Tous les organismes utilisent une molécule appelée glucose et un processus appelé glycolyse pour répondre à tout ou partie de leurs besoins énergétiques. Pour les organismes procaryotes unicellulaires, tels que les bactéries, c'est le seul processus disponible pour générer de l'ATP (adénosine triphosphate, la "monnaie énergétique" des cellules).
Organismes eucaryotes (animaux, plantes et champignons) ont une machinerie cellulaire plus sophistiquée et peuvent tirer beaucoup plus d'une molécule de glucose - plus de quinze fois plus d'ATP, en fait. En effet, ces cellules utilisent la respiration cellulaire, qui dans son intégralité est la glycolyse et la respiration aérobie.
Une réaction impliquant décarboxylation oxydative dans la respiration cellulaire appelée réaction de pont sert de centre de traitement entre les réactions strictement anaérobies de la glycolyse et les deux étapes de la respiration aérobie qui se produisent dans les mitochondries. Cette étape de pont, plus formellement appelée oxydation du pyruvate, est donc essentielle.
Approche du pont: la glycolyse
Dans la glycolyse, une série de dix réactions dans le cytoplasme cellulaire convertit la molécule de sucre à six carbones glucose en deux molécules de pyruvate, un composé à trois carbones, tout en produisant un total de deux ATP molécules. Dans la première partie de la glycolyse, appelée phase d'investissement, deux ATP sont en fait nécessaires pour déplacer les réactions tandis que dans la seconde partie, la phase de retour, celle-ci est plus que compensée par la synthèse de quatre ATP molécules.
Phase d'investissement : Le glucose a un groupe phosphate attaché et est ensuite réarrangé en une molécule de fructose. Cette molécule a à son tour un groupe phosphate ajouté, et le résultat est une molécule de fructose doublement phosphorylée. Cette molécule est ensuite divisée et devient deux molécules identiques à trois carbones, chacune avec son propre groupe phosphate.
Phase de retour : Chacune des deux molécules à trois atomes de carbone a le même sort: elle a un autre groupe phosphate attaché, et chacune d'entre eux est utilisé pour fabriquer de l'ATP à partir d'ADP (adénosine diphosphate) tout en étant réarrangé en un pyruvate molécule. Cette phase génère également une molécule de NADH à partir d'une molécule de NAD+.
Le rendement énergétique net est donc de 2 ATP par glucose.
La réaction du pont
La réaction de pont, également appelée réaction de transition, se compose de deux étapes. Le premier est le décarboxylation de pyruvate, et la seconde est la fixation de ce qui reste à une molécule appelée coenzyme A.
L'extrémité de la molécule de pyruvate est un carbone à double liaison à un atome d'oxygène et à simple liaison à un groupe hydroxyle (-OH). En pratique, l'atome H dans le groupe hydroxyle est dissocié de l'atome O, de sorte que cette partie du pyruvate peut être considérée comme ayant un atome C et deux atomes O. Dans la décarboxylation, celui-ci est éliminé sous forme de CO2, ou alors gaz carbonique.
Ensuite, le reste de la molécule de pyruvate, appelé groupe acétyle et ayant la formule CH3C(=O), se joint à la coenzyme A à l'endroit précédemment occupé par le groupe carboxyle du pyruvate. Dans le processus, NAD+ est réduit en NADH. Par molécule de glucose, la réaction pont est :
2 canaux3C(=O)C(O)O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 canaux3C(=O)CoA + 2 NADH
Après le pont: Respiration aérobie
Cycle de Krebs : L'emplacement du cycle de Krebs se trouve dans la matrice mitochondriale (le matériau à l'intérieur des membranes). Ici, l'acétyl CoA se combine avec une molécule à quatre carbones appelée oxaloacétate pour créer une molécule à six carbones, le citrate. Cette molécule est ramenée à l'oxaloacétate en une série d'étapes, ce qui recommence le cycle.
Le résultat est 2 ATP avec 8 NADH et 2 FADH2 (porteurs d'électrons) pour l'étape suivante.
Chaîne de transport d'électrons: Ces réactions se produisent le long de la membrane mitochondriale interne, dans laquelle quatre groupes de coenzymes spécialisés, nommés complexes I à IV, sont intégrés. Ceux-ci utilisent l'énergie des électrons sur NADH et FADH2 pour conduire la synthèse d'ATP, l'oxygène étant l'accepteur d'électrons final.
Le résultat est de 32 à 34 ATP, ce qui porte le rendement énergétique global de la respiration cellulaire à 36 à 38 ATP par molécule de glucose.