Métabolisme Cellulaire : Ingestion, Énergie et Voies Clés

Ingestion, Digestion et Égestion Cellulaire

De nombreux nutriments pénètrent à l'intérieur des cellules, où ils sont réduits (le cas échéant) en monomères, et les déchets sont parfois éliminés. Par analogie avec les processus digestifs d'un organisme, on peut parler d'ingestion, de digestion et d'égestion cellulaires.

• L'Ingestion. Ions et petites molécules peuvent traverser la membrane cellulaire par diffusion ou transport actif, mais les particules de masse moléculaire élevée doivent pénétrer à l'intérieur de la cellule par endocytose. Certains protozoaires ingèrent des objets volumineux, tels que les bactéries, grâce à une variante de l'endocytose : la phagocytose. Mais chez les vertébrés, seules certaines cellules comme les neutrophiles et les macrophages effectuent ce processus afin d'éliminer les cellules mortes ou les micro-organismes infectieux, jamais à des fins nutritionnelles.
• La Digestion. En termes de chimie, la digestion est une hydrolyse, c'est-à-dire la rupture de liaisons spécifiques par réaction avec l'eau. Dans les cellules eucaryotes, ce processus se produit dans les lysosomes, grâce à des protéines spéciales appelées hydrolases.
• L'Égestion. Selon le type de cellule, le matériel n'ayant pas pu être digéré par les hydrolases peut être expulsé par exocytose ou retenu indéfiniment ; dans ce cas, les cellules sont dans un état de « constipation chronique ».

Les Formes de Production d'Énergie

Organismes phototrophes : ils capturent une petite fraction de l'énergie solaire atteignant la Terre et la « concentrent » sous forme de molécules complexes, le reste étant réfléchi ou réémis sous forme de rayonnement infrarouge, et se dissipant dans l'espace. La quantité dissipée est supérieure à la quantité concentrée, la loi de la thermodynamique n'est donc pas enfreinte. Exemples : cellules du parenchyme chlorophyllien des plantes et cellules des algues.

Pour leur part, les organismes chimiotrophes extraient l'énergie stockée dans les liaisons chimiques des molécules nutritives. Encore une fois, ils dissipent une fraction significative de l'énergie reçue, et détournent une petite partie pour toutes sortes de travaux cellulaires, y compris la synthèse des macromolécules complexes. Les cellules chimiotrophes, parmi lesquelles figurent toutes les cellules animales et la plupart des protozoaires, obtiennent de l'énergie libre à partir de l'énergie chimique, c'est-à-dire des molécules associées qui, suivant l'analogie précédente, sont comme des ressorts partiellement comprimés. Les cellules chimiotrophes ingèrent ces molécules et les dégradent peu à peu en molécules plus petites, ce qui libère l'énergie de ces « ressorts comprimés ».

Les Moyens d'Obtenir des Électrons

Le flux d'électrons dans les réactions d'oxydo-réduction est responsable, directement ou indirectement, de tout le travail effectué par les cellules. En fait, dans la voie catabolique, les donneurs d'électrons agissent souvent comme sources d'énergie. Dans la nature, il existe de nombreux donneurs d'électrons et les organismes peuvent être classés selon leur nature :

• Chimiolithotrophie. Ce sont les organismes qui extraient des électrons à partir de molécules inorganiques. Par exemple, les plantes oxydent l'eau, produisant de l'O₂ comme sous-produit.
• Chimioorganotrophie. Ce sont les organismes qui, comme les animaux, oxydent les matières organiques, d'où ils tirent des électrons en plus de l'énergie chimique.

Gardez à l'esprit que ce qui est vraiment l'énergie libre n'est pas le donneur d'électrons lui-même, mais la réaction chimique qui l'oxyde. Si le donneur a une affinité moindre que l'accepteur d'électrons, ces électrons vont jaillir spontanément du premier au second, libérant de l'énergie dans le processus. Les cellules ont plusieurs mécanismes pour exploiter cette énergie et effectuer un travail biologique.

Le Métabolisme

Le métabolisme est la somme de tous les changements chimiques qui se produisent dans les cellules.

Le métabolisme est une activité cellulaire très coordonnée, comprenant une série de réactions chimiques appelées voies métaboliques. Une voie métabolique comprend entre 2 et 20 réactions consécutives, organisées de telle manière que le produit de la première réaction est le réactif de la seconde, et ainsi de suite.

À chaque étape de la voie, il y a un petit changement chimique, généralement par l'ajout, le transfert ou l'élimination d'un atome ou d'un groupe fonctionnel. Le résultat global est la transformation d'une molécule appelée précurseur en produit final, grâce à une série d'intermédiaires métaboliques ou de ses métabolites.

Certaines voies métaboliques sont linéaires, d'autres sont ramifiées (par exemple, plusieurs produits sont formés à partir d'un précurseur) et d'autres sont cycliques (un composant de la voie est régénéré au cours de la transformation du précurseur en produit).

L'équation générale d'une voie métabolique est obtenue en additionnant membre à membre les équations chimiques qui la composent (c'est-à-dire en écrivant l'ensemble des réactifs à gauche et tous les produits à droite), et en éliminant les métabolites qui apparaissent en quantités égales des deux côtés de l'équation. Ainsi, pour la voie cyclique de la figure de droite, les équations sont :
1. A + X₁ → B
2. B → C + Y
3. C + X₂ → D
4. D → 2A
L'équation globale est X₁ + X₂ → Y + A

Les voies peuvent être classées en deux catégories :

• Catabolisme. C'est la phase de dégradation du métabolisme : les molécules complexes, telles que les polysaccharides ou les protéines, sont transformées en molécules simples (éthanol, CO₂, NH₃...). Les voies cataboliques libèrent de l'énergie, dont une partie est récupérée, principalement sous forme de certains nucléotides comme l'ATP, le NADH et le FADH2, et le reste est dissipé sous forme de chaleur. Ces voies ont tendance à être convergentes, c'est-à-dire qu'à partir de plusieurs précurseurs différents, les mêmes produits sont formés.
• Anabolisme. C'est la phase de biosynthèse : à partir de précurseurs simples et de nutriments, des molécules complexes (protéines, acides nucléiques...) sont obtenues. Les voies anaboliques nécessitent de l'énergie provenant de molécules comme l'ATP ou le NADPH, ou de sources d'énergie externes comme la lumière. En général, ce sont des voies divergentes : à partir de métabolites spécifiques, de nombreux produits finis sont formés.

