Fiche explicative de la leçon: Contrôle de la glycémie Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire le contrôle de la glycémie par l’insuline et le glucagon comme exemple de rétroaction négative.

Le glucose est une molécule vitale pour de nombreux organismes vivants. La production d’énergie dans nos cellules au cours du processus de respiration cellulaire dépend presque exclusivement d’elles chez les humains comme vous et moi. Souvenez-vous que la respiration cellulaire est le processus par lequel des composés contenant du carbone, tels que le glucose, sont décomposés pour produire de l’énergie sous forme d’ATP. Cet ATP peut ensuite être utilisé pour d’autres processus vitaux, tels que le mouvement et la croissance. Nous obtenons du glucose à partir des glucides que nous mangeons dans nos aliments.

Les glucides sont des molécules constituées uniquement des éléments suivants : carbone, hydrogène et oxygène. Le glucose est une forme très simple de glucide, composé d’un seul cycle de 6 atomes de carbone. Il peut exister sous deux formes différentes, le glucose alpha et bêta, comme vous pouvez le voir sur la figure 1 ci-dessous.

Les numéros orange représentent les atomes de carbone, de sorte que le carbone , le premier en partant de l’oxygène dans le sens des aiguilles d'une montre, est annoté par 1 et est parfois appelé carbone anomérique. Vous pouvez voir que la différence dans leur structure est que les groupes et sur le carbone sont inversés dans le bêta-glucose. Si le groupe sur le carbone anomérique est en dessous du cycle carboné, la molécule est le glucose alpha (à gauche), et si elle est au-dessus du cycle, la molécule est le glucose bêta (à droite).

Comme il est constitué d’un seul cycle, le glucose est un exemple de monosaccharide. « Mono » signifie « un seul », et « saccharide » signifie « sucre », ce qui veut dire que tous les glucides sont des sucres. « Poly » signifie « plusieurs », donc un polysaccharide a plusieurs cycles de molécules de carbone réunis. Les polysaccharides sont utiles en tant que molécules de réserve car elles sont grandes et la plupart sont insolubles. Dans les cellules animales, la molécule de réserve polysaccharide est appelée glycogène.

Voyons comment les différentes cellules corporelles accèdent et utilisent le glucose pour la respiration ou le stockage sous forme de glycogène.

Le glucose est ingéré et digéré à partir de gros glucides, tels que l’amidon, dans les aliments. Le glucose est absorbé par les cellules qui forment la paroi de l’intestin grêle. Le glucose pénètre ensuite dans les villosités intestinales où il peut diffuser dans les capillaires environnants. Les capillaires sont des vaisseaux sanguins, dans lesquels le glucose se dissout dans la partie aqueuse du liquide plasmatique sanguin pour entrer dans la circulation sanguine.

Le sang agit comme un moyen de transport qui distribue le glucose à travers le corps vers les différentes cellules qui en ont besoin. Lorsqu’il atteint un tissu cible, le glucose traverse la paroi du capillaire et pénètre dans les cellules corporelles.

Il existe de nombreux systèmes de contrôle dans le corps humain qui maintiennent les conditions idéales à notre survie. Par exemple, la température et le pH sont étroitement contrôlés pour permettre aux enzymes de fonctionner à une vitesse optimale. Le processus de maintien d’un milieu interne constant est appelé homéostasie.

La concentration de glucose sanguin doit également être maintenue à un niveau relativement constant, entre 80–100 mg de glucose par 100 cm³ de sang d’une personne à jeun.

Regardons comment le corps maintient une glycémie constante.

Vous avez certainement déjà appris que l’organisme peut répondre aux changements de l’environnement externe, mais saviez-vous que votre corps peut également répondre à son environnement interne ? Un changement dans l’environnement interne ou externe influençant l’activité d’un organisme est appelé un stimulus (au pluriel : stimuli).

De la même façon que les récepteurs détectent des stimuli externes, comme une forte augmentation de la température, les cellules peuvent également détecter des stimuli internes, comme une augmentation de la glycémie après un repas copieux, ou après un encas à base d'aliments et de boissons riches en glucides tels que le pain, les bonbons ou les boissons énergisantes.

