Quel est le rôle du glucose dans la respiration cellulaire ?

La vie sur Terre est extraordinairement diversifiée, des plus petites bactéries vivant dans les bouches thermiques aux majestueux éléphants de plusieurs tonnes qui ont élu domicile en Asie. Mais tous les organismes (êtres vivants) ont un certain nombre de caractéristiques de base en commun, parmi lesquelles le besoin de molécules desquelles tirer de l'énergie. Le processus d'extraction d'énergie de sources externes pour la croissance, la réparation, l'entretien et la reproduction est connu sous le nom de métabolisme.

Tous les organismes sont constitués d'au moins un cellule (votre propre corps comprend des billions), qui est la plus petite entité irréductible qui comprend toutes les propriétés attribuées à la vie en utilisant les définitions conventionnelles. Le métabolisme est l'une de ces propriétés, tout comme la capacité de se répliquer ou de se reproduire d'une autre manière. Chaque cellule de la planète peut utiliser et utilise effectivement glucose, sans laquelle la vie sur Terre n'aurait jamais vu le jour ou serait très différente.

Le glucose a la formule C₆H₁₂O₆, donnant à la molécule une masse moléculaire de 180 grammes par mole. (Tous les glucides ont la formule générale C_mH_2nO_m.) Cela donne au glucose à peu près la même taille que les plus gros acides aminés.

Le glucose dans la nature existe sous la forme d'un anneau à six atomes, représenté comme hexagonal dans la plupart des textes. Cinq des atomes de carbone sont inclus dans le cycle avec l'un des atomes d'oxygène, tandis que le sixième atome de carbone fait partie d'un groupe hydroxyméthyle (-CH₂OH) attaché à l'un des autres carbones.

Les acides aminés, comme le glucose, sont des monomères importants en biochimie. Tout comme glycogène est assemblée à partir de longues chaînes de glucose, les protéines sont synthétisées à partir de longues chaînes d'acides aminés. Bien qu'il existe 20 acides aminés distincts avec de nombreuses caractéristiques en commun, le glucose n'existe que sous une seule forme moléculaire. Ainsi la composition du glycogène est essentiellement invariante, alors que les protéines varient fortement d'une à l'autre.

Le métabolisme du glucose pour produire de l'énergie sous forme d'adénosine triphosphate (ATP) et de CO₂ (dioxyde de carbone, un déchet dans cette équation) est connu comme respiration cellulaire. La première des trois étapes fondamentales de la respiration cellulaire est glycolyse, une série de 10 réactions qui ne nécessitent pas d'oxygène, tandis que les deux dernières étapes sont les Cycle de Krebs (également connu sous le nom de le cycle de l'acide citrique) et le chaîne de transport d'électrons, qui nécessitent de l'oxygène. Ensemble, ces deux dernières étapes sont appelées respiration aérobie.

La respiration cellulaire se produit presque entièrement dans eucaryotes (animaux, plantes et champignons). Procaryotes (les domaines pour la plupart unicellulaires qui incluent les bactéries et les archées) tirent leur énergie du glucose, mais pratiquement toujours de la glycolyse seule. L'implication est que les cellules procaryotes ne peuvent générer qu'environ un dixième de l'énergie par molécule de glucose que les cellules eucaryotes peuvent, comme cela est détaillé plus loin.

La « respiration cellulaire » et la « respiration aérobie » sont souvent utilisées de manière interchangeable lors de l'examen du métabolisme des cellules eucaryotes. Il est entendu que la glycolyse, bien qu'un processus anaérobie, procède presque invariablement aux deux dernières étapes de la respiration cellulaire. Quoi qu'il en soit, pour résumer le rôle du glucose dans la respiration cellulaire: sans lui, la respiration s'arrête et la mort s'ensuit.

Enzymes sont des protéines globulaires qui agissent comme catalyseurs dans les réactions chimiques. Cela signifie que ces molécules aident à accélérer les réactions qui se dérouleraient autrement sans les enzymes, mais beaucoup plus lentement - parfois par un facteur bien supérieur à mille. Lorsque les enzymes agissent, elles ne sont pas modifiées elles-mêmes à la fin de la réaction, alors que les molécules sur lesquelles elles agissent, appelées substrats, sont modifiées par conception, avec réactifs comme le glucose transformé en produits comme le CO₂.