Les Enzymes

Une caractéristique commune de toutes les réactions métaboliques est qu'elles ont tendance à se dérouler très lentement, même si elles sont énergétiquement favorisées, c'est-à-dire même si les produits de réaction (P) ont une énergie libre plus faible que les réactifs ou substrats (S).

C'est parce que, pour que la réaction s'achève dans les deux sens (S ⇌ P ou P ⇌ S), elle doit atteindre un état de transition dans lequel les groupes chimiques sont alignés, les charges électriques et les liaisons sont réorganisées, et d'autres changements se produisent, nécessitant une énergie d'activation élevée.

La vitesse de réaction peut être augmentée de deux façons :

• Augmenter la température, c'est-à-dire augmenter l'énergie cinétique moyenne des molécules (énergie thermique). Cette méthode augmente la fraction de molécules dont l'énergie dépasse l'énergie d'activation, mais elle n'est pas pratique, car les cellules sont des machines essentiellement isothermes, c'est-à-dire qu'elles fonctionnent à température constante.
• Rechercher des voies de réaction alternatives avec une énergie d'activation plus faible. Cette méthode repose sur des molécules connues sous le nom de catalyseurs, qui abaissent la « hauteur » de l'état de transition et permettent à de nombreuses molécules ayant peu d'énergie d'y accéder. Les catalyseurs augmentent la vitesse de réaction sans être consommés dans le processus et sans modifier l'équilibre final de l'énergie libre de la réaction. Si une réaction n'est pas spontanée sans catalyseur, elle ne le sera pas avec lui.
  La plupart des catalyseurs sont de nature protéique et sont connus sous le nom d'enzymes, mais des molécules d'ARN catalytique appelées ribozymes ont également été découvertes.

Certaines enzymes ont un nom classique qui est généralement formé en ajoutant le suffixe -ase au nom du substrat. Ainsi, l'uréase catalyse l'hydrolyse de l'urée. Le nom systématique, cependant, identifie à la fois le substrat et le type de réaction catalysée. Selon cette réaction, les enzymes sont classées en six classes et leurs subdivisions, toutes numérotées de façon spécifique.

Propriétés des Enzymes

Pour comprendre comment les enzymes réduisent l'énergie d'activation, il est nécessaire de connaître en particulier 4 de leurs caractéristiques :

• Le Site Actif. Les réactions métaboliques se produisent dans les dépressions de la surface des enzymes appelées sites actifs. Chaque enzyme a un ou plusieurs sites actifs, qui ne couvrent généralement pas plus de trois ou quatre acides aminés, parfois très éloignés dans la structure primaire de l'enzyme. Le point clé dans l'action d'une enzyme est la liaison du substrat (S) au site actif, qui constitue un complexe enzyme-substrat (ES). Après la réaction chimique, il en résulte un complexe enzyme-produit (EP). Enfin, le produit P est libéré, laissant l'enzyme prête pour un nouveau cycle :
  Ces trois étapes sont réversibles : les molécules S peuvent être transformées en P, les molécules P peuvent redevenir des molécules S, et S ou P peuvent se lier à l'enzyme et être libérées avant d'entreprendre tout changement. La prédominance d'une réaction ou d'une autre dépend de la proportion finale de S et P qui minimise l'énergie libre du système ; l'enzyme accélère simplement l'atteinte de cet équilibre.

• Saturation par le Substrat. La formation du complexe ES a été étudiée à la suite d'expériences où plusieurs tubes à essai ont été préparés avec la même quantité d'enzyme E libre, et des quantités croissantes de son substrat S ont été progressivement ajoutées. On s'attendrait alors à ce que le taux initial de la réaction de chaque tube (tel que mesuré par la quantité de produit P formé dans les premiers instants) augmente également progressivement, à mesure que l'équilibre de la réaction se déplacerait vers la droite à mesure que la concentration [S] augmentait.
  Cependant, lorsque [S] est très élevé, toutes les molécules d'enzyme forment rapidement des complexes ES, et une augmentation supplémentaire de [S] n'a aucun effet sur la vitesse initiale ; les molécules de substrat supplémentaires devront attendre que le produit P soit libéré et que les enzymes soient disponibles pour se lier à elles. Une vitesse maximale est alors atteinte, et on dit que l'enzyme est saturée par son substrat.
• Efficacité. Les réactions catalysées par des enzymes sont 10⁵ à 10¹⁷ fois plus rapides que les réactions correspondantes non catalysées.

• Spécificité. Les enzymes sont très spécifiques de deux manières :
• L'enzyme agit seulement sur un substrat donné ou sur un groupe de substrats ayant un dénominateur commun. En revanche, les catalyseurs inorganiques peuvent agir sur de nombreuses substances différentes.

• Seule une réaction chimique a lieu, sans provoquer de réactions secondaires ou de sous-produits. C'est-à-dire que dans les réactions enzymatiques, un rendement de 100% est atteint. En revanche, un catalyseur artificiel atteint rarement un rendement de 90%.

Cinétique Enzymatique

Pour une concentration fixe d'enzyme, la vitesse initiale V₀ de nombreuses réactions enzymatiques (la quantité de produit formée dans la première minute) varie de manière hyperbolique avec la concentration du substrat [S].
Avec l'augmentation de [S], V₀ augmente également. Elle augmente d'abord de façon presque linéaire, mais lorsque [S] est élevé, l'enzyme est saturée par le substrat, et V₀ ne peut plus augmenter, atteignant la vitesse maximale (V_max) de la réaction.

La relation entre V₀ et [S] peut être exprimée par l'équation mathématique élaborée en 1913 par le biochimiste allemand Leonor Michaelis (1875-1949) et la médecin canadienne Maud Leonora Menten (1879-1960) :

Dans cette équation, K_M est une constante caractéristique de l'enzyme et de son substrat, connue sous le nom de constante de Michaelis. Pour des réactions simples, K_M peut être interprétée comme une mesure de l'affinité de l'enzyme pour son substrat ; de faibles valeurs de K_M indiquent que le complexe ES est très stable et se dissocie rarement sans que le substrat ne réagisse et ne forme le produit.

Comme on peut le voir dans l'équation, lorsque [S] = K_M, V₀ = 1/2 V_max.