Les variations de la glycémie sont principalement détectées par les cellules du pancréas. Vous pouvez voir l’emplacement du pancréas dans le corps humain sur la figure 2 ci-dessus. Les cellules pancréatiques répondent en libérant des hormones qui ramènent la concentration de glucose sanguin à un niveau normal.

Dans le cas d’une augmentation de la glycémie, ce stimulus est détecté par les cellules du pancréas. Ces cellules pancréatiques sont alors incitées à libérer de l’insuline dans le sang. L’insuline est une hormone qui se lie aux récepteurs de diverses cellules corporelles. Grâce à un certain nombre de mécanismes, le taux de glucose sanguin revient à un niveau normal.

Regardons quelques-uns des mécanismes par lesquels l’insuline diminue la concentration sanguine du glucose.

La plupart des cellules corporelles humaines ont des récepteurs de l’insuline à la surface de leur membrane cellulaire. Lorsque l'insuline se lie à ces récepteurs, elle apporte davantage de glucose et d'autres monosaccharides (à l'exception du fructose) depuis le sang vers les cellules de l'organisme. Les cellules corporelles peuvent soit stocker ce glucose, soit le métaboliser lors de la respiration cellulaire pour produire de l’énergie. Cela diminue la concentration de glucose circulant dans le sang.

Une concentration plus élevée de glucose dans les cellules permet une augmentation du taux de respiration. Le glucose est un réactif de la respiration cellulaire, donc plus l'apport en glucose est élevé, plus la respiration est importante. L'augmentation du taux de respiration cellulaire accroît les besoins des cellules en glucose et maintient un gradient de concentration élevé, de sorte qu'une quantité encore plus importante de glucose sera absorbée du sang.

Certaines cellules, comme celles du foie et des muscles, convertiront le glucose en glycogène pour le stocker. La figure 2 illustre la position du foie dans le système digestif. C’est un exemple de réaction anabolique, puisque des monomères de glucose sont assemblés en un grand polymère de glycogène, peu soluble. Ce processus nécessite un apport d’énergie.

L'insuline incite également d'autres cellules, telles que les cellules adipeuses, aussi appelées cellules de graisse, à transformer le glucose en lipides pour les stocker. C’est aussi un processus anabolique global qui aide à maintenir un gradient de concentration en glucose élevé entre le sang et les cellules corporelles. Le schéma de la figure 3 ci-dessous résume la manière dont l'insuline sécrétée par le pancréas fait réagir différents organes lorsque la glycémie augmente.

Exemple 2: Identifier les principaux organes impliqués dans le contrôle de la glycémie

Le schéma montre les principaux organes impliqués dans la digestion au sein du corps humain.

1. À l’aide du schéma, donnez la lettre et le nom de l’organe qui libère les principales hormones impliquées dans la régulation de la glycémie.
2. À l’aide du schéma, donnez la lettre et le nom de l’organe qui stocke le glucose sous forme de glycogène.

Réponse

Partie 1

Les variations de la glycémie sont détectées par les cellules du pancréas. Le pancréas est un organe allongé qui se trouve dans l’abdomen juste derrière l’estomac. Les cellules pancréatiques répondent en libérant des hormones qui ramènent la concentration de glucose sanguin à un niveau normal.

Dans le cas d’une augmentation de la glycémie, ce stimulus est détecté par les cellules pancréatiques. Cela conduit ces cellules pancréatiques à libérer de l’insuline dans le sang. L’insuline est une hormone qui se lie aux récepteurs de diverses cellules corporelles. Grâce à un certain nombre de mécanismes, la glycémie revient au niveau normal.

Par conséquent, l’organe qui libère les principales hormones impliquées dans la régulation de la glycémie est B, le pancréas.

Partie 2

Le mécanisme qui fait descendre la glycémie agit en convertissant le glucose en glycogène pour le stocker dans les cellules. C’est ce que font certaines cellules comme celles du foie et des muscles. Dans d’autres cellules, le glucose est transformé en graisses pour y être stocké, ce qui maintient également un gradient de concentration élevé entre le sang et les cellules corporelles. Le foie est un organe volumineux à deux lobes qui se trouve devant l’estomac et dans l’abdomen.

