NAD⁺ et flexibilité métabolique : combustion du glucose et des graisses
Introduction
Le corps humain utilise constamment de l’énergie. Même au repos, des processus nécessitant de l’énergie sont actifs, notamment la respiration, la circulation sanguine, l’activité cérébrale, la régulation de la température et l’entretien des cellules.
Les besoins énergétiques changent toutefois constamment. Après un repas, d’autres sources d’énergie sont disponibles que pendant le jeûne. Lors d’un effort intense, les muscles utilisent d’autres voies métaboliques que pendant un effort prolongé de faible intensité.
La capacité à passer efficacement d’une source d’énergie à l’autre est appelée flexibilité métabolique.
Une molécule importante dans ces processus est le nicotinamide-adénine-dinucléotide, plus connu sous le nom de NAD⁺.
Le NAD⁺ favorise le transfert d’électrons lors de la dégradation du glucose, des acides gras et des acides aminés. Il joue ainsi un rôle central dans la production d’énergie cellulaire.
Les chercheurs étudient le lien entre le métabolisme du NAD⁺ et :
-
fonction mitochondriale ;
-
l’oxydation du glucose ;
-
oxydation des acides gras ;
-
sensibilité à l’insuline ;
-
l’activité physique ;
-
l’adaptation métabolique.
Dans cet article, nous expliquons ce qu’est la flexibilité métabolique, comment les cellules passent d’une source d’énergie à l’autre et quel rôle joue le NAD⁺ dans ce processus.
Qu’est-ce que la flexibilité métabolique ?
La flexibilité métabolique est la capacité des cellules et des tissus à adapter l’utilisation des sources d’énergie aux conditions.
Les principales sources d’énergie sont :
-
le glucose ;
-
les acides gras ;
-
les acides aminés ;
-
les corps cétoniques.
Après un repas riche en glucides, la disponibilité du glucose augmente.
L’insuline, l’hormone, stimule notamment :
-
captation du glucose ;
-
le stockage du glycogène ;
-
l’utilisation du glucose comme source d’énergie ;
-
le stockage de l’énergie excédentaire.
Pendant le jeûne, la disponibilité du glucose diminue.
L’organisme peut alors davantage utiliser :
-
les acides gras stockés ;
-
le glycogène hépatique ;
-
les corps cétoniques ;
-
la néoglucogenèse.
Un système métaboliquement flexible peut passer relativement efficacement d’une situation à l’autre.
Qu’est-ce que l’inflexibilité métabolique ?
L’inflexibilité métabolique signifie que la capacité à adapter l’utilisation de l’énergie est réduite.
Ce phénomène est étudié en lien avec :
-
la résistance à l’insuline ;
-
l’obésité ;
-
le syndrome métabolique ;
-
l’inactivité physique ;
-
les changements mitochondriaux ;
-
les changements métaboliques liés à l’âge.
L’inflexibilité métabolique n’est pas une maladie distincte.
Il s’agit d’un concept physiologique utilisé par les chercheurs pour décrire les changements dans l’utilisation des sources d’énergie.
Une flexibilité réduite peut par exemple signifier que les muscles passent moins efficacement de l’oxydation des acides gras à celle du glucose, et inversement.
Le rôle du NAD⁺ dans le métabolisme énergétique
Le NAD⁺ est une coenzyme présente dans presque toutes les cellules humaines.
Il se présente principalement sous deux formes :
-
NAD⁺ : la forme oxydée ;
-
NADH : la forme réduite.
Lors de la dégradation des nutriments, le NAD⁺ capte des électrons.
Ainsi, le NAD⁺ est converti en NADH.
Le NADH transporte ces électrons vers la chaîne de transport des électrons dans les mitochondries.
L’énergie des électrons est utilisée pour produire de l’ATP.
L’ATP est le principal vecteur d’énergie directement utilisable par la cellule.
Le NAD⁺ constitue ainsi un lien essentiel entre :
nutriments → transfert d’électrons → mitochondries → ATP
NAD⁺ et métabolisme du glucose
Le glucose peut être transformé en énergie par plusieurs étapes.
La première voie importante est la glycolyse.
Au cours de la glycolyse, le glucose est dégradé en pyruvate.
Une partie de ce processus dépend du NAD⁺.
Le NAD⁺ capte des électrons et est converti en NADH.
Lorsque suffisamment d’oxygène et de capacité mitochondriale sont disponibles, le pyruvate peut être converti en acétyl-CoA.
L’acétyl-CoA entre ensuite dans le cycle de l’acide citrique.
Davantage de molécules de NADH sont produites au cours du cycle de l’acide citrique.