Mécanisme d'Action Enzymatique

L'énumération des propriétés des enzymes soulève plusieurs questions : pourquoi leur efficacité et leur spécificité sont-elles si frappantes ? Si le site actif est responsable de l'activité enzymatique, pourquoi le reste de la molécule est-il nécessaire ? La réponse à ces questions comporte deux parties, distinctes mais complémentaires :

• Réarrangements des Liaisons Covalentes. Dans de nombreuses enzymes, des liaisons covalentes transitoires se forment entre les résidus d'acides aminés du site actif et le substrat, ce qui augmente le niveau d'énergie de ce dernier et l'approche de l'état de transition. Il est également fréquent de transférer des protons ou des groupes fonctionnels entre l'enzyme et le substrat pour stabiliser un intermédiaire réactionnel qui, autrement, se décomposerait rapidement, formant des réactifs plutôt que des produits.
• Interactions Non Covalentes. L'efficacité d'une enzyme est basée sur la diminution drastique de l'énergie d'activation (ΔG^‡) de la réaction catalysée. Mais pour réduire ΔG^‡ d'un montant spécifique, le système doit acquérir une énergie d'un montant équivalent. La majeure partie de cette énergie provient de l'énergie de liaison (ΔG^B), qui est libérée lors de la formation d'un grand nombre d'interactions faibles, telles que les liaisons hydrogène ou ioniques entre le substrat et l'enzyme.
  La nécessité de multiples interactions non covalentes explique qu'une enzyme est bien plus que son site actif : l'enzyme doit fournir des groupes fonctionnels pour établir les liaisons, répartis par sa structure tertiaire. Elle réalise aussi sa spécificité : seuls les substrats ayant une structure particulière peuvent interagir avec les groupes fonctionnels de l'enzyme soigneusement agencés.

Ce schéma reflète l'évolution de l'énergie d'une réaction en l'absence (bleu) et en présence (rouge) de l'enzyme. L'énergie d'activation nécessaire pour atteindre l'état de transition, représentée par ‡, est plus faible dans le second cas (ΔG^‡_cat) que dans le premier (ΔG^‡_nocat).
La différence entre les deux est l'énergie de liaison ΔG^B.

Facteurs Influençant l'Activité Enzymatique

L'activité enzymatique peut être perturbée par différents facteurs physiques tels que le pH ou la température.

Un changement de pH peut affecter la charge électrique des chaînes latérales d'acides aminés qui doivent interagir avec le substrat, de sorte que chaque enzyme a un pH optimum ou une gamme de pH où son activité est maximale. Un pH ou des températures extrêmes peuvent dénaturer la protéine.

L'activité enzymatique peut également être modifiée par la présence d'inhibiteurs, des molécules qui ralentissent ou arrêtent les réactions et sont classées en deux catégories :

• Inhibiteurs Irréversibles. Ils se lient, généralement de façon covalente, à un groupe essentiel de l'enzyme, le détruisant ou le rendant inutilisable de façon permanente. Cela inclut de nombreux médicaments et poisons tels que les gaz neurotoxiques.
• Inhibiteurs Réversibles. Ils forment des liaisons non covalentes. Ils peuvent être :
  • Inhibiteurs Compétitifs. Ils ressemblent au substrat et se lient au site actif de l'enzyme, mais ne réagissent pas. Ils réduisent l'affinité de l'enzyme pour son substrat (K_M augmente), mais n'affectent pas la vitesse maximale de la réaction : il suffit d'augmenter la concentration de substrat pour que l'enzyme fonctionne normalement.
  • Inhibiteurs Incompétitifs. Ils se fixent uniquement au complexe ES, et non à l'enzyme libre E. Le complexe enzyme-substrat-inhibiteur (ESI) est catalytiquement inactif, de sorte que la vitesse maximale diminue, et le K_M diminue également.
  • Inhibiteurs Mixtes. Ils se lient à la fois à E et à ES, mais jamais au site actif. La liaison de l'inhibiteur réduit à la fois l'affinité de l'enzyme pour son substrat (c'est-à-dire que le K_M augmente) et la vitesse maximale de la réaction.

Cofacteurs et Coenzymes

L'activité enzymatique peut être affectée non seulement par des facteurs physiques ou chimiques, mais aussi par la présence de substances non protéiques, généralement de faible masse moléculaire, appelées cofacteurs.

Si les cofacteurs sont essentiels à l'activité enzymatique, l'enzyme complète est appelée holoenzyme, et sa partie protéique (catalytiquement inactive par elle-même) est appelée apoenzyme.

Un cofacteur peut être de nature inorganique ou organique ; certaines enzymes nécessitent les deux.

• Cofacteurs Inorganiques. Ce sont des ions métalliques tels que Fe²⁺, Cu⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, qui ne sont nécessaires qu'en quantités quotidiennes de milligrammes ou de microgrammes. Certains peuvent agir comme des groupes de pontage, se liant simultanément au substrat et au site actif de l'enzyme. D'autres attirent les électrons d'un substrat (en changeant, par exemple, d'ions Fe³⁺ en Fe²⁺) pour les céder à une autre molécule. Enfin, certains ions tels que le fer ou le cuivre, ont en soi une activité catalytique, qui est cependant fortement amplifiée par la protéine.
• Cofacteurs Organiques ou Organométalliques. Ils sont connus sous le nom de coenzymes si les molécules sont faiblement attachées à l'apoenzyme ; si la liaison est forte (covalente), ils sont appelés groupes prosthétiques.
  En général, ces molécules agissent comme des intermédiaires entre les enzymes, catalysant les réactions de transfert d'électrons ou de groupes fonctionnels. Chaque coenzyme a sa réaction particulière, étant consommée par un ensemble d'enzymes et régénérée par un ensemble différent.
  De nombreuses coenzymes sont des vitamines hydrosolubles modifiées, mais certaines substances coenzymes comme l'ATP ou la coenzyme Q ne sont pas des vitamines et ne sont pas non plus hydrosolubles.

Régulation de l'Activité Enzymatique

L'ensemble du réseau complexe de réactions métaboliques se produit dans une cellule minuscule, et chaque réaction nécessite une enzyme différente. Souvent, le même métabolite fait partie de différentes voies métaboliques ; s'ils fonctionnaient tous en même temps, ils entreraient en concurrence les uns avec les autres, ce qui les rendrait inefficaces. En outre, le taux d'absorption des nutriments ou de la biosynthèse des macromolécules doit être adapté à tout moment aux besoins de la cellule. Enfin, la différenciation cellulaire dans un organisme multicellulaire exige que chaque type de cellule utilise des enzymes différentes.

