Comment métaboliser le glucose pour fabriquer de l'ATP

Le glucose, un sucre à six carbones, est l'"entrée" fondamentale dans l'équation qui alimente toute la vie. L'énergie de l'extérieur est, d'une certaine manière, convertie en énergie pour la cellule. Chaque organisme vivant, de votre meilleur ami à la moindre bactérie, possède des cellules qui brûlent du glucose comme carburant au niveau métabolique de la racine.

Les organismes diffèrent dans la mesure dans laquelle leurs cellules peuvent extraire de l'énergie du glucose. Dans toutes les cellules, cette énergie est sous forme de l'adénosine triphosphate (ATP).

Par conséquent, une chose tout ce que les cellules vivantes ont en commun, c'est qu'elles métabolisent le glucose pour fabriquer de l'ATP. Une molécule de glucose donnée entrant dans une cellule aurait pu commencer comme un steak, comme la proie d'un animal sauvage, comme une matière végétale ou comme autre chose.

Quoi qu'il en soit, divers processus digestifs et biochimiques ont décomposé toutes les molécules multi-carbonées dans quelles que soient les substances que l'organisme ingère pour se nourrir au sucre monosaccharidique qui entre dans le métabolisme cellulaire voies.

Chimiquement, glucose est un hexose du sucre, hexagone étant le préfixe grec pour "six", le nombre d'atomes de carbone dans le glucose. Sa formule moléculaire est C₆H₁₂O₆, ce qui lui donne un poids moléculaire de 180 grammes par mole.

Le glucose est également un monosaccharide en ce qu'il s'agit d'un sucre qui ne comprend qu'une seule unité fondamentale, ou monomère.Fructose est un autre exemple de monosaccharide, tandis que saccharose, ou du sucre de table (fructose plus glucose), lactose (glucose plus galactose) et maltose (glucose plus glucose) sont disaccharides.

Notez que le rapport des atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans le glucose est de 1:2:1. Tous les glucides, en fait, présentent ce même rapport, et leurs formules moléculaires sont toutes de la forme C_mH_2nO_m.

L'ATP est un nucléoside, dans ce cas l'adénosine, avec trois groupes phosphate qui lui sont attachés. Cela en fait en fait un nucléotide, car un nucléoside est un pentose sucre (soit ribose ou alors désoxyribose) associée à une base azotée (c'est-à-dire adénine, cytosine, guanine, thymine ou uracile), alors qu'un nucléotide est un nucléoside auquel sont attachés un ou plusieurs groupes phosphate. Mais la terminologie mise à part, la chose importante à savoir sur ATP est qu'il contient de l'adénine, du ribose et une chaîne de trois groupes phosphate (P).

L'ATP se fait via le phosphorylation de adénosine diphosphate (ADP), et inversement, lorsque la liaison phosphate terminale dans l'ATP est hydrolysé, ADP et P_je (phosphate inorganique) sont les produits. L'ATP est considéré comme la "monnaie énergétique" des cellules car cette molécule extraordinaire est utilisée pour alimenter presque tous les processus métaboliques.

Respiration cellulaire est l'ensemble des voies métaboliques des organismes eucaryotes qui convertit le glucose en ATP et en dioxyde de carbone en présence d'oxygène, dégageant de l'eau et produisant une richesse d'ATP (36 à 38 molécules par molécule de glucose investie) dans le traiter.

La formule chimique équilibrée pour la réaction nette globale, à l'exclusion des porteurs d'électrons et des molécules d'énergie, est :

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6 CO₂ + 6H₂O

La respiration cellulaire comprend en fait trois voies distinctes et séquentielles :

• Glycolyse, qui se produit dans toutes les cellules et a lieu dans le cytoplasme, et est toujours la première étape du métabolisme du glucose (et chez la plupart des procaryotes, également la dernière étape).
  
• le Cycle de Krebs, également appelé cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) ou cycle de l'acide citrique, qui se déroule dans la matrice mitochondriale.
• le chaîne de transport d'électrons, qui a lieu sur la membrane mitochondriale interne et génère la majeure partie de l'ATP produit dans la respiration cellulaire.

