Que se passe-t-il lorsque le glucose pénètre dans une cellule ?

Le glucose est le source ultime de carburant cellulaire pour tous les êtres vivants, l'énergie de ses liaisons chimiques étant utilisée pour synthétiser l'adénosine triphosphate (ATP) de diverses manières interconnectées et interdépendantes. Lorsqu'une molécule de ce sucre à six carbones (c'est-à-dire l'hexose) traverse la membrane plasmique d'une cellule de l'extérieur pour entrer dans le cytoplasme, elle est immédiatement phosphorylé – c'est-à-dire qu'un groupe phosphate, qui porte une charge électrique négative, est attaché à une partie de la molécule de glucose. Il en résulte une charge nette négative sur ce qui est alors devenu un glucose-6-phosphate molécule, ce qui l'empêche de quitter la cellule.

Procaryotes, qui incluent les domaines Bacteria et Archaea, n'ont pas d'organites liés à la membrane, y compris le mitochondries qu'en eucaryotes hébergent le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons dépendant de l'oxygène. En conséquence, les procaryotes ne participent pas à la respiration aérobie ("avec oxygène"), tirant plutôt la quasi-totalité de leur énergie de la glycolyse, le processus anaérobie qui opère également en amont de la respiration aérobie réalisée dans les cellules eucaryotes.

Comme le glucose est l'une des molécules les plus vitales en biochimie, et est le point de départ de l'ensemble peut-être le plus vital de réactions dans les annales de la vie sur la planète Terre, une brève discussion sur la structure et le comportement de cette molécule est en cours ordre.

Aussi connu sous le nom dextrose (généralement en référence à des systèmes non biologiques, tels que le glucose fabriqué à partir de maïs) et glycémie (en référence aux systèmes biologiques, par exemple, dans des contextes médicaux), le glucose est une molécule à six carbones avec la formule chimique C₆H₁₂O₆. Dans le sang humain, la concentration normale de glucose est d'environ 100 mg/dL. 100 mg est un dixième de gramme, tandis qu'un dL est un dixième de litre; cela équivaut à un gramme par litre, et comme une personne moyenne a environ 4 litres de sang, la plupart les gens ont environ 4 g de glucose dans leur sang à tout moment - seulement environ un septième d'un once.

Cinq des six atomes de carbone (C) du glucose se trouvent dans le anneau à six atomes forme que la molécule assume 99,98 pour cent du temps dans la nature. Le sixième atome du cycle est un oxygène (O), le sixième C étant attaché à l'un des Cs du cycle dans le cadre d'un hydroxyméthyle (-CH₂OH) grouper. C'est au niveau du groupe hydroxyle (-OH) que phosphate inorganique (Pi) est attaché au cours du processus de phosphorylation qui piège la molécule dans le cytoplasme cellulaire.

Les procaryotes sont petits (l'écrasante majorité sont unicellulaires) et simples (la cellule la plupart d'entre eux n'a pas de noyau et d'autres organites liés à la membrane). Cela peut les empêcher d'être aussi élégants et intéressants à bien des égards que les eucaryotes, mais cela maintient également leurs besoins en carburant relativement bas.

Chez les procaryotes comme chez les eucaryotes, la glycolyse est la première étape du métabolisme du glucose. La phosphorylation du glucose lors de son entrée dans une cellule par diffusion à travers la membrane plasmique est la première étape de la glycolyse, qui est décrite en détail dans une section suivante.

• Certaines bactéries peuvent métaboliser des sucres autres ou en plus du glucose, comme le saccharose, le lactose ou le maltose. Ces sucres sont des disaccharides, qui vient du grec pour "deux sucres". Ils comprennent un monomère de glucose, comme le fructose, un monosaccharide, comme l'une de leurs deux sous-unités.

A la fin de la glycolyse, la molécule de glucose a été utilisée pour générer deux molécules de pyruvate à trois carbones, deux molécules du soi-disant transporteur d'électrons à haute énergie nicotinamide adénine dinucléotide (NADH), et un gain net de deux molécules d'ATP.