Pour toutes ces raisons, l'activité enzymatique doit être correctement régulée. Cette régulation se fait à deux niveaux différents :

• Modification de l'Activité des Enzymes Clés. Les mesures de régulation métabolique sont généralement situées au niveau des enzymes qui catalysent les réactions en début de voie métabolique. Il existe deux mécanismes principaux :
  • Transitions Allostériques. La structure tridimensionnelle de l'enzyme subit des changements induits par la fixation d'une molécule, l'effecteur ou modulateur, à un endroit autre que le site actif. Parfois, le modulateur stimule l'activité enzymatique et est appelé modulateur positif ou activateur ; le plus souvent, le modulateur agit comme un inhibiteur mixte et est connu comme un modulateur négatif. Souvent, le modulateur positif est le substrat lui-même, et le modulateur négatif est le produit final de la voie.
  • Modulation Covalente. Elle est typique des enzymes qui peuvent exister sous deux formes, actives et inactives, interconvertibles par liaison covalente, par exemple, des groupes phosphoryle ; cette union est catalysée par des enzymes appelées kinases.

• Changement de la Quantité d'Enzyme. Un deuxième niveau de régulation consiste à détruire les enzymes responsables de la production excessive d'un produit, via des structures appelées lysosomes ou protéasomes, ainsi qu'à produire sur les ribosomes les enzymes dont la cellule a besoin à tout moment.

Respiration et Fermentation

Traditionnellement, les processus cataboliques sont regroupés en deux grandes catégories : la respiration et la fermentation.

Cependant, il n'y a pas de classification officielle stricte, car de nombreuses réactions métaboliques sont communes à la fermentation et à la respiration.

La respiration est un processus chimique qui se produit dans toutes les cellules et qui est la combustion de composés hydrocarbonés, de préférence le glucose, qui peut être symbolisée par l'équation générale suivante :

Dans l'équation globale de la respiration du glucose, on peut déterminer les états d'oxydation des atomes de carbone impliqués, calculés comme le nombre de liaisons directes avec l'oxygène, moins le nombre de liaisons directes avec l'hydrogène :

L'état d'oxydation net du glucose, en ce qui concerne ses atomes de carbone, est égal à 0, tandis que celui des six molécules de CO₂ est de 6 × (4) = 24. Cela signifie que les atomes de carbone sont oxydés ; leurs liaisons ont donné un total de 24 électrons, qui sont allés à d'autres liaisons avec une plus grande « avidité » pour ces électrons.

Le « désir » ou affinité électronique peut être quantifié par le potentiel redox, qui n'est rien d'autre qu'une tension, une mesure de l'énergie potentielle des électrons capables de se déplacer d'une liaison à l'autre. Les électrons, étant des molécules chargées négativement, ont tendance à être transférés vers un potentiel redox plus positif.

Une substance qui peut exister sous deux formes, oxydée (par exemple, NAD⁺) et réduite (NADH), est un couple redox (couple NAD⁺/NADH dans ce cas). La tendance de la forme oxydée à gagner des électrons et à devenir réduite est mesurée par son potentiel d'oxydo-réduction ou potentiel redox, qui est représenté par E et est exprimé en millivolts (mV).

Si la combustion respiratoire était un simple saut d'électrons entre le glucose et O₂, ce bond qualitatif serait responsable de la libération soudaine d'énergie sous forme de chaleur et de lumière. Ce n'est pas le cas, car dans la respiration, le glucose est décomposé en petites étapes et les électrons, sous contrôle enzymatique, « descendent » progressivement, étape par étape, via des coenzymes comme le NAD⁺ et les cytochromes, espacés les uns des autres par de petites différences de potentiel redox. De cette façon, ils libèrent de l'énergie d'un montant comparable à celui nécessaire pour la synthèse d'ATP.

Par conséquent, la respiration consiste en la dégradation de molécules organiques dont les atomes de carbone atteignent l'état d'oxydation maximal (CO₂), au cours de plusieurs étapes qui libèrent de l'énergie en petites quantités.

Le rôle de l'O₂ est d'être l'accepteur final des électrons des liaisons C-H des nutriments organiques, et de les incorporer dans les liaisons O-H de l'eau. C'est ce qu'on appelle la respiration aérobie.

Certaines bactéries utilisent d'autres accepteurs finaux, comme SO₄^2- (réduit en S ou H₂S), l'ion Fe³⁺ (qui devient Fe²⁺), NO₃^- (réduit en NO₂^- et même NH₃) ou CO₂ (qui est réduit en CH₄). Le type de respiration effectué par ces bactéries est appelé respiration anaérobie.

Si l'accepteur final d'électrons n'est pas une substance inorganique, comme O₂ ou les accepteurs mentionnés ci-dessus, mais une autre substance organique obtenue à partir de la molécule donneuse d'électrons elle-même, le processus catabolique est anaérobie et devrait logiquement être appelé fermentation.

Parmi les plus importantes figurent la fermentation lactique et la fermentation alcoolique, qui répondent globalement aux équations suivantes :

Les réactions cataboliques comprennent essentiellement trois voies principales : la glycolyse, la voie des pentoses phosphates et le cycle de Krebs. L'une des découvertes les plus remarquables de la première moitié du XXe siècle a été que la respiration et les fermentations alcoolique et lactique partagent des réactions dans la première de ces voies.

La Glycolyse

La glycolyse est la voie métabolique la plus universelle, présente dans pratiquement toutes les cellules, procaryotes et eucaryotes. En raison de ses découvreurs, elle est aussi souvent connue sous le nom de voie d'Embden-Meyerhof-Parnas ou EMP.

Dans la glycolyse, une molécule de glucose est divisée en deux composés à trois carbones, sous forme ionisée appelée pyruvate, à travers une série de dix réactions catalysées par des enzymes (de E1 à E10).
Grâce à la glycolyse, la cellule reçoit des molécules à haute énergie telles que le NADH et l'ATP à partir de l'oxydation du glucose. Cette oxydation affecte un groupe aldéhyde (-CHO), dans le cadre des réactions catalysées par les enzymes centrales E6 et E7 de la séquence ci-dessus, qui cède deux électrons d'un ion hydrure H^- et accepte un anion oxyde O^2-, se transformant en un carboxylate (-COO^-) :

Le NAD⁺ peut alors recueillir des ions H^- et former du NADH, tandis que le reste de l'énergie peut être utilisée pour convertir une molécule d'ADP en ATP.

