Les cycles et chaînes métaboliques

Les cycles centraux de production d'énergie.
Ces cycles sont au centre de la dégradation des nutriments pour produire de l'ATP, la "monnaie énergétique" de la cellule. 

Le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique).
Le cycle de Krebs (= cycle de l'acide citrique), considéré comme le carrefour principal du métabolisme, se déroule dans la matrice des mitochondries, a pour fonction d'oxyder complètement un dérivé des glucides, des lipide et des protéines appelé acétyl-CoA. Son action génère des porteurs d'électrons riches en énergie, comme le NADH et le FADH2 (coenzymes réduits qui alimenteront la chaîne respiratoire), ainsi qu'un peu d'énergie directe sous forme de GTP (équivalent à l'ATP) et du dioxyde de carbone comme déchet. 

La chaîne de transport d'électrons.
La chaîne de transport d'électrons, ou phosphorylation oxydative, se déroule dans la membrane interne des mitochondries. Elle fait suite au cycle de Krebs et constitue l'étape finale de la respiration cellulaire aérobie. Les coenzymes réduits NADH et FADH2, issus des réactions précédentes, cèdent leurs électrons à une série de complexes protéiques (I à IV). Ces complexes transfèrent les électrons de manière séquentielle, en libérant de l'énergie à chaque étape. L'énergie libérée permet le pompage de protons (H⁺) de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. Ce gradient de protons constitue une force proton-motrice qui alimente l'ATP synthase, une enzyme qui catalyse la phosphorylation de l'ADP en ATP. L'oxygène moléculaire agit comme accepteur final des électrons, se combinant avec les protons pour former de l'eau. Ce processus est essentiel à la production énergétique, car il génère la majorité de l'ATP cellulaire.

La glycolyse.
Pour alimenter ce cycle central, la cellule dégrade le glucose dans le cytoplasme grâce à une voie métabolique fondamentale, la glycolyse, qui est la première voie métabolique de la dégradation du glucose. Elle se déroule dans le cytoplasme et ne nécessite pas d'oxygène. Une molécule de glucose (à six atomes de carbone) est convertie en deux molécules de pyruvate (à trois carbones) à travers une série de dix réactions enzymatiques. La glycolyse se divise en deux phases : la phase d'investissement énergétique et la phase de production d'énergie. Dans la première, deux molécules d'ATP sont consommées pour phosphoryler le glucose et le transformer en fructose-1,6-bisphosphate, qui est ensuite scindé en deux trioses phosphates. Dans la seconde phase, ces trioses sont oxydés, générant au total quatre molécules d'ATP (par phosphorylation au niveau du substrat) et deux NADH. Le bilan net de la glycolyse est donc de deux ATP et deux NADH par molécule de glucose. En absence d'oxygène, le pyruvate peut être réduit en lactate (chez les animaux) ou en éthanol (chez les levures), permettant la régénération du NAD⁺ nécessaire à la poursuite du processus.

Les cycles de synthèse (anabolisme).
Ces cycles permettent de construire des molécules complexes à partir de précurseurs simples.

Le cycle de Calvin (photosynthèse - phase indépendante de la lumière).
Le cycle de Calvin, cycle de Calvin-Benson-Bassham ou cycle de fixation du carbone, se déroule dans le stroma des chloroplastes et constitue la phase dite “obscure” de la photosynthèse, bien qu'elle dépende indirectement de la lumière. Il utilise l'ATP et le NADPH produits par la phase photochimique pour fixer le dioxyde de carbone atmosphérique et synthétiser des glucides. Le cycle comporte trois grandes étapes : la fixation du carbone, la réduction et la régénération du ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). Dans la première étape, l'enzyme Rubisco fixe le CO2 sur le RuBP, formant un composé instable à six carbones qui se scinde immédiatement en deux molécules de 3-phosphoglycérate (3-PGA). Dans la seconde, le 3-PGA est réduit en triose phosphate grâce à l'énergie de l'ATP et au pouvoir réducteur du NADPH. Enfin, une partie des trioses phosphates sert à régénérer le RuBP, tandis qu'une autre est utilisée pour la synthèse de glucides comme le glucose. Le cycle de Calvin est ainsi essentiel à la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée sous forme de sucres, constituant la base de la production organique dans la biosphère.

