Respiration cellulaire

Glycolyse

La glycolyse est une voie métabolique qui se déroule dans le cytosol des cellules de pratiquement tous les êtres vivants. Elle peut fonctionner de manière aérobie ou anaérobie, c'est-à-dire respectivement en présence ou en l'absence d'oxygène. Chez l'homme, elle conduit au pyruvate en conditions aérobies et au lactate en conditions anaérobies.

En conditions aérobies, ce processus convertit une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate, avec production concomitante de deux molécules d'ATP. Plus précisément, il commence par consommer deux molécules d'ATP pour accroître la réactivité du glucose en vue de son clivage par l'aldolase puis en produit quatre par phosphorylation au niveau du substrat, avec production de deux molécules de NADH. La réaction globale de la glycolyse peut s'écrire :

glucose + 2 NAD⁺ + 2 P_i + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺ + 2 H₂O + chaleur.

La première étape de la glycolyse est la formation de glucose-6-phosphate, à partir de glucose sous l'action de l'hexokinase, ou de glycogène sous l'action successive de la glycogène phosphorylase et de la phosphoglucomutase en passant par le glucose-1-phosphate. Le glucose-6-phosphate est ensuite isomérisé en fructose-6-phosphate par la glucose-6-phosphate isomérase et une seconde molécule d'ATP est utilisée pour phosphoryler ce dernier en fructose-1,6-bisphosphate par la phosphofructokinase-1. C'est le fructose-1,6-bisphosphate qui est clivé en deux molécules à trois atomes de carbone, qui sont chacune converties en pyruvate.

Cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique)

En milieu anaérobie (absence d'oxygène O₂), le pyruvate issu de la glycolyse subit une fermentation, tandis que, en milieu aérobie (présence d'O₂), le pyruvate issu de la glycolyse est converti en acétyl-CoA, à partir duquel il est dégradé par le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale pour donner deux molécules de CO₂ et permettant la formation de trois molécules de NADH, une molécule de FADH₂ et une molécule de GTP, équivalent à une molécule d'ATP. Le NADH et le FADH₂ peuvent être oxydés par la chaîne respiratoire pour produire davantage d'ATP.

Le cycle de Krebs est un processus en dix étapes impliquant huit enzymes et diverses coenzymes. L'acétyl-CoA (composé à deux atomes de carbone, c'est-à-dire en C2) est condensé avec l'oxaloacétate (composé en C4) pour former du citrate (composé en C6), lequel est réarrangé en isocitrate, plus réactif, qui donne de l'α-cétoglutarate (composé en C5). Ce dernier donne ensuite de la succinyl-CoA (groupe en C4) puis successivement du succinate, du fumarate, du malate et, finalement, à nouveau de l'oxaloacétate.

Phosphorylation oxydative

Chez les eucaryotes, la phosphorylation oxydative se déroule dans la membrane mitochondriale interne, plus précisément au niveau des crêtes de cette membrane (cristae). Elle comprend la chaîne respiratoire, qui assure l'oxydation des coenzymes réduites par le cycle de Krebs, et l'ATP synthase, enzyme capable de phosphoryler l'ADP en ATP à partir de l'énergie libérée par la chaîne respiratoire au cours de l'oxydation des coenzymes. Cette énergie est emmagasinée sous forme de gradient électrochimique à travers la membrane interne de la mitochondrie sous l'effet de pompes à protons qui génèrent un gradient de concentration de protons au cours de la circulation des électrons le long de la chaîne respiratoire. L'étape finale de cette dernière est la réduction d'une molécule d'oxygène par quatre électrons pour former deux molécules d'eau en fixant quatre protons.

Rendement énergétique de la respiration aérobie

Le tableau ci-dessous résume les étapes qui produisent de l'ATP et des coenzymes réduites lors de l'oxydation complète d'une molécule de glucose en CO₂ et H₂O.