Pour que la réaction d'oxydation se produise, la molécule de glucose est divisée en deux trioses. C'est parce que le glucose a un groupe aldéhyde unique sur le carbone 1 ; si seule l'oxydation de ce carbone avait lieu, la molécule résultante conserverait la quasi-totalité de l'énergie du glucose d'origine. La division de l'hexose fournit deux groupes aldéhydes oxydables, ce qui double le rendement du processus.

Les intermédiaires de la glycolyse (les molécules entre le glucose et le pyruvate) sont liés de manière covalente à des groupes phosphoryle (PO₃^-), ce qui leur donne une charge négative et les empêche de traverser la membrane plasmique, qui manque de transporteurs pour les sucres phosphorylés, ou de quitter la cellule. En outre, la fixation de groupements phosphoryle aux centres actifs des enzymes fournit un ajustement de puissance qui contribue à abaisser l'énergie d'activation, ce qui accroît l'efficacité des réactions.

Le clivage et la phosphorylation de l'hexose produisent des intermédiaires, dont 6 des 13 précurseurs métaboliques nécessaires à la synthèse des macromolécules. En effet, la glycolyse est une voie amphibolique, impliquée dans les processus cataboliques et anaboliques, puisque la plupart de ses réactions sont réversibles et peuvent être utilisées dans les processus qui génèrent des hexoses à partir de petites molécules.

Dans la glycolyse, on peut distinguer deux phases :

Phase 1 : Préparatoire

Au cours de cette phase, l'hexose est « préparé » pour la réaction clé de la voie, c'est-à-dire pour l'oxydation des groupes aldéhydes des deux trioses phosphates, par les étapes suivantes :

• Phosphorylation du Glucose
  Le glucose pénètre dans la cellule par diffusion facilitée (transport passif) et, ce faisant, le groupe hydroxyle (-OH) du carbone 6 reçoit un groupe phosphate de l'ATP pour devenir glucose-6-phosphate (et ne peut plus quitter la cellule).
• Préparation du Clivage de l'Hexose
  Pour que la molécule d'hexose soit divisée en deux trioses préalablement phosphorylés, elle doit être phosphorylée non seulement au niveau du carbone 6, mais aussi au niveau du carbone 1.
  Cela nécessite :
  - Que le glucose-6-phosphate s'isomérise en fructose-6-phosphate.
  - Qu'une seconde phosphorylation se produise, transférant un autre groupe phosphate d'une molécule d'ATP pour former du fructose-1,6-bisphosphate.
• Formation de Deux Trioses Phosphorylés
  L'anneau du fructose-1,6-bisphosphate s'ouvre, puis la liaison entre les carbones 3 et 4 se rompt, donnant naissance au glycéraldéhyde-3-phosphate et au dihydroxyacétone phosphate.
  Le groupe carbonyle de la cétone ne s'oxyde pas aussi facilement que l'aldéhyde, faute d'une liaison C-H. Par conséquent, le dihydroxyacétone phosphate est isomérisé en une seconde molécule de glycéraldéhyde-3-phosphate.

Phase 2 : De Rendement Énergétique

Paradoxalement, une voie comme la glycolyse, conçue pour produire de l'ATP, commence par des dépenses : la première phase consomme deux molécules d'ATP, élevant la teneur en énergie libre des intermédiaires. Cet investissement initial devrait être récupéré dans la deuxième étape avec les « intérêts » correspondants ; c'est pourquoi cette série de cinq réactions est connue sous le nom de phase de rendement, et elle se produit deux fois, car une molécule de glucose est divisée en deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate.

C'est une séquence de deux événements :

• Oxydation du Glycéraldéhyde-3-Phosphate
  Le glycéraldéhyde-3-phosphate est oxydé par le transfert enzymatique d'un ion hydrure (H^-) du groupe aldéhyde au NAD⁺. Le NAD⁺ est réduit en NADH, mais le groupe aldéhyde n'est pas oxydé directement en groupe carboxylate, mais en groupe acyle phosphate du 1,3-bisphosphoglycérate.
• Conversion du 1,3-Bisphosphoglycérate
  Le groupe acyle phosphate du 1,3-bisphosphoglycérate est converti en groupe carboxylate du 3-phosphoglycérate par transfert d'un groupe phosphoryle à l'ADP pour former l'ATP.
• Réorganisation du 3-Phosphoglycérate
  La liaison phosphoester restante sur le troisième carbone du 3-phosphoglycérate a une énergie d'hydrolyse relativement faible. En vue du transfert du groupe phosphoryle à l'ADP et de la récupération de l'ATP consommé dans la phase préparatoire, il est d'abord nécessaire de déplacer la liaison phosphate du carbone 3 au carbone 2, transformant le 3-phosphoglycérate en 2-phosphoglycérate.
• Oxydation du 2-Phosphoglycérate
  Après cette réorganisation, le carbone central du 2-phosphoglycérate est oxydé, ce qui le transforme en phosphoénolpyruvate, un composé phosphorylé à haute énergie.
• Transfert du Groupe Phosphoryle
  Ensuite, le groupe phosphoryle de ce composé à haute énergie est transféré à l'ADP, formant ainsi l'ATP et du pyruvate.

On peut obtenir l'équation globale de la glycolyse en additionnant membre à membre les réactions qui la composent et en simplifiant les termes communs des deux côtés. En tenant compte du fait que dans la phase préparatoire, deux molécules d'ATP sont consommées, mais qu'au stade de rendement, qui se produit en deux exemplaires, il y en a quatre, le résultat est :

La voie de la glycolyse décrite se déroule dans le cytosol de la plupart des procaryotes et des eucaryotes. L'exception la plus remarquable concerne les plantes, où elle se produit également dans les chloroplastes. Bien que les enzymes qui catalysent les réactions de la voie puissent varier d'une cellule à l'autre, le résultat final est le même dans tous les cas.

