Pour maintenir un apport continu de nutriments dans le courant sanguin malgré la consommation intermittente d’aliments, un ensemble complexe de mécanismes de régulation s’est constitué. Ceux-ci permettent le stockage des nutriments durant l’alimentation et leur libération des pools de réserve pendant la période interdigestive de manière à maintenir les taux sanguins de nutriments à l’intérieur de limites remarquablement étroites. La régulation de brève durée entre les états postprandial et interdigestif est favorisée principalement par a) la concentration de plusieurs substrats clés et b) un ensemble d’hormones de régulation incluant l’insuline, le glucagon, les catécholamines et les corticostéroïdes (tableau 1.).

Le sort du glucose chez le sujet qui vient de s’alimenter (état postprandial) et chez le sujet à jeun (état interdigestif) est décrit en détail dans la figure 1. Une fois ingérés, sous forme d’amidon ou de disaccharides, les glucides sont digérés et absorbés sous forme de monosaccharides. Le glucose est rapidement absorbé et transporté par le système porte jusqu’au foie, qui extrait une fraction considérable du glucose présent dans la veine porte. Le reste pénètre dans la circulation générale et déclenche la sécrétion pancréatique d’insuline. Les fortes concentrations d’insuline et de glucose dans la veine porte engendrent la captation hépatique du glucose et sa conversion en glycogène et en acides gras. La hausse du taux d’insuline périphérique, qui survient conjointement avec la hausse de la glycémie, entraîne une forte captation périphérique du glucose, d’abord par les cellules musculaires et ensuite par les cellules adipeuses. Le glucose constitue le substrat essentiel du métabolisme du cerveau, de la médullosurrénale et des globules rouges. Les autres organes tirent principalement leur énergie des acides gras. La hausse de l’insulinémie entraîne également la captation des acides aminés par les muscles et exerce un effet antiprotéolytique. C’est en raison de ces effets sur les protéines musculaires que l’on qualifie l’insuline d’« hormone anabolique ». Dans la période postabsorption ou interdigestive, la glycémie est faible, de même que l’insulinémie. L’hypoinsulinémie influe sur le métabolisme des trois macronutriments, soit les glucides (hydrates de carbone), les lipides (graisses) et les protéines. Une glycogénolyse hépatique survient pour maintenir la glycémie. L’hypoinsulinémie permet également à la lypolyse de se produire, de sorte que les acides gras peuvent être utilisés comme principal substrat énergétique. Enfin, l’hypoinsulinémie entraîne une protéolyse, en particulier celle des protéines musculaires, laquelle entraîne la libération de l’alanine et de la glutamine pouvant servir à la glyconéogenèse hépatique. Cette glyconéogenèse survient de concert avec la glycogénolyse pour garantir à l’organisme un apport continu de glucose.

D’autres hormones, comme le glucagon, les catécholamines et l’hormone de croissance, jouent des rôles moins importants dans le métabolisme des macronutriments; on les a en général qualifiées d’« hormones de stress », puisqu’elles sont libérées pendant les périodes de stress et qu’elles exercent un effet de type anti-insulinique. Ainsi, en cas d’hypoglycémie, peu importe la cause, toutes ces hormones sont libérées et favorisent une hausse de la glycémie.