La gluconéogenèse.
Chez les animaux, la gluconéogenèse est le processus par lequel l'organisme synthétise du glucose à partir de composés non glucidiques, principalement lorsque les réserves de glucose sont épuisées, comme durant le jeûne prolongé ou l'exercice intense. Ce processus se déroule essentiellement dans le foie et, dans une moindre mesure, dans le cortex rénal. Les principaux précurseurs de la gluconéogenèse sont le lactate (provenant de la glycolyse anaérobie), le glycérol (issu de la dégradation des triglycérides) et certains acides aminés glucoformateurs (notamment l'alanine). Le mécanisme de la gluconéogenèse reprend plusieurs enzymes de la glycolyse, mais certaines étapes irréversibles sont contournées par des enzymes spécifiques : la pyruvate carboxylase et la phosphoénolpyruvate carboxykinase remplacent la pyruvate kinase, la fructose-1,6-bisphosphatase remplace la phosphofructokinase, et la glucose-6-phosphatase remplace l'hexokinase. Ces réactions permettent la conversion du pyruvate en glucose. Le processus consomme de l'énergie sous forme d'ATP et de GTP et requiert également du NADH comme cofacteur réducteur. La gluconéogenèse est essentielle au maintien de la glycémie, surtout entre les repas et durant le jeûne.

Les cycles de gestion des métabolites et de détoxification.
Ces cycles recyclent des molécules ou éliminent des déchets.

Le cycle de l'urée.
Le cycle de l'urée, ou cycle de Krebs-Henseleit, se déroule principalement dans le foie et permet l'élimination de l'ammoniac toxique sous forme d'urée, une molécule moins toxique excrétée par les reins dans l'urine. Ce cycle débute dans la mitochondrie par la formation de carbamyl phosphate à partir de NH2, CO2 et ATP, sous l'action de la carbamyl phosphate synthétase I. Le carbamyl phosphate se combine ensuite à l'ornithine pour former la citrulline, qui quitte la mitochondrie pour le cytosol. Dans le cytosol, la citrulline réagit avec l'aspartate (fournissant un deuxième groupe amine) pour former l'argininosuccinate grâce à l'argininosuccinate synthétase. Ce composé est ensuite clivé en arginine et fumarate par l'argininosuccinate lyase. Enfin, l'arginase hydrolyse l'arginine en  urée et régénère l'ornithine, qui retourne dans la mitochondrie pour un nouveau cycle. Ce mécanisme joue un rôle déterminant dans la détoxification de l'ammoniac et le maintien de l'équilibre azoté de l'organisme.

Le cycle de Cori.
Le cycle de Cori illustre la coopération métabolique entre le muscle et le foie durant l'effort physique intense. Dans le muscle, la glycolyse anaérobie transforme le glucose en pyruvate, qui est ensuite réduit en lactate pour régénérer le NAD⁺ nécessaire à la poursuite de la glycolyse. Le lactate s'accumule dans le sang et est transporté jusqu'au foie, où il est reconverti en pyruvate par la lactate déshydrogénase. Le pyruvate est ensuite utilisé pour la gluconéogenèse hépatique, permettant la synthèse de glucose, lequel est relargué dans la circulation sanguine et repris par le muscle. Ce cycle assure donc un transfert d'énergie entre le muscle et le foie, permettant de maintenir la production de glucose et d'éviter l'acidose lactique. Toutefois, le processus est coûteux sur le plan énergétique pour le foie, puisqu'il consomme de l'ATP lors de la synthèse du glucose.

Le cycle des acides biliaires.
Le cycle des acides biliaires se déroule principalement entre le foie, l'intestin et la circulation entérohépatique. Dans le foie, le cholestérol est transformé en acides biliaires primaires, principalement l'acide cholique et l'acide chénodésoxycholique, par hydroxylation et oxydation dans le réticulum endoplasmique. Ces acides biliaires sont ensuite conjugués à la glycine ou à la taurine pour former des sels biliaires plus hydrosolubles, qui sont sécrétés dans la bile et libérés dans l'intestin grêle. Là, ils émulsifient les graisses alimentaires, facilitant leur digestion et leur absorption. Dans l'iléon, la majorité des sels biliaires sont réabsorbés et retournent au foie via la veine porte pour être recyclés, tandis qu'une petite fraction est convertie par la flore intestinale en acides biliaires secondaires (acide désoxycholique et lithocholique). Ce cycle entérohépatique permet de conserver et de réutiliser efficacement les acides biliaires, tout en régulant le métabolisme du cholestérol.