Beaucoup d'autres hydrates de carbone que le glucose entrent dans la glycolyse à un stade ultérieur, ayant été transformés en l'un des intermédiaires de la voie :

• Les polysaccharides de réserve intracellulaire comme le glycogène sont mobilisés au sein de la cellule elle-même par des enzymes qui extraient les résidus de glucose, un par un, sous la forme de glucose-1-phosphate, qui est transformé en glucose-6-phosphate.
• Les glucides ingérés dans l'alimentation, tels que l'amidon, le lactose ou le saccharose, sont hydrolysés par l'action d'enzymes digestives appelées hydrolases. Les monosaccharides résultants tels que le fructose, le galactose... traversent l'épithélium intestinal et, après avoir été transportés vers les cellules, sont utilisés dans la glycolyse et sont phosphorylés pour devenir, enfin, du glucose-6-phosphate ou du fructose-6-phosphate.

Voies Après la Glycolyse

Les produits de la glycolyse (le pyruvate, le NADH et plusieurs substances intermédiaires telles que le glucose-6-phosphate) peuvent suivre plusieurs voies :

Voie des Pentoses Phosphates

Dans cette voie, le glucose-6-phosphate produit par la glycolyse est « dévié » et oxydé exclusivement dans le cytosol avec les fonctions suivantes :

• Utiliser cinq des six atomes de carbone du glucose pour synthétiser un pentose, le ribose-5-phosphate, qui est un composant essentiel des nucléotides et des acides nucléiques.
• Produire du NADPH comme source d'électrons nécessaire à la synthèse des acides gras, du cholestérol et des hormones stéroïdes.
• Métaboliser les pentoses issus de la digestion des acides nucléiques et les transformer en intermédiaires de la glycolyse comme le glycéraldéhyde-3-phosphate.

Voie du Pyruvate et NADH en Anaérobie

Dans l'oxydation de composés organiques, des électrons sont libérés qui réduisent le NAD⁺ en NADH. Parce que les cellules ont un nombre limité de NAD⁺, le NADH doit être recyclé pour se régénérer. Si de l'O₂ était présent, il prendrait les électrons et oxyderait le NADH en NAD⁺. Mais en l'absence d'oxygène, les cellules anaérobies utilisent le pyruvate comme accepteur d'électrons (fermentation), qui est réduit en produits tels que le lactate (fermentation lactique), l'éthanol (fermentation alcoolique), le propionate ou l'acétone.

Voie du Pyruvate et NADH en Aérobie

La plupart des cellules eucaryotes et un grand nombre de bactéries sont aérobies. Pour ces organismes, la glycolyse n'est que la première étape de la dégradation complète du glucose par la respiration, un processus dans lequel le pyruvate formé dans la glycolyse, au lieu d'être réduit en lactate ou d'autres produits de fermentation, est oxydé pour former du CO₂. En conséquence, davantage d'électrons libres sont collectés par des accepteurs tels que le NAD⁺. Le NAD⁺ est régénéré en transférant les électrons du NADH le long d'une séquence de transporteurs, appelée chaîne respiratoire, jusqu'à l'O₂. Le processus libère de grandes quantités d'énergie, qui est utilisée pour former de l'ATP.
L'oxydation du pyruvate se fait par le cycle de Krebs, qui, dans les cellules eucaryotes, se produit dans la matrice mitochondriale.

En outre, le carbone « entre » dans ce cycle sous forme de groupe acétyle attaché à la coenzyme A par une liaison thioester ; la molécule résultante est l'acétyl-coenzyme A (en abrégé, l'acétyl-CoA).

Ainsi, le pyruvate formé dans le cytosol doit être transporté dans les mitochondries. Il peut diffuser librement à travers la membrane mitochondriale externe via des porines, mais pour traverser la membrane interne, il nécessite la participation d'un transport actif, la translocase du pyruvate, où le pyruvate est échangé contre des ions OH^-.

Par la suite, le pyruvate est converti en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase (un complexe composé de trois enzymes et de plusieurs coenzymes), un processus appelé décarboxylation oxydative, dont l'équation globale est :

La décarboxylation oxydative commence par l'élimination du carbone 1 du pyruvate sous forme de CO₂. Le carbone 2 devient alors un groupe aldéhyde « activé » qui, comme dans la glycolyse, est oxydé, cédant des électrons au NAD⁺. L'énergie libérée lors de l'oxydation est conservée dans la liaison thioester de l'acétyl-CoA.

Le Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est central dans le réseau métabolique de la cellule. Non seulement c'est la voie de dégradation aérobie de toutes les molécules qui peuvent devenir un groupe acétyle, mais c'est aussi une source importante de molécules précurseurs métaboliques telles que les acides aminés, les bases azotées ou le cholestérol.

Le nom du cycle est dû à son principal découvreur, le biochimiste germano-britannique Hans Adolf Krebs (1900-1981) qui l'a nommé cycle de l'acide citrique, car c'est la première molécule formée dans cette voie. C'est un acide qui a trois groupes carboxyle, de sorte que la voie a également été appelée cycle des acides tricarboxyliques (TCA). Le cycle de Krebs est une séquence de huit réactions organisées de telle sorte que le substrat de la première, l'oxaloacétate, est le produit de la dernière.

À chaque tour, les processus suivants se produisent :

• Deux atomes de carbone relativement réduits entrent sous forme d'acétyl-CoA et deux molécules de H₂O par des réactions de condensation et d'hydratation. En retour, deux atomes de carbone oxydés sortent sous forme de CO₂ et deux protons H⁺.
• Trois paires d'électrons sont cédées au NAD⁺, formant trois NADH. Parfois, du NADPH est produit au lieu du NADH.
• Une quatrième paire d'électrons est moins énergétique que les précédentes et ne peut pas réduire le NAD⁺, mais l'ubiquinone ou coenzyme Q, ce qui donne (QH₂). Elle utilise une enzyme qui utilise le FAD comme cofacteur et est ancrée à la membrane mitochondriale interne des eucaryotes ou à la membrane plasmique des procaryotes, tandis que les enzymes restantes du cycle sont solubles dans la matrice mitochondriale ou le cytosol, respectivement.
• Une oxydation est couplée à un processus de phosphorylation qui génère de l'ATP. Dans les cellules animales, du GTP peut être formé, bien que cette molécule cède souvent son groupe phosphoryle à une molécule d'ADP, ce qui donne de l'ATP.

Le résultat global du cycle de Krebs est le suivant :

Et jusqu'à présent, l'équation globale de l'oxydation d'un glucose en six CO₂ par le cycle de Krebs est la suivante :

Les intermédiaires du cycle sont utilisés comme précurseurs dans diverses voies anaboliques. Par exemple, le succinyl-CoA est un intermédiaire dans la synthèse de l'hémoglobine et de la chlorophylle. C'est-à-dire que le cycle de Krebs est une voie amphibolique.