Le glucose et l'ATP ont une certaine ressemblance chimique, mais en utilisant l'énergie stockée dans les liaisons du ancienne molécule pour alimenter la synthèse de la dernière molécule nécessite des acrobaties biochimiques considérables à travers la cellule. Presque chaque réaction cellulaire est catalysée par une enzyme spécifique, et la plupart des enzymes sont spécifiques d'une réaction et de ses substrats. La glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons, combinés, comportent environ deux douzaines de réactions et d'enzymes.

Lorsque le glucose pénètre dans une cellule en diffusant à travers la membrane plasmique, il est immédiatement attaché à un groupe phosphate (P), ou phosphorylé. Cela piège le glucose dans la cellule en raison de la charge négative du P. Cette réaction, qui produit du glucose-6-phosphate (G6P), se produit sous l'influence de l'enzyme hexokinase. (La plupart des enzymes se terminent par "-ase", ce qui permet de savoir assez facilement quand vous en avez affaire dans le monde de la biologie.)

De là, le G6P est réarrangé en un type phosphorylé du sucre fructose, puis un autre P est ajouté. Peu de temps après, la molécule à six carbones est divisée en deux molécules à trois carbones, chacune avec un groupe phosphate; ceux-ci se rangent bientôt dans la même substance, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G-3-P).

Chaque molécule de G-3-P passe par une série d'étapes de réarrangement pour être convertie en la molécule à trois carbones pyruvate, produisant deux molécules d'ATP et une molécule du transporteur d'électrons à haute énergie NADH (réduit de nicotinamide adénine dinucléotide, ou NAD+) dans le processus.

La première moitié de la glycolyse consomme 2 ATP dans les étapes de phosphorylation, tandis que la seconde moitié produit un total de 2 pyruvate, 2 NADH et 4 ATP. En termes de production directe d'énergie, la glycolyse donne donc 2 ATP par molécule de glucose. Ceci, pour la plupart des procaryotes, représente le plafond effectif d'utilisation du glucose. Chez les eucaryotes, le spectacle de la respiration glucose-cellulaire ne fait que commencer.

Les molécules de pyruvate se déplacent ensuite du cytoplasme de la cellule vers l'intérieur des organites appelés mitochondries, qui sont entourés de leur propre double membrane plasmique. Ici, le pyruvate est divisé en CO₂ et acétate (CH₃COOH-), et l'acétate est saisi par un composé de la classe des vitamines B appelé coenzyme A (CoA) pour devenir acétyl-CoA, un intermédiaire important à deux carbones dans une gamme de réactions cellulaires.

Pour entrer dans le cycle de Krebs, l'acétyl CoA réagit avec le composé à quatre carbones oxaloacétate former citrate. Parce que l'oxaloacétate est la dernière molécule créée dans la réaction de Krebs ainsi qu'un substrat dans la première réaction, la série mérite la description de "cycle". Le cycle comprend un total de huit réactions, qui réduisent le citrate à six carbones en une molécule à cinq carbones, puis à une série d'intermédiaires à quatre carbones avant d'arriver à nouveau à oxaloacétate.

Chaque molécule de pyruvate entrant dans le cycle de Krebs entraîne la production de deux autres CO₂, 1 ATP, 3 NADH et une molécule d'un porteur d'électrons similaire au NADH appelé flavine adénine dinucléotide, ou FADH₂.

• Le cycle de Krebs ne peut se dérouler que si la chaîne de transport d'électrons fonctionne en aval pour capter le NADH et le FADH₂ il génère. Ainsi, si aucun oxygène n'est disponible pour la cellule, le cycle de Krebs s'arrête.

La NADH et la FADH₂ déplacer vers la membrane mitochondriale interne pour ce processus. Le rôle de la chaîne est le la phosphorylation oxydative des molécules d'ADP pour devenir de l'ATP. Les atomes d'hydrogène des porteurs d'électrons sont utilisés pour créer un gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale. L'énergie de ce gradient, qui dépend de l'oxygène pour finalement recevoir les électrons, est exploitée pour alimenter la synthèse d'ATP.

Chaque molécule de glucose contribue de 36 à 38 ATP par la respiration cellulaire: 2 dans la glycolyse, 2 dans le cycle de Krebs et 32 ​​à 34 (selon la façon dont cela est mesuré en laboratoire) dans le transport d'électrons chaîne.