Ceux-ci fournissent des électrons à la chaîne mitochondriale de transport des électrons.
Le NAD⁺ soutient ainsi plusieurs étapes de la production d’énergie à partir du glucose.
NAD⁺ et oxydation des acides gras
Les acides gras constituent une source d’énergie importante.
La contribution de l’oxydation des acides gras peut augmenter notamment au repos, à jeun et pendant un effort prolongé.
Les acides gras sont dégradés dans les mitochondries par bêta-oxydation.
Au cours de cette voie, il se forme notamment :
-
acétyl-CoA ;
-
NADH ;
-
FADH₂.
L’acétyl-CoA peut entrer dans le cycle de l’acide citrique.
Le NADH et le FADH₂ fournissent des électrons à la chaîne de transport des électrons.
La disponibilité des cofacteurs oxydés est également importante lors de l’oxydation des acides gras.
Lorsque le NAD⁺ capte des électrons, il se transforme en NADH.
Les mitochondries doivent ensuite réoxyder le NADH en NAD⁺.
Cela permet au cycle métabolique de continuer à fonctionner.
Le rapport NAD⁺/NADH
Le rapport entre NAD⁺ et NADH est appelé rapport rédox cellulaire.
Ce rapport peut influencer :
-
l’activité des enzymes métaboliques ;
-
l’oxydation du glucose ;
-
oxydation des acides gras ;
-
la formation de lactate ;
-
production d’énergie mitochondriale.
Une quantité élevée de NADH signifie que de nombreux électrons sont disponibles.
La chaîne de transport des électrons doit traiter ces électrons.
Lorsque la capacité oxydative est limitée, le rapport entre NAD⁺ et NADH peut changer.
Les cellules disposent de différents mécanismes pour réguler l’équilibre rédox.
Le rapport optimal varie selon :
-
le cytoplasme ;
-
mitochondries ;
-
le type cellulaire ;
-
l’état métabolique.
Les mitochondries et la flexibilité métabolique
Les mitochondries sont essentielles à l’oxydation du glucose et des acides gras.
Un bon fonctionnement mitochondrial favorise la capacité à adapter la production d’énergie.
Les facteurs importants sont :
-
le nombre de mitochondries ;
-
l’activité des enzymes mitochondriales ;
-
l’apport en oxygène ;
-
la capacité de transport des électrons ;
-
la dynamique mitochondriale ;
-
la qualité des mitochondries.
Les mitochondries peuvent s’adapter aux variations des besoins énergétiques.
L’entraînement physique peut par exemple entraîner :
-
une plus grande densité mitochondriale ;
-
une capacité oxydative accrue ;
-
une oxydation améliorée des acides gras ;
-
une utilisation plus efficace de l’énergie.
Ces adaptations sont régulées par plusieurs voies de signalisation.
Les enzymes dépendantes du NAD⁺ peuvent faire partie de ces processus.
NAD⁺ et SIRT1
SIRT1 est une enzyme dépendante du NAD⁺.
Il est étudié en relation avec :
-
adaptation métabolique ;
-
métabolisme du glucose ;
-
métabolisme des acides gras ;
-
biogenèse mitochondriale ;
-
réponse au stress cellulaire.
SIRT1 peut influencer la protéine régulatrice PGC-1α.
PGC-1α joue un rôle important dans la régulation des gènes impliqués dans :
-
mitochondries ;
-
oxydation des acides gras ;
-
métabolisme oxydatif ;
-
adaptation à l’activité physique.
Il existe ainsi une piste de recherche potentielle :
NAD⁺ → SIRT1 → PGC-1α → adaptation métabolique
Cette voie ne constitue qu’un élément d’un réseau de régulation plus vaste.
NAD⁺ et SIRT3
SIRT3 se trouve principalement dans les mitochondries.
L’enzyme peut influencer différentes protéines mitochondriales.
Les processus étudiés sont :
-
oxydation des acides gras ;
-
cycle de l’acide citrique ;
-
transport d’électrons ;
-
réactions antioxydantes ;
-
métabolisme énergétique.
SIRT3 utilise le NAD⁺ lors de réactions enzymatiques.
On cherche ainsi à déterminer si des changements de la disponibilité mitochondriale du NAD⁺ peuvent influencer l’activité de certaines enzymes métaboliques.
Les effets biologiques varient probablement selon le tissu et l’état métabolique.
AMPK et adaptation métabolique
AMPK signifie protéine kinase activée par l’AMP.
L’AMPK est parfois décrite comme un capteur d’énergie cellulaire.
Lorsque l’énergie disponible diminue, l’AMPK peut être activée.