Les intermédiaires qui sont utilisés dans les processus anaboliques doivent être récupérés, sinon le cycle ne se ferme pas. Certains processus, connus sous le nom de réactions anaplérotiques (littéralement, « remplir »), sont responsables de la conversion du pyruvate ou du phosphoénolpyruvate en oxaloacétate ou en malate.

Catabolisme des Lipides et Protéines

L'acétyl-CoA représente un point de convergence pour d'autres processus cataboliques, ainsi que pour la dégradation des hydrates de carbone.

Catabolisme des Acides Gras

L'oxydation des acides gras se produit principalement dans les peroxysomes des plantes et les mitochondries animales. Le processus comprend trois étapes :

• Activation. Les acides gras avec 12 atomes de carbone ou moins entrent librement dans la mitochondrie, et y sont activés. Mais l'activation de ceux ayant 14 atomes de carbone ou plus se produit généralement sur la face cytosolique de la membrane mitochondriale externe. Pour remédier à la relative stabilité de la liaison C-C dans un acide gras, le groupe carboxyle est activé en formant une liaison thioester avec la coenzyme A, générant un acyl-CoA (pas d'acétyl-CoA). Dans le processus, l'hydrolyse produit deux liaisons à haute énergie de l'ATP et un pyrophosphate (PPi), dont l'hydrolyse immédiate en deux phosphates (Pi) libère une grande quantité d'énergie qui entraîne la réaction dans le sens de la formation de l'acyl-CoA.
• Transport. Les acides gras activés sur la face cytosolique de la membrane mitochondriale externe doivent traverser la membrane mitochondriale interne, pour cela l'acyl-CoA formé se lie transitoirement à la carnitine, se diffusant via le transporteur appelé acyl-carnitine dans la matrice mitochondriale.
• β-oxydation. Il s'agit d'un cycle récurrent de quatre étapes. Les trois premières impliquent l'oxydation du carbone β de l'acyl-CoA (le deuxième carbone après le groupe carboxyle). La quatrième étape, le clivage entre les carbones α et β, génère une molécule d'acétyl-CoA et un acyl-CoA avec deux atomes de carbone de moins.

Catabolisme des Triglycérides (Graisses)

Les acides gras utilisés comme carburant par les cellules animales peuvent être tirés des triglycérides ingérés, stockés dans les tissus de stockage tels que le tissu adipeux, ou fabriqués dans le foie à partir des glucides en excès dans l'alimentation.
Les graisses sont le principal corps de réserve d'énergie, car leurs atomes de carbone sont presque complètement réduits par rapport à ceux des sucres ou des acides aminés, de sorte que leur oxydation fournit plus d'ATP. Étant insolubles dans l'eau, elles ne sont pas hydratées et peuvent « emballer » plus de réserves dans les tissus.
Pour pénétrer dans les cellules, les triacylglycérols doivent être hydrolysés par des enzymes appelées lipases, résultant en glycérol et acides gras :

Triacylglycérol + 3 H₂O → Glycérol + 3 Acides gras

Les acides gras sont transportés dans la cellule, où ils subissent la β-oxydation.
Pour sa part, le glycérol est phosphorylé par un ATP et le glycérol-3-phosphate est oxydé en dihydroxyacétone phosphate et NADH, qui entre dans la glycolyse.

Catabolisme des Protéines

Chez les animaux, les acides aminés peuvent également contribuer à la production d'énergie. Les plantes, cependant, n'utilisent jamais les acides aminés comme source d'énergie.
Chez l'homme, l'oxydation des acides aminés se produit dans trois situations différentes :

• Au cours du renouvellement normal des protéines cellulaires
  La plupart des protéines dans la cellule ont une durée de vie limitée et se dégradent. Ce recyclage permet de renouveler les structures et de rajeunir les cellules, ainsi que de se débarrasser des protéines étrangères et des protéines mal repliées ou dénaturées. Celles de courte durée sont dégradées dans le cytosol, dans des complexes protéiques appelés protéasomes, tandis que les protéines à plus longue durée de vie finissent par être digérées par les lysosomes.
• Régime riche en protéines
  Les protéines alimentaires sont dégradées en acides aminés dans l'intestin par des enzymes appelées protéases. En cas d'ingestion d'acides aminés dépassant les besoins du corps pour la synthèse des protéines, l'excédent est catabolisé, car les acides aminés ne peuvent pas être stockés.
• Pendant la famine ou des maladies comme le diabète sucré
  Dans de telles situations, il n'y a pas de réserve d'hydrates de carbone ou ils ne peuvent pas être correctement utilisés, et les protéines de la cellule sont utilisées comme carburant.

La première étape dans la dégradation des acides aminés est la séparation du groupe amino et du squelette carboné.
En général, le groupe aminé est transféré à l'α-cétoglutarate par des enzymes appelées transaminases, et du glutamate est formé. Ce dernier atteint les mitochondries du foie, où le groupe aminé est libéré sous forme d'ions ammonium (NH₄⁺) qui est toxique. Le foie de nombreux animaux le convertit en urée (H₂N-CO-NH₂) par un processus appelé cycle de l'urée. L'urée pénètre dans le sang, atteint les reins et est excrétée dans l'urine.
Le squelette carboné résultant est oxydé dans le cycle de Krebs, en particulier en acétyl-CoA, α-cétoglutarate, succinyl-CoA, fumarate et oxaloacétate. Certains acides aminés sont également dégradés en pyruvate.

Chaîne Respiratoire et Phosphorylation Oxydative

L'ATP est formé par l'addition d'un groupement phosphoryle à l'ADP, soit par phosphorylation. Ce processus est toujours couplé au transfert d'une paire d'électrons entre deux substances séparées par une différence de potentiel redox de 300 mV.

Dans la phosphorylation au niveau du substrat, le donneur d'électrons est un métabolite comme le glycéraldéhyde-3-phosphate, et c'est un composé phosphorylé à haute énergie, qui transfère un groupement phosphate à l'ADP. La quantité d'ATP obtenue par cette méthode est faible.