D’après ces informations, nous pouvons légender ci-dessous les différents organes du système digestif dans le schéma qui nous est donné.

Par conséquent, l’organe qui stocke le glucose sous forme de glycogène est A, le foie.

L'insuline qui circule dans l'organisme est continuellement dégradée, principalement par les reins et le foie, donc tant que la glycémie est supérieure au seuil normal, l'insuline continue d'être libérée. Si l'insuline n'était pas dégradée, le taux de glucose continuerait à chuter dangereusement, même après que la glycémie soit redescendue dans la fourchette normale et appropriée. Les cellules du pancréas détectent le moment où la concentration sanguine de glucose est revenue à un niveau normal. Elles réduisent alors le volume d'insuline qu'elles sécrètent afin que la concentration sanguine de glucose ne tombe pas trop bas.

L'insuline inhibe également, ce qui signifie « empêche » ou « arrête », la libération d'une hormone appelée glucagon par le pancréas.

Comme chacune de ces hormones affecte l'action de l'autre et agit par des mécanismes opposés pour provoquer des effets contraires, elles sont parfois appelées « hormones antagonistes ». Elles ont toutes deux pour fonction, dans l’organisme, de ramener le glucose sanguin à une concentration normale en inversant toute augmentation ou diminution extrême de la glycémie.

Voyons pourquoi l’insuline doit inhiber la libération de glucagon lorsque le taux de sucre sanguin est élevé, en étudiant les effets du glucagon sur la concentration sanguine de glucose.

Une glycémie faible, par exemple après un exercice physique, représente un stimulus qui est détecté par les cellules pancréatiques. Les cellules du pancréas libèrent alors du glucagon directement dans le sang. Le glucagon se lie aux récepteurs présents à la surface de la membrane cellulaire, comme sur les cellules hépatiques et les cellules adipeuses ou graisseuses.

L'activation de ces récepteurs par le glucagon déclenche la décomposition du glycogène en glucose stocké par les cellules hépatiques. C’est un processus catabolique, puisqu’un grand polymère est décomposé en ses sous-unités, produisant de l’énergie. Le foie réagit également en transformant les acides aminés et le glycérol en glucose. Le glucose est alors libéré des cellules hépatiques vers le sang, ce qui augmente directement la glycémie.

Le glucagon réduit également la quantité de glucose qui sera absorbée par les cellules hépatiques. Le glucagon réduit le taux de respiration cellulaire en inhibant la glycolyse, de sorte que moins de glucose est métabolisé pour produire de l'énergie et, par conséquent, moins de glucose est absorbé du sang par les cellules. Cela augmente indirectement la glycémie et signifie que davantage de glucose circule dans le sang.

Lorsque la concentration de glucose sanguin approche un niveau normal, les cellules pancréatiques réduisent leur sécrétion de glucagon. Le schéma de la figure 4 ci-dessous résume la manière dont le glucagon sécrété par le pancréas fait réagir différents organes lorsque le taux de glucose sanguin diminue.

Vous pouvez voir sur la figure 4 que le glucagon peut diminuer la respiration cellulaire en inhibant la glycolyse pour augmenter la glycémie. Le glucagon peut également conduire les cellules hépatiques à décomposer davantage leur réserve de glycogène en glucose et à convertir les acides aminés et le glycérol en glucose.

Il est intéressant de noter qu’une autre hormone appelée adrénaline (épinéphrine) libérée par les glandes surrénales a également pour fonction d’augmenter la glycémie. Lorsque la glycémie est trop basse, ou dans des situations stressantes et dangereuses où les muscles et d’autres tissus requièrent davantage de glucose, l’adrénaline et le glucagon sont libérés pour rétablir le glucose à une concentration normale.

L’action du glucagon et de l’insuline est un exemple de processus appelé rétroaction négative. La rétroaction négative est un mécanisme qui rétablit un système au niveau optimal après avoir détecté un changement. Le rôle des mécanismes de rétroaction négative dans le contrôle de la concentration du glucose sanguin est illustré sur la figure 5.

La sécrétion de glucagon est un exemple de rétroaction négative, car la diminution de la glycémie est détectée par les cellules pancréatiques qui libèrent du glucagon. Le glucagon augmente la concentration de glucose sanguin au niveau optimal.

