Metabolisme énergétique

Metabolisme énergétique

1) Introduction.

Nous fabriquons l'énergie nécéssaire à la vie à partir des divers aliments que nous mangeons. L'énergie stockée dans ces aliments provient elle-même de l'énergie solaire récupérée par les plantes qui utilisent un organite spécial, le chloroplaste, pour transformer le gaz carbonique et l'eau en sucres. Pour récupérer l'énergie stockée dans la nourriture, il faut dégrader les aliments.
L'énergie libérée au cous de ces réactions est transférée à l'ATP (adénosine triphosphate), une molécule transporteuse d'énergie. Dans l'ATP, le troisième groupement phosphate est lié par une liaison à haute énergie et cette énergie peut être libérée en cas de besoin par la conversion de l'ATP en ADP (adénine diphosphate).

La dégradation du glucose libère de grandes quantités d'ATP. Le glucose provenant de la nourriture est dégradé étape par étape jusqu'a la production de gaz carbonique et d'eau. Cette réaction utilise de l'oxygène:


Il ne s'agit pas d'une réaction chimique simple mais d'une séquence ordonnée de réactions au cours de laquelle l'énergie du glucose est progressivement libérée et stockée dans des molécules transporteur.

La première série de réaction a lieu dans le cytosol et porte le nom de glycolyse. Au cours de la glycolyse, le glucose à 6 carbones est dégradé en deux molécules à trois carbones, le pyruvate. Cette conversion nécessite une série de 10 réactions élémentaires, dont chacune est catalysée par sa propre enzyme. Une telle série de réaction où chaque produit d'une étape constitue le substrat de l'étape suivante est appelée une voie métabolique.

Pour chaque molécule de glucose convertie en pyruvate, 2 molécules d'ATP est consommé pour investir dans la production de 4 molécules d'ATP: 2 ATP en rendement net. En outre, la glycolyse conduit à la production de NADH à partir de NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide). Le NADH sert de transporteur d'électrons possédant une haute énergie et cette énergie est ensuite utilisée pour générer encore plus d'ATP pendant la phosphorylation oxydative.

2) Le cycle de Krebs.

Le cycle de Krebs, encore appelé cycle de l'acide citrique ou cycle des acides tricarboxyliques est une voie métabolique dont les enzymes sont situées dans la matrice mitochondriale. Il génère du CO2 et du NADH.

Du pyruvate est produit dans le cytosol par le biais de la glycolyse. Il est transporté dans les mitochondries avec l'aide d' un coenzyme, l'acide lipoique où il s'associe à du coenzyme A (CoA) pour former de l'acétyl CoA. Cette réaction n'est possible qu'en présence de pyruvate déshydrogénase (avec la vitamine B1 thiamine comme coenzyme), tout en libérant déjà du CO2 qui provenait du groupement COO-, et une molécule de NADH.
Le groupement acétyl est ensuite transféré de l'acétyl CoA vers l'oxaloacétate pour former l'acide citrique avec libération de CoA.
Le résultat du cycle de Krebs est une production de FADH2 et une production accrue de NADH.

Remarque: L'acétyl CoA peut être produit dans les cellules à partir d'acides gras. Le système rejoint alors le cycle de Krebs. De façon similaire, les protéines sont digérées en produisant des acides aminés et ceux-ci peuvent être encore dégradés pour approvisionner le cycle de Krebs et générer de l'énergie.

3) Phospholarylation oxydative.

Les électrons à haute énergie du NADH généré par la glycolyse et le cycle de Krebs sont utilisés pour générer encore plus d'ATP. Ces électrons sont transférés le long d'une chaîne de transport d'électrons, grâce à une série de transporteurs.

Au cours de ce processus, leur énergie est libérée et utilisée pour pomper des ions hydrogène hors de la matrice mitochondriale (vers l'espace intermembranaire). créant ainsi un gradient électrochimique. Ce gradient est utilisé par l'ATP synthase pour produire de l'ATP.
Cette enzyme est une protéine de la membrane mitochondriale interne. Quand les ions H+ entrent à nouveau dans la matrice mitochondriale en passant à travers un tunnel étroit dans l'enzyme, l'énergie générée par leur flux est utilisée pour produire de l'ATP. Ce processus s'appelle la phosphorylation oxydative. Les électrons et les ions H+ sont finalement transférés à de l'oxygène pour produire de l'eau:
NADH + 1/2 O2 + H+ -> NAD+ + H2O

Le FAD joue évidement son rôle au niveau du cycle de Krebs et ne rentre qu'à partir du complexe II dans la chaîne de transporteur d'électron. Il produit donc moins d'énergie que le NADH.

4) La respiration anaérobique.

La dégradation complète du glucose, telle qu'elle a été décrite ci-dessus, nécessite la présence d'oxygène.
Dans des conditions anaérobiques (en l'absence d'oxygène), la glycolyse devient la principale source d'ATP. Dans certaine cellule musculaires, par exemple au cours d'un exercice intense, quand tout l'oxygène disponible à été utilisé, de l'acide lactique est produit en une seule étape sans production de CO2 contrairement à la fermentation qui requière 2 étapes avec production de CO2 et d'éthanol.