La majeure partie de l'ATP produite dans la respiration cellulaire provient de la réduction de l'O₂ avec des électrons donnés par le NADH ou d'autres coenzymes (FADH2, quinones...) grâce à un système de transporteurs membranaires appelé la chaîne respiratoire. Le processus est appelé phosphorylation oxydative et dépend du flux de H⁺ ou Na⁺ à travers les membranes.

La chaîne respiratoire est située dans la membrane plasmique des bactéries ou dans la membrane mitochondriale interne des cellules eucaryotes. Elle est constituée de transporteurs d'électrons qui agissent de façon séquentielle, dont la plupart sont des protéines membranaires intégrales avec des groupes prosthétiques capables de donner et d'accepter un ou deux électrons.
On reconnaît quatre classes de ces transporteurs : les flavoprotéines (FAD), la coenzyme Q ou ubiquinone (le seul transporteur d'électrons ne faisant pas partie d'une protéine, et se déplaçant librement à travers la bicouche phospholipidique de la membrane mitochondriale interne), les cytochromes (a, a₃, b, c₁) et les centres fer-soufre.

Sauf pour l'ubiquinone, qui est distribuée dans la bicouche lipidique, et le cytochrome c, situé dans l'espace intermembranaire, les transporteurs d'électrons de la chaîne respiratoire forment des complexes supramoléculaires dans la membrane mitochondriale interne. Dans les mitochondries des cellules animales, on trouve quatre grands complexes :

• Complexe I ou NADH déshydrogénase. Il est plus grand que le ribosome et transfère les électrons du NADH à l'ubiquinone. Il contient du FMN comme groupement prosthétique et au moins six centres FeS.
• Complexe II ou succinate déshydrogénase. C'est l'enzyme qui catalyse le passage du succinate au fumarate dans le cycle de Krebs et donne des électrons à l'ubiquinone. Il possède du FAD et trois centres FeS comme groupements prosthétiques.
• Complexe III ou complexe bc₁. Son nom vient du fait que ce complexe contient les cytochromes b et c₁, et un centre fer-soufre spécial appelé centre de Rieske. Il transfère les électrons de l'ubiquinone au cytochrome c.
• Complexe IV ou cytochrome oxydase. Il contient les cytochromes a et a₃ et des atomes de cuivre capables de passer de l'état oxydé (Cu²⁺) à l'état réduit (Cu⁺). Il transfère les électrons du cytochrome c à l'O₂.

Dans les cellules végétales, une NADH déshydrogénase orientée vers le cytosol transfère directement les électrons du NADH formé dans la glycolyse à l'ubiquinone. Cette enzyme est absente chez les cellules animales.

Cette absence crée un problème dans les cellules animales : le complexe I ne recueille les électrons du NADH que si celui-ci se trouve dans la matrice mitochondriale. Ainsi, le NADH généré dans le cytosol par la glycolyse ne peut en principe pas être réoxydé par la chaîne respiratoire, car la membrane mitochondriale interne est imperméable au NADH. Cependant, il existe des systèmes de navettes qui transportent les électrons du NADH cytosolique vers la chaîne respiratoire par une voie indirecte. La plus active d'entre elles, appelée navette malate-aspartate, transfère les électrons du NADH cytosolique à une molécule de NAD⁺ dans la matrice, qui est réduite en NADH, puis transfère ses électrons au complexe I. La navette glycérol-3-phosphate, caractéristique du muscle squelettique et du cerveau, transfère directement les électrons à l'ubiquinone, « court-circuitant » le complexe I.

Le flux d'électrons d'un transporteur à l'autre se fait vers un potentiel redox plus positif, et ce processus libère de l'énergie qui peut être couplée à la synthèse d'ATP. Ce couplage s'effectue par le biais du mécanisme proposé en 1961 par le biochimiste britannique Peter Dennis Mitchell, qui a nommé sa proposition l'hypothèse chimiosmotique, un processus qui se déroule en deux étapes :

• Formation d'un Gradient de Protons
  Les complexes I, III et IV de la chaîne respiratoire agissent comme des pompes à protons : ils utilisent l'énergie fournie par le flux d'une paire d'électrons pour éjecter de la mitochondrie 4, 4 et 2 H⁺, respectivement. Au total, 10 H⁺ sont pompés lorsque le NADH donne des électrons à la chaîne respiratoire, et 6 H⁺ sont transférés directement si l'ubiquinone est l'accepteur. Le résultat est la formation d'un gradient de concentration de protons des deux côtés de la membrane mitochondriale interne.
• Utilisation du Gradient de Protons pour Fabriquer de l'ATP
  Puisque les H⁺ portent une charge électrique, leur accumulation d'un côté de la membrane crée à la fois une différence de potentiel électrique par rapport à l'autre côté et une différence de pH, ce qui représente une accumulation d'énergie. Cette énergie est libérée lorsque les H⁺ retournent passivement vers la matrice. Ce retour se fait par un complexe de la membrane interne appelé ATPase ou ATP synthase.

En comparant le nombre de H⁺ pompés par la chaîne respiratoire et le nombre de H⁺ nécessaires pour fabriquer de l'ATP, nous concluons que pour chaque NADH qui transfère ses électrons, 3 ATP sont produits. Toutefois, il convient de noter que le gradient de H⁺ n'est pas seulement utilisé pour fabriquer de l'ATP. De nombreux transporteurs opérant dans la membrane mitochondriale interne tirent leur énergie directement du gradient de H⁺, et non de l'ATP. C'est le cas des transporteurs qui introduisent les molécules de Pi et d'ADP nécessaires à la synthèse de l'ATP dans la matrice mitochondriale, tout en laissant sortir le nouvel ATP. Ces processus consomment des H⁺ supplémentaires, de sorte que la synthèse de 3 ATP nécessite, en réalité, le flux de 13 H⁺ (10 pour parcourir un tour du rotor et 3 pour l'importation d'ADP et de Pi).

Chaque jour, nous découvrons davantage de processus cellulaires dont la source d'énergie n'est pas seulement l'hydrolyse de l'ATP, mais aussi le flux d'ions H⁺ selon leur gradient de concentration ou, dans de nombreux cas, le flux d'ions Na⁺. On peut alors poursuivre l'analogie de Lipmann et conclure que toutes les cellules connaissent deux « monnaies » de l'énergie : une soluble (ATP ou, parfois, GTP) et un gradient de protons et/ou d'ions sodium associé à la membrane. L'ATP synthase serait une sorte de « bureau de change », capable de convertir une monnaie en une autre.