Les voies métaboliques doivent être considérées comme poreuses, c'est-à-dire que les substances entrent par d'autres voies, et que les intermédiaires partent vers d'autres voies. Ces voies ne sont pas des systèmes fermés. De nombreux substrats, intermédiaires et produits d'une voie particulière sont des réactifs dans d'autres voies.

Liens entre les autres sucres et le métabolisme du glucose

Le glycogène, un polymère du glucose, est une molécule de stockage d'énergie chez les animaux. Lorsqu'il y a suffisamment d'ATP, l'excès de glucose est transformé en glycogène pour le stockage. Le glycogène est fabriqué et stocké dans le foie et les muscles. Le glycogène sera hydrolysé en monomères de glucose 1-phosphate (G-1-P) si le taux de sucre dans le sang baisse. La présence de glycogène comme source de glucose permet de produire de l'ATP pendant une plus longue période au cours de l'exercice. Le glycogène est décomposé en G-1-P et converti en G-6-P dans les cellules musculaires et hépatiques, et ce produit entre dans la voie glycolytique.

Le saccharose est un disaccharide composé d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose liées par une liaison glycosidique. Le fructose est l'un des trois monosaccharides alimentaires, avec le glucose et le galactose (qui fait partie du sucre du lait, le lactose disaccharide), qui sont absorbés directement dans la circulation sanguine pendant la digestion. Le catabolisme du fructose et du galactose produit le même nombre de molécules d'ATP que le glucose.

Connexions des protéines au métabolisme du glucose

Les protéines sont hydrolysées par une variété d'enzymes dans les cellules. La plupart du temps, les acides aminés sont recyclés dans la synthèse de nouvelles protéines. Cependant, s'il y a un excès d'acides aminés ou si l'organisme est en état de famine, certains acides aminés seront déviés vers les voies du catabolisme du glucose. Chaque acide aminé doit être débarrassé de son groupe amino avant d'entrer dans ces voies. Le groupe amino est converti en ammoniac. Chez les mammifères, le foie synthétise l'urée à partir de deux molécules d'ammoniac et d'une molécule de dioxyde de carbone. Ainsi, l'urée est le principal déchet des mammifères, produit à partir de l'azote provenant des acides aminés, et elle quitte le corps dans l'urine.

Les squelettes carbonés de certains acides aminés (indiqués dans les encadrés) dérivés de protéines peuvent alimenter le cycle de l'acide citrique. (crédit : modification du travail de Mikael Häggström)

Liens entre les métabolismes des lipides et du glucose

Les lipides qui sont reliés aux voies du glucose sont le cholestérol et les triglycérides. Le cholestérol est un lipide qui contribue à la souplesse de la membrane cellulaire et est un précurseur des hormones stéroïdiennes. La synthèse du cholestérol commence avec les groupes acétyle et ne se fait que dans un sens. Le processus ne peut être inversé.

Les triglycérides sont une forme de stockage d'énergie à long terme chez les animaux. Les triglycérides sont composés de glycérol et de trois acides gras. Les animaux peuvent fabriquer la plupart des acides gras dont ils ont besoin. Les triglycérides peuvent être à la fois fabriqués et décomposés par certaines parties des voies de catabolisme du glucose. Le glycérol peut être phosphorylé en glycérol-3-phosphate, qui se poursuit par la glycolyse. Les acides gras sont catabolisés dans un processus appelé bêta-oxydation qui a lieu dans la matrice des mitochondries et convertit leurs chaînes d'acides gras en deux unités de carbone des groupes acétyle. Les groupes acétyle sont captés par la CoA pour former la CoA acétyle qui passe dans le cycle de l'acide citrique.

Le glycogène du foie et des muscles, hydrolysé en glucose-1-phosphate, ainsi que les graisses et les protéines, peuvent alimenter les voies cataboliques des hydrates de carbone.

Voies de la photosynthèse et du métabolisme cellulaire

Les processus de la photosynthèse et du métabolisme cellulaire sont constitués de plusieurs voies très complexes. On pense généralement que les premières cellules sont apparues dans un environnement aqueux - une "soupe" de nutriments - probablement à la surface de certaines argiles poreuses. Si ces cellules se reproduisaient avec succès et si leur nombre augmentait régulièrement, il s'ensuivrait que les cellules commenceraient à épuiser les nutriments du milieu dans lequel elles vivent en les transférant dans les composants de leur propre corps. Cette situation hypothétique aurait entraîné une sélection naturelle favorisant les organismes qui pourraient exister en utilisant les nutriments restés dans leur environnement et en manipulant ces nutriments en matériaux sur lesquels ils pourraient survivre. La sélection favoriserait les organismes capables d'extraire la valeur maximale des nutriments auxquels ils ont accès.

Une première forme de photosynthèse s'est développée qui exploitait l'énergie du soleil en utilisant l'eau comme source d'atomes d'hydrogène, mais cette voie ne produisait pas d'oxygène libre (photosynthèse anoxygénée). (La photosynthèse précoce ne produisait pas d'oxygène libre car elle n'utilisait pas l'eau comme source d'ions hydrogène ; elle utilisait plutôt des matériaux comme le sulfure d'hydrogène et produisait donc du soufre). On pense que la glycolyse s'est développée à cette époque et pouvait tirer parti des sucres simples produits, mais ces réactions n'ont pas permis d'extraire complètement l'énergie stockée dans les glucides. Le développement de la glycolyse est probablement antérieur à l'évolution de la photosynthèse, car elle était bien adaptée pour extraire l'énergie des matériaux s'accumulant spontanément dans la "soupe primitive". Une forme ultérieure de photosynthèse a utilisé l'eau comme source d'électrons et d'hydrogène, et a généré de l'oxygène libre. Avec le temps, l'atmosphère s'est oxygénée, mais pas avant que l'oxygène ne libère des métaux oxydés dans l'océan et ne crée une couche de "rouille" dans les sédiments, permettant de dater la montée des premiers photosynthétiseurs oxygénés. Les êtres vivants se sont adaptés pour exploiter cette nouvelle atmosphère qui a permis à la respiration aérobie telle que nous la connaissons d'évoluer. Lorsque le processus complet de photosynthèse oxygénique s'est développé et que l'atmosphère s'est oxygénée, les cellules ont enfin pu utiliser l'oxygène expulsé par la photosynthèse pour extraire beaucoup plus d'énergie des molécules de sucre en utilisant le cycle de l'acide citrique et la phosphorylation oxydative.

D'après Connections of Carbohydrate, Protein, and Lipid Metabolic Pathways