Le métabolisme des substrats

3.2 Le métabolisme des substrats

3.2.1 Le métabolisme du glucose

Les cellules immortalisées et cultivées in vitro présentent la caractéristique com-mune d’un métabolisme du glucose très actif mais cependant très peu efficace. La métabolisation de ce substrat entraîne la formation d’un métabolite secondaire po-tentiellement inhibiteur de la croissance cellulaire, le lactate. Pour ces raisons, le métabolisme du glucose à donc été largement étudié dans le cas des cellules ani-males.

Le glucose est le principal nutriment consommé par les cellules animales. Compte tenu de sa structure, il ne peut pas diffuser seul à travers la membrane cytoplasmique et nécessite l’aide de transporteurs spécialisés pour la franchir¹; cette étape de trans-port est relativement rapide.

Une fois incorporé dans le cytoplasme, le glucose s’intègre dans deux voies méta-boliques principales : la glycolyse et le cycle des pentoses phosphates [?], [?].

La voie majoritaire est celle de la glycolyse qui convertit le glucose en pyruvate en générant de nombreux intermédiaires de biosynthèse, 2 ATP et 2 NADH. Le pyruvate est ensuite intégré dans le métabolisme énergétique de la cellule via le cycle TCA. Tout le pyruvate provenant du glucose n’est pas assimilé pour autant dans le cycle TCA, une partie sera en effet dégradée ; c’est de cette dégradation que résulte le lactate [?]. Les proportions rentrant en jeu dans chacun de ces cycles sont fortement liées aux concentrations en glucose dans le milieu. Ainsi, pour de fortes concentrations, on note une augmentation de la proportion de glucose dégradé en lactate et inversement.

Pour la majorité des lignées cellulaires continues, le métabolisme carboné central présente une forte dérégulation. En effet, si l’on expose la cellule à de fortes concen-trations en glucose, la majorité du pyruvate formé sera métabolisée en lactate, de

1. Les mécanismes de transport sont au nombre de deux : un transport actif par des protéines de transport actif (SLGT-1 et SLGT-2), un transport passif par l’intermédiaires d’hexokinases membranaires (famille SLC-2 : Glut 1, glut 2, . . .)

3.2. Le métabolisme des substrats

Figure 3.4 – Le mécanisme de la glycolyse dans les cellules animales

manière à régénérer le co-facteur NADH (figure 3.5), alors qu’une faible partie entrera dans le TCA, voie métabolique impliquée dans la production d’énergie cellulaire. Ce mécanisme constaté est fortement délétère pour la cellule pour une double raison :

– il produit une espèce potentiellement inhibitrice de la croissance, le lactate ; – la voie métabolique privilégiée ne produit que 2 ATP, contre 36 ATP pour le

cycle de Krebs.

Le métabolisme cellulaire carboné semble être plus efficace et mieux adapté à des concentrations en glucose faibles, contrôlées par exemple pour une alimentation progressive.

3. Quelques notions sur le métabolisme des cellules animales

3.2. Le métabolisme des substrats

Figure3.5 – Place du co-facteur NAD⁺dans la métabolisation du glucose en lactate [?]

La voie des pentoses phosphates, plus minoritaire, permet quant à elle la régéné-ration du NADPH.

3.2.2 Le métabolisme de la glutamine

La glutamine est décrite dans la littérature comme étant le second substrat ma-jeur des milieux de culture. De part son rôle prépondérant dans le métabolisme carboné central des cellules, ce second substrat a été largement étudié ces dernières décennies.

Contrairement au glucose, la glutamine ne possède pas de systèmes de transport qui lui soit propres et pénètre la cellule de manière non-spécifique, notamment à l’aide de systèmes de transport peptidiques. Une fois à l’intérieur de la cellule, la glutamine subit la glutaminolyse et participe à la formation de glutamate et d’aspartate [?].

La glutamine joue donc un double rôle au sein de la cellule [?] :

– elle sert de précurseur à la synthèse de molécules indispensables telles que les bases azotées (purines, pyrimidines) et de certains acides aminés par transami-nation (proline, ornithine,...).

– elle assure aussi un rôle important dans l’approvisionnement énergétique de la cellule à travers le cycle TCA. Via la synthèse de glutamate par désamination (formation d’une molécule de NH⁺₄), la glutamine entre dans le cycle TCA au niveau de l’α-cétoglutarate (αKG). Elle entretient alors le cycle TCA et

3.2. Le métabolisme des substrats

Figure 3.6 – Métabolisme de la glutamine (glutaminolyse)

permet la formation de molécules centrales telles que le malate, l’oxaloacétate, l’acétyl-coenzyme A, . . .[?]. Le glutamate étant une des espèces principales approvisionnant le cycle TCA, le métabolisme de la glutamine et celui du glucose sont donc interdépendants (figure 3.7).

Bien que le glucose constitue le principal flux de carbone vers la cellule, il semble que ce dernier, une fois entré dans le cycle TCA, soit majoritairement exporté de la mitochondrie avec pour finalité la synthèse lipidique. Il est donc nécessaire de disposer d’un apport de carbone supplémentaire tel que la glutamine pour produire les différents intermédiaires du cycle TCA.

La métabolisation de la glutamine met en jeu un grand nombre de voies métabo-liques et d’intermédiaires différents. Ces voies métabométabo-liques sont à la fois mitochon-driales et cytosoliques et peuvent interagir les unes avec les autres. La glutaminolyse est donc un phénomène particulièrement complexe qui, en contrepartie, manifeste une grande souplesse et une grande capacité d’adaptation aux conditions de culture. De la même façon que le glucose, la glutamine est généralement consommée très rapidement ; cette consommation excessive traduit une certaine dérégulation de la

3. Quelques notions sur le métabolisme des cellules animales

3.2. Le métabolisme des substrats

Figure 3.7 – Interdépendance du métabolisme du glucose et de la glutamine [?]

cellule. Ceci s’explique par le fort excès de nutriments présents dans les milieux de culture classiques. Tout comme le glucose, elle est aussi, en partie, responsable de l’apparition d’une espèce délétère pour la cellule, puisqu’elle est la principale source de production d’ions ammonium. La littérature montre que dans des milieux de culture faiblement concentrés en glutamine, la vitesse de consommation en glutamine est réduite sans pour autant modifier la croissance cellulaire. Cette dérégulation est généralement accompagnée par l’accumulation importante d’ions ammonium dans le milieu de culture.

3.2.3 Le métabolisme des acides aminés

A l’inverse des procaryotes, les cellules animales ne peuvent synthétiser toutes les branches carbonées ou cycles constitutifs des acides aminés. Certains acides aminés devront donc être présents nécessairement dans le milieu de culture pour permettre