La sécrétion d’insuline est un autre exemple de rétroaction négative, car une augmentation de la glycémie est détectée par les cellules pancréatiques qui libèrent de l’insuline. L’insuline diminue la concentration de glucose sanguin au niveau optimal.

Exemple 4: Décrire le processus de contrôle de la glycémie

Le schéma ci-dessous illustre les mécanismes qui contrôlent la glycémie.

1. Quelle est l’hormone représentée par A ? 
2. Quelle est l’hormone représentée par B ? 
3. Quel type de mécanisme rétroactif représente le contrôle de la glycémie ? 

Réponse

Ce schéma nous montre comment les cellules du pancréas réagissent aux variations de la concentration de glucose sanguin en libérant différentes hormones.

Dans la moitié supérieure du graphique, la boucle nous montre ce qui arrive lorsque la glycémie dépasse la normale, et comment une hormone agit pour rétablir le taux de glucose sanguin dans une fourchette normale. La moitié inférieure du graphique nous montre ce qui se passe lorsque la glycémie tombe trop bas, et comment une autre hormone peut inverser ces changements pour que le glucose sanguin revienne à une valeur normale. La question nous demande de déterminer quelles sont ces deux hormones et le type de mécanisme que représente ce contrôle de la glycémie.

Partie 1

L’augmentation de la glycémie est détectée par les cellules pancréatiques qui libèrent de l’insuline. L’insuline agit de plusieurs façons dans les cellules corporelles pour diminuer la concentration sanguine du glucose à un niveau optimal.

Par conséquent, l’hormone représentée par A est l’insuline.

Partie 2

Une diminution de la glycémie est détectée par les cellules pancréatiques qui libèrent du glucagon. Le glucagon agit de plusieurs façons dans les cellules corporelles pour augmenter la concentration de glucose dans le sang à un niveau optimal.

Par conséquent, l’hormone représentée par B est le glucagon.

Partie 3

Le contrôle de la glycémie est un exemple de processus appelé rétroaction négative qui maintient l’homéostasie. La rétroaction négative est un mécanisme qui ajuste un système après la détection d’un changement en inversant toute variation pour ramener le système à un niveau optimal. Le rôle des mécanismes de rétroaction négative dans le contrôle de la glycémie est illustré sur la figure ci-dessus.

Par conséquent, le type de mécanisme rétroactif qui correspond au contrôle de la glycémie est la rétroaction négative.

Vous vous demandez peut-être pourquoi nous avons besoin du pancréas pour contrôler les niveaux de glucose sanguin. Regardons ce qui peut arriver si l’organisme n’est pas capable de maintenir une glycémie plus ou moins constante.

Le diabète de type 1 est une maladie qui survient à la suite d’un dysfonctionnement de certaines cellules du pancréas, ce qui les empêche de produire de l’insuline. Vous vous souviendrez peut-être que l’insuline diminue la glycémie. Comme les cellules pancréatiques ne produisent pas d'insuline chez une personne atteinte de diabète de type 1, le glucose sanguin peut atteindre une concentration très élevée si il n'est pas contrôlé.

Une glycémie élevée augmente la pression artérielle. La pression exercée peut endommager les vaisseaux sanguins, ainsi que d’autres organes et cellules comme les cellules nerveuses.

Ce taux élevé de glucose peut donc être détecté à l’aide de tests sanguins ou d’urine. Une concentration élevée de glucose fait baisser le potentiel hydrique de l'urine, ce qui entraîne l'excrétion excessive d'eau dans l'urine plutôt que sa réabsorption dans le sang par les reins. Cela signifie qu’une personne atteinte de diabète peut également ressentir une soif intense et un besoin fréquent d’uriner.

L'hypoglycémie signifie que les cellules de l'organisme n’ont pas une quantité suffisante de glucose pour le décomposer lors de la respiration cellulaire. Si la respiration cellulaire est insuffisante, les cellules ne produisent pas assez d’énergie. Cela peut entraîner une fatigue, une sensation de faim et même l’évanouissement chez une personne ayant une faible glycémie.

Récapitulons certains des points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.