À ce stade, chez les procaryotes, le pyruvate entre généralement en fermentation, un processus anaérobie avec un certain nombre de variations différentes qui seront explorées sous peu. Mais certaines bactéries ont développé la capacité d'effectuer la respiration aérobie dans une certaine mesure et sont appelées anaérobies facultatives. Les bactéries qui ne peuvent tirer de l'énergie que de la glycolyse sont appelées anaérobies obligatoires, et beaucoup d'entre eux sont en fait tués par l'oxygène. Quelques bactéries limitées sont même aérobies obligatoires, ce qui signifie que, comme vous, ils ont un besoin absolu d'oxygène. Étant donné que les bactéries ont eu environ 3,5 milliards d'années pour s'adapter aux exigences de l'évolution de la Terre l'environnement, il ne devrait pas être surprenant qu'ils aient commandé une gamme de survie métabolique de base stratégies.

Glycolyse comprend 10 réactions, qui est un joli nombre rond, mais vous n'avez pas nécessairement besoin de mémoriser tous les produits, intermédiaires et enzymes dans toutes ces étapes. Au lieu de cela, bien que certaines de ces minuties soient amusantes et utiles à connaître, il est plus important d'acquérir une idée de quelle se produit dans l'ensemble de la glycolyse, et Pourquoi cela se produit (en termes à la fois de physique de base et des besoins de la cellule).

La glycolyse est capturée dans la réaction suivante, qui est la somme de ses 10 réactions individuelles :

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

En clair, dans la glycolyse, une seule molécule de glucose est séparée en deux molécules de pyruvate, et en cours de route, quelques molécules de carburant et une paire de molécules de "pré-carburant" sont fabriquées. L'ATP est la monnaie quasi universelle de l'énergie dans les processus cellulaires, tandis que le NADH, la forme réduite du NAD+ ou nicotinamide adénine dinucléotide, fonctionne comme un transporteur d'électrons à haute énergie qui donne finalement ces électrons, sous forme d'ions hydrogène (H+), aux molécules d'oxygène à la fin du chaîne de transport d'électrons dans métabolisme aérobie, résultant en beaucoup plus d'ATP que la glycolyse seule peut fournir.

La phosphorylation du glucose après son entrée dans le cytoplasme donne le glucose-6-phosphate (G-6-P). Le phosphate provient de l'ATP et de son incorporation dans les feuilles de glucose adénosine diphosphate (ADP) derrière. Comme indiqué, cela piège le glucose dans la cellule.

Ensuite, G-6-P est converti en fructose-6-phosphate (F-6-P). C'est un isomérisation réaction, car le réactif et le produit sont des isomères l'un de l'autre - des molécules avec le même nombre de chaque type d'atome, mais avec des arrangements spatiaux différents. Dans ce cas, le cycle du fructose n'a que cinq atomes. L'enzyme responsable de cet acte de jonglerie atomique s'appelle phosphoglucose isomérase. (La plupart des noms d'enzymes, bien que souvent encombrants, ont au moins un sens parfait.)

Dans la troisième réaction de glycolyse, le F-6-P est converti en fructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-BP). Dans cette étape de phosphorylation, le phosphate provient à nouveau de l'ATP, mais cette fois il est ajouté à un atome de carbone différent. L'enzyme responsable est phosphofructokinase (PFK).

• Dans de nombreuses réactions de phosphorylation, des groupes phosphate sont ajoutés à l'extrémité libre d'un groupe phosphate existant, mais pas dans ce cas - d'où "_bis_phosphate" plutôt que "_di_phosphate".

Dans la quatrième réaction de glycolyse, la molécule F-1,6-BP, assez instable du fait de sa double dose de groupements phosphate, est dédoublée par l'enzyme aldolase dans les molécules à trois carbones, portant un seul groupe phosphate glycéraldéhyde 3-phosphate (GAP) et phosphate de dihydroxyacétone (DHAP). Ce sont des isomères, et le DHAP est rapidement converti en GAP dans la cinquième étape de la glycolyse en utilisant une poussée de l'enzyme triose phosphate isomérase (TIM).

À ce stade, la molécule de glucose d'origine est devenue deux molécules identiques à trois carbones, phosphorylées, au prix de deux ATP. À partir de ce moment, chaque réaction de glycolyse décrite se produit deux fois pour chaque molécule de glucose subissant une glycolyse.