Le flux des nutriments lipidiques chez un sujet durant les périodes postprandiale et postabsorption, ou interdigestive, est montré dans la figure 2. Pendant la période postprandiale, les lipides pénètrent dans la circulation à partir de l’intestin, sous forme de chylomicrons, gouttelettes volumineuses de triglycérides émulsifiées en surface par une couche unique de phospholipides et d’apolipoprotéines. D’autres apolipoprotéines sont transférées sur les chylomicrons à partir des lipoprotéines de forte densité (HDL High Density Lipoproteins). Les émulsions lipidiques artificielles utilisées pour la nutrition parentérale ressemblent très étroitement aux chylomicrons puisqu’elles contiennent un noyau de triglycérides recouvert en surface par une couche unique de phospholipides. Initialement, elles ne renferment aucune apolipoprotéine, mais elles les acquièrent très rapidement des HDL après leur entrée dans la circulation. Une des apolipoprotéines, l’apolipoprotéine C-II, est particulièrement importante puisqu’elle constitue un cofacteur essentiel pour l’action de la lipoprotéine lipase. Cette enzyme est attachée à l’endothélium des capillaires dans des tissus comme les tissus cardiaques ou adipeux qui utilisent activement les acides gras. Les chylomicrons se fixent à l’enzyme et le noyau de triglycérides est rapidement hydrolysé. Les acides gras libérés sont ensuite captés et utilisés dans les tissus périphériques. Comme la particule de chylomicron rapetisse, la matière de surface en excès est retransmise aux HDL et les particules restantes sont finalement éliminées par l’intermédiaire d’un récepteur spécifique dans le foie. Le processus de lipolyse est extrêmement efficace, et la demi-vie des triglycérides circulants issus des chylomicrons est habituellement inférieure à 15 minutes. La section du bas de la figure 2 montre l’état postabsorption, ou interdigestif. Les chylomicrons y sont absents, mais le carburant énergétique que constituent les triglycérides est présent dans la circulation sous forme de lipoprotéines de très basse densité (VLDL Very Low Density Lipoproteins) sécrétées par le foie. Les substrats pour l’assemblage des triglycérides incluent des acides gras libres qui sont libérés du tissu adipeux par l’action d’une lipase hormonosensible et des acides gras synthétisés dans le foie à partir d’acétyl-CoA. Les VLDL nouvellement sécrétées acquièrent des apolipoprotéines et un ester de cholestérol à partir des HDL. La lipolyse des VLDL dans les tissus périphériques est favorisée par une lipoprotéine lipase. À mesure que la taille de la particule diminue, le cholestérol libre est transféré aux HDL où il est estérifié sous l’action de la lécithine-cholestérol acyltransférase (LCAT), et l’ester de cholestérol qui en résulte est ensuite repris par la particule lipolysée, où il fait partie du noyau. Une fois la lipolyse terminée, ce qui reste constitue une particule de LDL. Celle-ci est plus petite et plus dense que la molécule de VLDL, elle a perdu toutes les apolipoprotéines, à l’exception de l’apolipoprotéine B, et elle possède un noyau d’ester de cholestérol plutôt que de triglycérides. Les LDL sont éliminées relativement lentement, et leur demi-vie est de plusieurs jours. La fixation des LDL est favorisée par un récepteur membranaire spécifique, appelé récepteur des LDL, dont l’activité est régularisée à son tour par les taux de cholestérol intracellulaire. Les tissus les plus actifs (compte tenu du poids) pour l’élimination des LDL sont les tissus stéroïdogènes, comme les glandes surrénales, les gonades et le foie; en raison de sa taille, le foie est responsable de plus de la moitié du catabolisme de toutes les LDL. Comme les tissus périphériques ne peuvent pas dégrader le cholestérol, le cholestérol en excès est ramené au foie par les HDL, où il est utilisé pour la synthèse des acides biliaires ou excrété dans la bile.

Outre la régulation rapide favorisée par les hormones et les substrats décrits plus haut, d’autres réactions d’adaptation surviennent, en réponse à des circonstances diététiques particulières. À titre d’exemple, une alimentation riche en glucides plutôt qu’en lipides entraînera l’induction d’enzymes participant à la glycolyse, à la voie des pentoses phosphates et à la synthèse d’acides gras (p. ex. glucokinase, glucose-6-phosphate déshydrogénase, 6-phosphogluconate déshydrogénase, acétyl-CoA carboxylase). Une alimentation riche en lipides plutôt qu’en glucides déclenchera l’induction de l’oxydation des acides gras, conjointement avec une hausse de l’acyl-CoA-carnitine acyltransférase et l’induction d’enzymes participant à la glyconéogenèse, y compris la glucose-6-phosphatase, la fructose diphosphatase et les transaminases. Une alimentation riche en protéines mais faible en glucides entraînera également l’induction d’enzymes contribuant à la glyconéogenèse et des transaminases, ainsi que d’autres enzymes participant à l’interconversion et à la dégradation des acides aminés, de même qu’à l’induction des enzymes du cycle de l’urée pour faire face à l’augmentation de la production d’ammoniaque.

L’inanition entraîne un certain nombre de réactions d’adaptation. On constate une déplétion du glycogène hépatique en 24 à 48 heures, accompagnée d’une stimulation des enzymes de la glyconéogenèse pour permettre la production de glucose à partir des acides aminés libérés au moment de la dégradation des protéines dans les muscles squelettiques. La lipolyse qui survient dans les tissus adipeux entraîne une hausse des taux d’acides gras et l’activation des enzymes responsables de la b-oxydation des acides gras dans le foie (acyl-CoA-carnitine acyltransférase). En plus de l’acétyl-CoA, l’oxydation des acides gras engendre des corps cétoniques. Une importante réaction d’adaptation au jeûne est l’induction de la 3-hydroxybutyrate déshydrogénase dans le cerveau, qui permet à cet organe d’utiliser les corps cétoniques comme source énergétique. Une dépendance moindre envers le glucose réduit la nécessité d’une glyconéogenèse excessive et épargne les protéines musculaires. Chez un homme relativement mince de 70 kg dont la masse adipeuse s’élève à 12 %, on peut s’attendre à ce que sa survie sans apport alimentaire soit d’environ 60 jours ou plus.