L’AMPK peut stimuler des processus qui rendent l’énergie disponible.
Exemples :
-
captation du glucose ;
-
oxydation des acides gras ;
-
adaptation mitochondriale.
Parallèlement, certains processus consommateurs d’énergie peuvent être temporairement réduits.
L’AMPK et les voies dépendantes du NAD⁺ peuvent s’influencer mutuellement.
Ces interactions sont étudiées dans le domaine de la biologie métabolique.
L’insuline et le passage d’un carburant à l’autre
L’insuline joue un rôle important dans la régulation de l’utilisation de l’énergie.
Après un repas, la glycémie augmente.
Le pancréas peut alors libérer de l’insuline.
L’insuline stimule notamment :
-
captation du glucose par les cellules musculaires et adipeuses ;
-
stockage du glycogène ;
-
stockage des graisses ;
-
inhibition de la dégradation des graisses.
Pendant le jeûne, le taux d’insuline diminue.
Cela peut accroître la disponibilité des acides gras libres.
Un système métabolique sain adapte l’utilisation des carburants à ces changements hormonaux.
En cas de résistance à l’insuline, cette adaptation peut changer.
Flexibilité métabolique des muscles squelettiques
Les muscles squelettiques sont d’importants utilisateurs de glucose et d’acides gras.
Au repos, les muscles utilisent relativement beaucoup d’acides gras.
Lors d’un effort intense, l’utilisation des glucides augmente.
Le choix du carburant est influencé par :
-
intensité de l’entraînement ;
-
durée de l’entraînement ;
-
disponibilité de l’oxygène ;
-
état nutritionnel ;
-
réserves de glycogène ;
-
capacité mitochondriale.
Les muscles entraînés ont souvent une capacité mitochondriale supérieure.
Cela leur permet d’utiliser les acides gras plus efficacement à certains niveaux d’effort.
Le NAD⁺ soutient les réactions d’oxydoréduction nécessaires à l’oxydation du glucose comme des acides gras.
Flexibilité métabolique pendant l’activité physique
Pendant l’exercice, les besoins énergétiques peuvent augmenter considérablement.
À faible ou moyenne intensité, une part relativement importante de l’énergie peut provenir de l’oxydation des acides gras.
À intensité élevée, l’utilisation des glucides augmente généralement.
Les glucides peuvent fournir plus rapidement de l’ATP lorsque les besoins énergétiques sont élevés.
L’entraînement peut provoquer différentes adaptations :
-
augmentation du nombre de mitochondries ;
-
utilisation améliorée de l’oxygène ;
-
stockage accru du glycogène ;
-
activité accrue des enzymes oxydatives ;
-
modifications de l’utilisation des substrats énergétiques.
Ces adaptations sont provoquées par un réseau de signaux métaboliques.
Le NAD⁺ est ici un cofacteur biochimique nécessaire, mais pas le seul régulateur.
Flexibilité métabolique pendant le jeûne
Pendant le jeûne, la disponibilité des sources d’énergie change.
Les réserves de glycogène hépatique diminuent progressivement.
La dégradation des graisses stockées peut augmenter.
Les acides gras deviennent disponibles pour différents tissus.
Dans certaines conditions, le foie peut produire des corps cétoniques.
Le NAD⁺ et le NADH interviennent dans plusieurs réactions métaboliques au cours de ces changements.
La réponse au jeûne varie selon les personnes.
Facteurs :
-
durée du jeûne ;
-
âge ;
-
masse musculaire ;
-
santé métabolique ;
-
activité physique ;
-
prise de médicaments.
Le jeûne prolongé ne convient pas à tout le monde et peut présenter des risques médicaux.
Le NAD⁺ et les changements métaboliques liés à l’âge
Avec le vieillissement, des changements peuvent survenir au niveau de :
-
masse musculaire ;
-
fonction mitochondriale ;
-
sensibilité à l’insuline ;
-
activité physique ;
-
répartition des graisses ;
-
régulation métabolique.
Les recherches suggèrent que les niveaux de NAD⁺ dans certains tissus peuvent changer avec le vieillissement.
Facteurs possibles :
-
activité accrue des enzymes qui consomment le NAD⁺ ;
-
modifications de la biosynthèse du NAD⁺ ;
-
inflammation chronique de faible intensité ;
-
dommages à l’ADN ;
-
modifications de la fonction mitochondriale.
On ne sait pas encore clairement quelle contribution chaque facteur apporte à la flexibilité métabolique chez l’être humain.
Que montrent les études chez l’être humain ?
Les études chez l’être humain examinent différents précurseurs du NAD⁺.
