondries, où il est converti en acétyl-CoA par le complexe pyruvate déshydrogénase. L'acétyl-CoA entre alors dans le cycle de Krebs (aussi appelé cycle de l'acide citrique ou cycle de TCA), une série de réactions cycliques qui oxydent complètement l'acétyl-CoA en dioxyde de carbone (CO2). Ce cycle ne produit qu'une petite quantité directe d'ATP (ou de GTP, équivalent énergétique), mais génère surtout des molécules riches en électrons : trois NADH et un FADH2 par tour de cycle. 

Chaîne respiratoire (phosphorylation oxydative).
Ces transporteurs d'électrons sont ensuite utilisés dans la chaîne respiratoire, située dans la membrane interne mitochondriale. Là, les électrons sont transférés successivement à travers une série de complexes protéiques, libérant progressivement de l'énergie qui sert à pomper des protons (H⁺) de la matrice vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. Ce gradient alimente l'ATP synthase, une enzyme qui synthétise de l'ATP à mesure que les protons retournent dans la matrice - un processus appelé phosphorylation oxydative. Grâce à cette étape, une seule molécule de glucose peut permettre la production d'environ 30 à 32 molécules d'ATP, ce qui en fait un processus extrêmement efficace. 

β-oxydation des acides gras.
Les lipides, notamment les triglycérides stockés dans le tissu adipeux, représentent la principale réserve énergétique de l'organisme. Lorsque les besoins énergétiques dépassent les apports glucidiques (jeûne, exercice prolongé), les triglycérides sont hydrolysés en glycérol et en acides gras libres. Le glycérol peut être converti en intermédiaire glycolytique, tandis que les acides gras subissent la β-oxydation dans la matrice mitochondriale. Ce processus consiste à couper successivement des unités de deux carbones sous forme d'acétyl-CoA, tout en produisant du NADH et du FADH2 à chaque cycle. Un acide gras à longue chaîne, comme le palmitique (16 carbones), peut ainsi générer plus de 100 molécules d'ATP, ce qui explique pourquoi les graisses sont si denses en énergie. 

Catabolisme des protéines.
Les protéines ne sont normalement pas utilisées comme source principale d'énergie, mais elles peuvent l'être en situation de famine ou de stress prolongé. Les protéines alimentaires ou cellulaires sont d'abord hydrolysées en acides aminés. Ces derniers subissent une désamination, c'est-à-dire la perte de leur groupe amine (–NH2), qui est converti en urée dans le foie et excrété par les reins. Le squelette carboné restant est ensuite transformé en intermédiaires métaboliques capables d'entrer dans la glycolyse ou le cycle de Krebs, selon la nature de l'acide aminé (glucogénique ou cétogène).