Quelle est la principale source d'énergie cellulaire?

Vous avez probablement compris depuis que vous êtes jeune que la nourriture que vous mangez doit devenir "quelque chose" de beaucoup plus petit que cette nourriture pour que tout ce qui est "dans" la nourriture puisse aider votre corps. En l'occurrence, plus précisément, une seule molécule d'un type de glucides classé comme un du sucre est la source ultime de carburant dans toute réaction métabolique se produisant dans n'importe quelle cellule à tout moment.

Cette molécule est glucose, une molécule à six carbones sous la forme d'un anneau hérissé. Dans toutes les cellules, il entre dans glycolyse, et dans les cellules plus complexes, il participe également à fermentation, photosynthèse et respiration cellulaire à des degrés divers dans différents organismes.

Mais une façon différente de répondre à la question « Quelle molécule est utilisée par les cellules comme source d'énergie? l'interprète comme « quelle molécule directement alimente les propres processus de la cellule ?"

Cette molécule « motrice », qui comme le glucose est active dans toutes les cellules, est ATP, ou alors l'adénosine triphosphate, un nucléotide souvent appelé « la monnaie énergétique des cellules ». À quelle molécule devez-vous penser, alors, lorsque vous vous demandez: « Quelle molécule est le carburant de toutes les cellules? » Est-ce du glucose ou de l'ATP ?

Répondre à cette question revient à comprendre la différence entre dire « les humains tirent des combustibles fossiles du sol » et « les humains tirent des combustibles fossiles l'énergie combustible des centrales au charbon. » Les deux affirmations sont vraies, mais concernent différentes étapes de la chaîne de conversion d'énergie du métabolisme réactions. Dans les êtres vivants, le glucose est la base nutritif, mais l'ATP est la base le carburant.

Tous les êtres vivants appartiennent à l'une des deux grandes catégories suivantes: les procaryotes et les eucaryotes. Les procaryotes sont les organismes unicellulaires de la taxonomie domaines Les bactéries et les archées, tandis que les eucaryotes appartiennent tous au domaine Eukaryota, qui comprend les animaux, les plantes, les champignons et les protistes.

Les procaryotes sont minuscules et simples comparés aux eucaryotes; leurs cellules sont en conséquence moins complexes. Dans la plupart des cas, une cellule procaryote est la même chose qu'un organisme procaryote, et les besoins énergétiques d'une bactérie sont bien inférieurs à ceux de n'importe quelle cellule eucaryote.

Les cellules procaryotes ont les mêmes quatre composants que l'on trouve dans toutes les cellules du monde naturel: l'ADN, une membrane cellulaire, le cytoplasme et les ribosomes. Leur cytoplasme contient toutes les enzymes nécessaires à la glycolyse, mais l'absence de mitochondries et de chloroplastes signifie que la glycolyse est vraiment la seule voie métabolique disponible pour les procaryotes.

En savoir plus sur les similitudes et les différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes.

Le glucose est un sucre à six carbones en forme d'anneau, représenté dans les diagrammes par une forme hexagonale. Sa formule chimique est C₆H₁₂O₆, ce qui lui donne un rapport C/H/O de 1:2:1; c'est vrai, en fait, ou toutes les biomolécules classées comme glucides.

Le glucose est considéré comme un monosaccharide, ce qui signifie qu'il ne peut pas être réduit en différents sucres plus petits en brisant les liaisons hydrogène entre les différents composants. Le fructose est un autre monosaccharide; le saccharose (sucre de table), qui est fabriqué en joignant le glucose et le fructose, est considéré comme un disaccharide.

Le glucose est également appelé « sucre dans le sang », car c'est ce composé dont la concentration est mesurée dans le sang lorsqu'un laboratoire clinique ou hospitalier détermine l'état métabolique d'un patient. Il peut être perfusé directement dans la circulation sanguine dans des solutions intraveineuses car il ne nécessite aucune décomposition avant d'entrer dans les cellules du corps.

L'ATP est un nucléotide, ce qui signifie qu'il se compose de l'une des cinq bases azotées différentes, d'un sucre à cinq atomes de carbone appelé ribose et d'un à trois groupes phosphate. Les bases des nucléotides peuvent être soit l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G), la thymine (T) ou l'uracile (U). Les nucléotides sont les éléments constitutifs des acides nucléiques ADN et ARN; A, C et G se trouvent dans les deux acides nucléiques, tandis que T se trouve uniquement dans l'ADN et U uniquement dans l'ARN.

Le « TP » dans l'ATP, comme vous l'avez vu, signifie « triphosphate » et indique que l'ATP a le nombre maximum de groupes phosphate qu'un nucléotide peut avoir – trois. La plupart de l'ATP est fabriqué par la fixation d'un groupe phosphate à l'ADP, ou adénosine diphosphate, un processus connu sous le nom de phosphorylation.

