La raison pour laquelle vous mangez est de créer finalement une molécule appelée ATP (l'adénosine triphosphate) pour que vos cellules aient les moyens de s'alimenter, et donc vous, en même temps. Et pas par hasard, la raison pour laquelle vous respirez est que l'oxygène est nécessaire pour obtenir la quantité maximale d'énergie cellulaire des précurseurs de la glucose molécules dans cet aliment.
Le processus utilisé par les cellules humaines pour générer de l'ATP s'appelle la respiration cellulaire. Il en résulte la création de 36 à 38 ATP par molécule de glucose. Il se compose d'une série d'étapes, commençant dans le cytoplasme cellulaire et se déplaçant vers les mitochondries, les « centrales énergétiques » des cellules eucaryotes. Les deux processus de production d'ATP peuvent être considérés comme une glycolyse (la partie anaérobie) suivie d'une respiration aérobie (la partie nécessitant de l'oxygène).
Qu'est-ce que l'ATP ?
Chimiquement, l'ATP est un nucléotide. Les nucléotides sont également les éléments constitutifs de l'ADN. Tous les nucléotides sont constitués d'une portion de sucre à cinq atomes de carbone, d'une base azotée et d'un à trois groupes phosphate. La base peut être soit l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G), la thymine (T) ou l'uracile (U). Comme vous pouvez le constater d'après son nom, la base de l'ATP est l'adénine et contient trois groupes phosphate.
Lorsque l'ATP est « construit », son précurseur immédiat est ADP (adénosine diphosphate), qui lui-même provient AMP (adénosine monophosphate). La seule différence entre les deux est le troisième groupe phosphate attaché à la "chaîne" phosphate-phosphate dans l'ADP. L'enzyme responsable est appelée ATP synthase.
Lorsque l'ATP est "dépensé" par la cellule, le nom de la réaction ATP vers ADP est hydrolyse, car l'eau est utilisée pour rompre la liaison entre les deux groupes phosphate terminaux. Une équation simple pour reformer l'ATP à partir de ses nucléotides apparentés est ADP + Pje, voire AMP + 2 Pje. où Pje est un phosphate inorganique (c'est-à-dire non attaché à une molécule contenant du carbone).
L'énergie cellulaire chez les eucaryotes: la respiration cellulaire
La respiration cellulaire ne se produit que chez les eucaryotes, qui sont la réponse multicellulaire, plus grande et plus complexe de la nature aux procaryotes unicellulaires. Les humains font partie des premiers, tandis que les bactéries peuplent les seconds. Le processus se déroule en quatre étapes: glycolyse, qui se produit également chez les procaryotes et ne nécessite pas d'oxygène; les réaction de pont; et les deux ensembles de réactions de la respiration aérobie, le Cycle de Krebs et le chaîne de transport d'électrons.
Glycolyse
Pour démarrer la glycolyse, une molécule de glucose qui a diffusé dans la cellule à travers la membrane plasmique a un phosphate attaché à l'un de ses atomes de carbone. Il est ensuite réarrangé en une molécule de fructose, auquel point un deuxième groupe phosphate est attaché à un atome de carbone différent. La molécule à six carbones doublement phosphorylée résultante est divisée en deux molécules à trois carbones. Cette phase coûte deux ATP.
La deuxième partie de la glycolyse se déroule avec les molécules à trois carbones étant réarrangées dans une série d'étapes en pyruvate, tandis qu'entre-temps, deux phosphates sont ajoutés puis tous les quatre sont retirés et ajoutés à l'ADP pour former ATP. Cette phase produit quatre ATP,faire du rendement net de la glycolyse deux ATP.
Cycle de Krebs
La réaction de pont dans les mitochondries prépare la molécule de pyruvate à l'action en éliminant l'un de ses carbones et deux oxygènes pour produire de l'acétate, qui est ensuite ajouté à coenzyme A pour former de l'acétyl CoA.
L'acétyl CoA à deux carbones est ajouté à une molécule à quatre carbones, l'oxaloacétate, pour déclencher les réactions. La molécule à six carbones résultante est finalement réduite en oxaloacétate (d'où « cycle » dans le titre; un réactif est aussi un produit). Dans le processus, deux molécules d'ATP et 10 appelées porteurs d'électrons (huit NADH et deux FADH2) sont produits.
Chaîne de transport d'électrons
Dans la phase finale de la respiration cellulaire, et la deuxième phase aérobie, les différents porteurs d'électrons de haute énergie sont mis à contribution. Leurs électrons sont dépouillés par des enzymes intégrées dans la membrane mitochondriale, et leur énergie est utilisé pour alimenter l'ajout de groupes phosphate à l'ADP pour former de l'ATP, un processus appelé oxydant phosphorylation. L'oxygène est l'accepteur final d'électrons à la fin.
Le résultat est de 32 à 34 ATP, ce qui signifie qu'en ajoutant chacun deux ATP provenant de la glycolyse et du cycle de Krebs, la respiration cellulaire produit 36 à 38 ATP par molécule de glucose.