Dans la sixième réaction de la glycolyse, le GAP est converti en 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-BPG) sous l'influence de glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase. Les enzymes déshydrogénases éliminent les atomes d'hydrogène (c'est-à-dire les protons). L'hydrogène libéré du GAP s'attache à la molécule NAD+, produisant le NADH. Parce que la molécule initiale de glucose en amont a donné naissance à deux molécules de GAP, après cette réaction, deux des molécules de NADH ont été créées.

Dans la septième réaction de glycolyse, l'une des réactions de phosphorylation de la glycolyse précoce est en effet inversée. Lorsque l'enzyme phosphoglycérate kinase élimine un groupe phosphate du 1,3-BPG, le résultat est 3-phosphoglycérate (3-PG). Les phosphates qui ont été extraits des deux molécules de 1,3-BPG sont ajoutés à un ADP pour former deux ATP. Cela signifie que les deux ATP "empruntés" dans les étapes un et trois sont "restitués" dans la septième réaction.

À l'étape huit, 3-PG est converti en 2-phosphoglycérate (2-PG) par phosphoglycérate mutase, qui transporte le seul groupe phosphate restant vers un atome de carbone différent. Une mutase diffère d'une isomérase en ce qu'elle est moins lourde dans son action; plutôt que de réorganiser la structure d'une molécule, ils déplacent simplement l'un de ses groupes latéraux vers un nouvel endroit, laissant le squelette global, l'anneau, etc. comme c'était.

Dans la neuvième réaction de la glycolyse, le 2-PG est converti en phosphoénolpyruvate (PEP) sous l'action de énolase. Un énol est un composé avec une double liaison carbone-carbone dans laquelle l'un des carbones est également lié à un groupe hydroxyle.

Enfin, dixième et dernière réaction de la glycolyse, le PEP se transforme en pyruvate grâce à l'enzyme pyruvate kinase. Les groupes phosphate retirés des deux PEP sont attachés aux molécules d'ADP, donnant deux ATP et deux pyruvate, dont la formule est (C₃H₄O₃) ou alors (CH₃)CO(COOH). Ainsi, le traitement anaérobie initial d'une seule molécule de glucose produit deux molécules de pyruvate, deux molécules d'ATP et deux molécules de NADH.

Le pyruvate finalement généré par l'entrée de glucose dans les cellules peut emprunter l'une des deux voies. Si la cellule est procaryote, ou si la cellule est eucaryote mais nécessite temporairement plus de carburant que la respiration aérobie seule peut fournir (comme dans, par exemple, les cellules musculaires lors d'exercices physiques difficiles tels que le sprint ou la levée de poids), le pyruvate entre dans la fermentation chemin. Si la cellule est eucaryote et que ses besoins énergétiques sont typiques, elle déplace le pyruvate à l'intérieur des mitochondries et participe à la Cycle de Krebs:

• Fermentation: La fermentation est souvent utilisée de manière interchangeable avec la "respiration anaérobie", mais en vérité, c'est trompeur car la glycolyse, qui précède la fermentation, est également anaérobie, bien qu'elle ne soit généralement pas considérée comme faisant partie de la respiration par se.
• La fermentation régénère le NAD+ pour une utilisation dans la glycolyse en convertissant le pyruvate en lactate. Le but entier de ceci est de permettre à la glycolyse de continuer en l'absence d'oxygène adéquat; une pénurie de NAD+ localement limiterait le processus même lorsque des quantités adéquates de substrat sont présentes.
• Respiration aérobie: Cela inclut le Cycle de Krebs et le chaîne de transport d'électrons.
• Le cycle de Krebs : Ici, le pyruvate est converti en acétyl coenzyme A (acétyl CoA) et le dioxyde de carbone (CO₂). L'acétyl CoA à deux carbones se combine avec les quatre carbones oxaloacétate pour former du citrate, une molécule à six carbones qui passe ensuite par une "roue" (cycle) de six réactions qui entraînent deux CO₂, un ATP, trois NADH et un flavine adénine dinucléotide réduite (FADH₂).
• La chaîne de transport d'électrons : Ici, les protons (H⁺ atomes) de NADH et FADH_₂_ du cycle de Krebs sont utilisées pour créer un gradient électrochimique qui entraîne la synthèse de 34 (environ) molécules d'ATP sur la membrane mitochondriale interne. L'oxygène sert d'accepteur final des électrons qui "se répandent" d'un composé à l'autre, en commençant tout le long de la chaîne des composés avec le glucose.