Exemples :
-
riboside de nicotinamide ;
-
mononucléotide de nicotinamide ;
-
nicotinamide.
Certaines études montrent des modifications des métabolites liés au NAD.
Les effets sur la flexibilité métabolique sont moins clairs.
Les paramètres étudiés sont les suivants :
-
sensibilité à l’insuline ;
-
métabolisme du glucose ;
-
fonction musculaire ;
-
dépense énergétique ;
-
oxydation des acides gras.
Les résultats varient selon les études.
Des études de plus grande ampleur et de plus longue durée sont nécessaires.
Un niveau plus élevé de NAD⁺ peut-il restaurer la flexibilité métabolique ?
Cela n’a pas encore été établi.
La flexibilité métabolique est influencée par de nombreux facteurs.
Exemples :
-
capacité mitochondriale ;
-
masse musculaire ;
-
activité physique ;
-
sensibilité à l’insuline ;
-
sommeil ;
-
alimentation ;
-
âge ;
-
régulation hormonale.
Le NAD⁺ est essentiel au métabolisme énergétique, mais ne constitue qu’un élément de cet ensemble complexe.
Une modification des biomarqueurs liés au NAD⁺ ne signifie pas automatiquement que le métabolisme global s’améliore.
Mode de vie et flexibilité métabolique
La pratique régulière d’une activité physique est un facteur important de l’adaptation métabolique.
Les stratégies étudiées sont les suivantes :
-
entraînement d’endurance ;
-
entraînement de force ;
-
entraînement fractionné ;
-
activité physique quotidienne.
L’entraînement peut influencer :
-
masse musculaire ;
-
capacité mitochondriale ;
-
captation du glucose ;
-
oxydation des acides gras ;
-
sensibilité à l’insuline.
Le sommeil, l’alimentation et l’équilibre énergétique peuvent également influencer la santé métabolique.
Aucune molécule ne remplace cette combinaison de facteurs.
Limites des recherches actuelles
De nombreuses connaissances mécanistiques proviennent de :
-
recherches cellulaires ;
-
modèles animaux ;
-
études biochimiques.
Ces modèles sont précieux, mais ne peuvent pas être directement transposés à des effets cliniques chez l’être humain.
De plus, le métabolisme du NAD⁺ varie selon les tissus.
Une modification des taux sanguins ne correspond pas nécessairement à des changements au niveau des :
-
tissu musculaire ;
-
foie ;
-
cœur ;
-
cerveau.
Les données à long terme restent limitées.
Sécurité et état de la recherche
Les composés liés au NAD⁺ sont étudiés dans le cadre de la recherche métabolique.
Les effets biologiques peuvent dépendre des facteurs suivants :
-
composé utilisé ;
-
concentration ;
-
durée de l’étude ;
-
mode d’administration ;
-
âge ;
-
état de santé ;
-
prise de médicaments.
Les produits destinés à la recherche ne sont pas conçus pour remplacer un diagnostic ou un traitement médical.
Les personnes atteintes de troubles métaboliques ou prenant des médicaments doivent discuter de toute décision concernant leur santé avec un médecin habilité.
Conclusion
La flexibilité métabolique décrit la capacité des cellules et des tissus à passer efficacement d’une source d’énergie à une autre.
Le glucose et les acides gras sont décomposés par différentes voies métaboliques.
Le NAD⁺ joue ici un rôle central en tant que transporteur d’électrons.
Il soutient :
-
glycolyse ;
-
cycle de l’acide citrique ;
-
oxydation des acides gras ;
-
production d’énergie mitochondriale.
De plus, les sirtuines utilisent le NAD⁺ pour des réactions enzymatiques étudiées en lien avec l’adaptation métabolique.
Bien que le NAD⁺ soit essentiel sur le plan biologique, la flexibilité métabolique est déterminée par un vaste réseau de mitochondries, d’hormones, d’enzymes et de facteurs liés au mode de vie.
Des recherches supplémentaires chez l’être humain sont nécessaires pour déterminer dans quelle mesure les changements du métabolisme du NAD⁺ influencent la flexibilité métabolique.
Résumé
NAD⁺ :
-
soutient le métabolisme du glucose ;
-
joue un rôle dans l’oxydation des acides gras ;
-
transporte des électrons pendant la production d’énergie ;
-
est lié à l’équilibre rédox NAD⁺/NADH ;
-
soutient la production mitochondriale d’ATP ;
-
est utilisé par SIRT1 et SIRT3 ;
-
est étudié en lien avec la flexibilité métabolique ;
-
constitue un élément d’un vaste réseau métabolique.
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