Le concept de pyruvate lactate oxydoréduction est au cœur de la compréhension du métabolisme énergétique, en particulier dans le contexte de l'exercice physique et de diverses conditions physiologiques. Cet article vise à explorer en profondeur cette réaction, en mettant en lumière son importance, ses mécanismes et ses implications pour l'organisme.
Introduction
La réaction de pyruvate lactate oxydoréduction, catalysée par la lactate déshydrogénase (LDH), est une étape cruciale dans le métabolisme du glucose. Elle assure la conversion réversible du pyruvate en lactate, un processus longtemps considéré comme un simple "déchet" métabolique. Cependant, les recherches récentes ont révélé le rôle essentiel du lactate en tant que substrat énergétique, molécule de signalisation et acteur clé dans le métabolisme cellulaire.
La Réaction de Pyruvate Lactate Oxydoréduction : Un Aperçu
Définition biochimique
La réaction de pyruvate lactate oxydoréduction est catalysée par la lactate déshydrogénase (LDH), une enzyme présente dans presque toutes les cellules vivantes. Elle catalyse la réaction réversible entre le pyruvate et le lactate, en utilisant le NAD comme coenzyme. Plus précisément, la LDH réduit l’acide pyruvique (CH3-CO-COOH) en acide (S)-lactique (CH3-CHOH-COOH). L'équation générale de la réaction est la suivante :
Pyruvate + NADH + H+ ⇌ Lactate + NAD+Cette réaction est essentielle pour la régénération du NAD+ nécessaire à la poursuite de la glycolyse, en particulier dans des conditions où l'apport d'oxygène est limité ou lorsque la demande énergétique est élevée.
Localisation cellulaire
Cette réaction se produit principalement dans le cytoplasme cellulaire. Elle est particulièrement active dans les tissus tels que le muscle, le cerveau, les érythrocytes (globules rouges), l'intestin et la peau, surtout dans des conditions anaérobies.
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Le Lactate : Bien Plus Qu'un Déchet Métabolique
Production de lactate et glycolyse
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, Robergs et al. ont mis en évidence que la production de lactate par le muscle au cours de l’effort était non seulement nécessaire pour le fonctionnement de la glycolyse mais aussi que cette production permettait de retarder la survenue de l’acidose.
La dégradation du glucose (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.
Le lactate comme substrat énergétique
Contrairement à l'idée reçue selon laquelle le lactate est un simple déchet, il constitue une source d'énergie importante pour divers tissus. L'oxydation d'une molécule de lactate permet la production de dix-huit molécules d'ATP, soit la moitié de la quantité produite par l'oxydation d'une molécule de glucose.
Un muscle en activité libère du lactate dans le sang et, si la contraction se poursuit, il finit par recapter du lactate pour l’utiliser comme substrat énergétique. Ainsi, dans les années 1990, G. Brooks a mis en évidence le concept de "navette du lactate", où le lactate est transporté vers d'autres cellules ou tissus pour être oxydé et produire de l'énergie.
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).
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Comme ce sont des symports lactate/protons, ces transporteurs jouent un rôle majeur dans la régulation du pH intracellulaire et la coordination du métabolisme. Au niveau du muscle squelettique, on trouve deux principales isoformes MCT1 et MCT4 qui présentent des caractéristiques bien distinctes. Il existe de nombreuses situations où la quantité de ces transporteurs peut varier, mais le principal facteur de variation est l’activité musculaire. Ainsi, l’entraînement en endurance augmente l’expression de ces isoformes au niveau des muscles squelettiques, mais surtout l’isoforme MCT1. Ces variations d’expression de MCTs ont des répercussions sur la cinétique du lactate au niveau du corps entier et sur la vitesse d’élimination du lactate au décours d’un exercice exhaustif.
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 ».
Implications Physiologiques et Pathologiques
Exercice physique
L’augmentation de la concentration sanguine en lactate avec l’intensité de l’exercice est due à une accélération de la glycolyse, à l’incapacité de l’organisme à absorber cet excès de lactate et au recrutement progressif des fibres les plus glycolytiques. L’accélération de la glycolyse va toujours aboutir à une production accrue de lactate puisque l’activité de la LDH est beaucoup plus rapide que celle des enzymes de la voie oxydative.
Même si le lactate peut être considéré comme un substrat particulièrement utile pour le muscle en activité, il convient tout de même de considérer que certaines expérimentations suggèrent que l’accumulation du lactate pourrait perturber la contraction musculaire et cela indépendamment de la baisse du pH. En effet, Hogan et al. ont montré que le lactate pouvait réduire la force musculaire développée par contraction musculaire indépendamment de la baisse du pH. Ces auteurs avaient alors suggéré que la baisse de la force musculaire était probablement liée à une altération du couplage excitation-contraction dans le muscle.
Ainsi, l’augmentation de la concentration de lactate dans le sang, généralement observée vers une intensité de l’ordre de 50 % de la puissance maximale au cours d’un exercice à charge progressivement croissante, a souvent été interprétée à tort comme étant le témoin de la mise en jeu des mécanismes énergétiques anaérobies et a conduit à la notion très répandue de « seuil an-aérobie ». Une deuxième notion très répandue et tout aussi erronée est que les sportifs produisent moins de lactate au cours de l’exercice que des sujets sédentaires.
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Acidose lactique
Comme la concentration de lactate musculaire augmente et que de façon concomitante le pH s’abaisse, cette augmentation a longtemps été considérée comme étant la cause de la survenue de l’acidose musculaire. Or, la production de lactate, même si elle est concomitante de l’acidose, n’en est pas la cause puisqu’elle consomme des ions H+.
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.
Métabolisme cardiaque
Le myocarde est, à l'état normal, un organe presque exclusivement aérobie. Il peut utiliser le lactate, ce que ne peut pas faire le muscle d'origine squelettique, parce que le cœur possède une isoforme de la lactate déshydrogénase qui catalyse dans la première étape de la glycolyse la réaction lactate ⇌ pyruvate, dans le sens pyruvate → lactate.
Applications cliniques
Le dosage sanguin du lactate est indiqué dans l'exploration de troubles du métabolisme dans les situations d'hypoxie tissulaire (état de choc, sepsis, intoxications). On parle d'hyperlactatémie lorsque la concentration plasmatique de lactate est supérieure à 2 mmol/l. 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 aspects de la réaction
Effet du pH sur l'équilibre
Si le pH croît, la concentration en ion H+aq diminue. L'équilibre est déplacé dans le sens indirect, formation d'ion oxonium. ( loi de modération ).
Mesure du lactate
La concentration en lactate dans le sang, peut se faire en utilisant une technique enzymatique. Il est possible de déterminer la concentration en NADH à partir de la loi de Beer- Lambert. I = I0 .
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