Les deux dernières de ces étapes sont dépendantes de l'oxygène et forment ensemble respiration aérobie. Souvent, cependant, dans les discussions sur le métabolisme des eucaryotes, la glycolyse, bien qu'elle ne dépende pas de l'oxygène, est considérée comme faisant partie "respiration aérobie" parce que la quasi-totalité de son produit principal, pyruvate, continue pour entrer dans les deux autres voies.

Dans la glycolyse, le glucose est converti dans une série de 10 réactions en la molécule pyruvate, avec un gain net de deux molécules d'ATP et deux molécules du "porteur d'électrons" nicotinamide adénine dinucléotide (NADH). Pour chaque molécule de glucose entrant dans le processus, deux molécules de pyruvate sont produites, car le pyruvate a trois atomes de carbone contre six pour le glucose.

Dans la première étape, le glucose est phosphorylé pour devenir glucose-6-phosphate (G6P). Cela engage le glucose à être métabolisé plutôt que de dériver à travers le membrane cellulaire, car le groupe phosphate donne au G6P une charge négative. Au cours des étapes suivantes, la molécule est réarrangée en un dérivé de sucre différent, puis phosphorylée une deuxième fois pour devenir fructose-1,6-bisphosphate.

Ces premières étapes de la glycolyse nécessitent un investissement de deux ATP car c'est la source des groupements phosphate dans les réactions de phosphorylation.

Le fructose-1,6-bisphosphate se divise en deux molécules différentes à trois carbones, chacune portant son propre groupe phosphate; presque tous l'un d'entre eux, est rapidement converti à l'autre, glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Ainsi à partir de maintenant, tout est dupliqué car il y a deux G3P pour chaque glucose « en amont ».

À partir de ce point, le G3P est phosphorylé dans une étape qui produit également du NADH à partir de la forme oxydée NAD+, puis les deux groupes phosphate sont abandonné aux molécules d'ADP dans les étapes de réarrangement ultérieures pour produire deux molécules d'ATP avec le produit carboné final de la glycolyse, pyruvate.

Comme cela se produit deux fois par molécule de glucose, la seconde moitié de la glycolyse produit quatre ATP pour un rapporter gain de glycolyse de deux ATP (puisque deux étaient nécessaires au début du processus) et deux NADH.

Dans le réaction préparatoire, après que le pyruvate généré lors de la glycolyse ait trouvé son chemin du cytoplasme dans la matrice mitochondriale, il est d'abord converti en acétate (CH₃COOH-) et CO₂ (un déchet dans ce scénario) puis à un composé appelé acétyl coenzyme A, ou alors acétyl-CoA. Dans cette réaction, un NADH est généré. Cela ouvre la voie au cycle de Krebs.

Cette série de huit réactions est ainsi nommée parce que l'un des réactifs de la première étape, oxaloacétate, est également le produit de la dernière étape. Le travail du cycle de Krebs est celui d'un fournisseur plutôt que d'un fabricant: il ne génère que deux ATP par molécule de glucose, mais contribue six de plus en NADH et deux en FADH₂, un autre porteur d'électrons et un proche parent du NADH.

(Notez que cela signifie un ATP, trois NADH et un FADH₂par tour de cycle. Pour chaque glucose qui entre dans la glycolyse, deux molécules d'acétyl-CoA entrent dans le cycle de Krebs.)

Sur une base per-glucose, le décompte énergétique à ce point est de quatre ATP (deux de la glycolyse et deux du Krebs cycle), 10 NADH (deux de la glycolyse, deux de la réaction préparatoire et six du cycle de Krebs) et deux FADH₂ du cycle de Krebs. Alors que les composés carbonés du cycle de Krebs continuent de tourner en amont, les porteurs d'électrons se déplacent de la matrice mitochondriale vers la membrane mitochondriale.

Quand NADH et FADH₂ libérer leurs électrons, ceux-ci sont utilisés pour créer un gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale. Ce gradient est utilisé pour alimenter la fixation des groupes phosphate à l'ADP pour créer de l'ATP dans un processus appelé la phosphorylation oxydative, ainsi nommé parce que l'accepteur ultime des électrons en cascade de porteur d'électrons à porteur d'électrons dans la chaîne est l'oxygène (O₂).

Parce que chaque NADH produit trois ATP et chaque FADH₂ donne deux ATP dans la phosphorylation oxydative, cela ajoute (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP au mélange. Ainsi une molécule de glucose peut produire jusqu'à 38 ATP dans organismes eucaryotes.