L'ATP et ses dérivés ont un large éventail d'applications en biochimie et en médecine, dont beaucoup sont au stade exploratoire alors que le 21e siècle approche de sa troisième décennie.

La libération d'énergie à partir des aliments implique la rupture des liaisons chimiques dans les composants alimentaires et l'exploitation de cette énergie pour la synthèse des molécules d'ATP. Par exemple, les glucides sont tous oxydé à la fin du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau (H₂O). Les graisses sont également oxydées, leurs chaînes d'acides gras produisant des molécules d'acétate qui entrent ensuite dans la respiration aérobie dans les mitochondries eucaryotes.

Les produits de dégradation des protéines sont riches en azote et sont utilisés pour la construction d'autres protéines et acides nucléiques. Mais certains des 20 acides aminés à partir desquels les protéines sont construites peuvent être modifiés et entrer dans le métabolisme cellulaire au niveau de la respiration cellulaire (par exemple, après la glycolyse)

Résumé:La glycolyse produit directement 2 ATP pour chaque molécule de glucose; il fournit du pyruvate et des porteurs d'électrons pour d'autres processus métaboliques.

La glycolyse est une série de dix réactions dans lesquelles une molécule de glucose est transformée en deux molécules de pyruvate, une molécule à trois carbones, produisant 2 ATP en cours de route. Il se compose d'une phase "d'investissement" précoce dans laquelle 2 ATP sont utilisés pour attacher des groupes phosphate à la molécule de glucose changeante, et d'une phase ultérieure de "retour" dans lequel le dérivé du glucose, ayant été scindé en une paire de composés intermédiaires à trois carbones, donne 2 ATP par composés à trois carbones et ce 4 globalement.

Cela signifie que l'effet net de la glycolyse est de produire 2 ATP par molécule de glucose, car 2 ATP sont consommés dans la phase d'investissement mais un total de 4 ATP sont fabriqués dans la phase de paiement.

En savoir plus sur la glycolyse.

Résumé:La fermentation reconstitue le NAD⁺ pour la glycolyse; il ne produit pas d'ATP directement.

Lorsqu'il n'y a pas suffisamment d'oxygène pour satisfaire les besoins énergétiques, comme lorsque vous courez très fort ou que vous soulevez des poids avec acharnement, la glycolyse peut être le seul processus métabolique disponible. C'est là qu'intervient la "brûlure à l'acide lactique" dont vous avez peut-être entendu parler. Si le pyruvate ne peut pas entrer dans la respiration aérobie comme décrit ci-dessous, il est converti en lactate, qui lui-même ne fait pas beaucoup de bien mais assure que la glycolyse peut continuer en fournissant une molécule intermédiaire clé appelé NAD⁺.

Résumé:Le cycle de Krebs produit 1 ATP par tour de cycle (et donc 2 ATP par glucose "en amont", puisque 2 pyruvate peuvent fabriquer 2 acétyl CoA).

Dans des conditions normales d'oxygène adéquat, presque tout le pyruvate généré lors de la glycolyse chez les eucaryotes se déplace de le cytoplasme en organites ("petits organes") connus sous le nom de mitochondries, où il s'est converti en la molécule à deux carbones acétyl coenzyme A (acétyl CoA) en éliminant et en libérant du CO₂. Cette molécule se combine avec une molécule à quatre carbones appelée oxaloacétate pour créer du citrate, la première étape de ce qu'on appelle aussi le cycle du TCA ou le cycle de l'acide citrique.

Cette "roue" de réactions a finalement réduit le citrate en oxaloacétate et, en cours de route, un seul ATP est généré avec quatre soi-disant porteurs d'électrons à haute énergie (NADH et FADH₂).

Résumé:La chaîne de transport d'électrons donne environ 32 à 34 ATP par molécule de glucose "en amont", ce qui en fait de loin le plus grand contributeur à l'énergie cellulaire chez les eucaryotes.

Les porteurs d'électrons du cycle de Krebs se déplacent de l'intérieur des mitochondries vers la membrane interne de l'organite, qui contient toutes sortes d'enzymes spécialisées appelées cytochromes prêtes à fonctionner. En bref, lorsque les électrons, sous forme d'atomes d'hydrogène, sont retirés de leurs supports, cela alimente la phosphorylation des molécules d'ADP en une grande quantité d'ATP.

L'oxygène doit être présent en tant qu'accepteur d'électrons final dans la cascade se produisant à travers la membrane pour que cette chaîne de réactions se produise. Si ce n'est pas le cas, le processus de respiration cellulaire "s'arrête" et le cycle de Krebs ne peut pas non plus se produire.