Le rendement théorique de l'oxydation complète d'une molécule de glucose au cours de la respiration cellulaire est de 38 molécules d'ATP mais est rarement atteint en raison de différentes pertes d'énergie telles que le transport actif du pyruvate produit dans le cytosol par la glycolyse jusque dans la matrice mitochondriale pour être dégradé par le cycle de Krebs après décarboxylation en acétyl-CoA, ou encore :

• par le transport actif du phosphate dans la mitochondrie par la protéine SLC25A3 (en), qui fonctionne comme un antiport échangeant des ions phosphate H₂PO₄⁻ contre des ions hydroxyde OH⁻ ou comme un symport avec les protons H⁺ en utilisant la force proton-motrice générée par la chaîne respiratoire.
• par le transport actif de l'ADP et de l'Adénosine triphosphate à travers la membrane mitochondriale interne par la translocase ATP/ADP, un antiport qui utilise également la force proton-motrice par le fait que l'ATP possède une charge électrique de –4 tandis que l'ADP n'a qu'une charge électrique de –3 : l'ATP sort de la mitochondrie en dissipant le gradient électrochimique généré par la chaîne respiratoire.

Le résultat de ces différents processus de transport actif utilisant la force proton-motrice et le gradient électrochimique générés par la chaîne respiratoire est que plus de trois protons sont nécessaires pour produire une molécule d'ATP par phosphorylation oxydative. C'est la raison pour laquelle la production maximum d'ATP par molécule de glucose entièrement oxydée ne dépasse pas 30 molécules^[2].

En pratique, ce rendement peut même être encore réduit en raison de fuites de protons à travers la membrane mitochondriale interne^[3].

D'autres facteurs sont également susceptibles de dissiper le gradient de concentration de protons autour de la membrane interne de la mitochondrie, ce qui représente une dissipation d'énergie supplémentaire et induit donc une baisse du rendement énergétique global de l'oxydation de cette molécule de glucose. C'est par exemple le cas d'une protéine, la thermogénine, exprimée dans certains types de cellules et qui a pour effet de transporter des protons à travers la membrane mitochondriale interne, laquelle leur est normalement imperméable. En dissipant le gradient de concentration de protons, cette protéine découple les deux composantes de la phosphorylation oxydative : l'énergie libérée par la chaîne respiratoire sous forme d'un gradient électrochimique n'est plus utilisée pour produire de l'ATP en phosphorylant l'ADP mais est simplement convertie en chaleur. Ceci est particulièrement important pour la thermogenèse dans le tissu adipeux brun chez les mammifères en hibernation.

Note :

Il existe d'autres voies dans la respiration cellulaire :

• des chaines respiratoires différentes sans cytochrome a/a3 (E. coli par exemple)
• une voie oydative directe où le FADH₂ est oxydé directement par le d'oxygène en peroxyde d'hydrogène H₂O₂, ce qui impose une catalase en aérobiose pour éliminer le produit. Cette voie est peu énergétique.

en nitrites

L'ammoniac NH₃ est utilisé comme réducteur, oxydé en Nitrite NO₂^- notamment par une bactérie Nitrosomonas.

L'oxydant (accepteur terminal d'électrons) est le d'oxygène. Il s'agit d'une respiration aérobie.

soit : 2 NH₃ + 3 O₂ → 2 NO₂^- + 2 H⁺ + 2 H₂O

Le schéma montre les différents éléments intervenant dans ce métabolisme qui provoque la formation du gradient de protons pour l'ATP synthase.

Les nitrites produits sont oxydés par Nitrobacter en particulier en nitrates, en particulier Nitrobacter, soit : 2 NO₂^- + O₂ → 2 NO₃^-

en nitrates

La toxicité des nitrites impose cette élimination et les deux bactéries citées fonctionnent ensemble, en particulier pour la dépollution des eaux dans les stations d'épuration transformant donc l'ammoniac, lui aussi toxique, en nitrates.

Une nitrite oxydase oxyde les nitrites en nitrates. Les électrons sont transférés à un cytochrome c qui les transmet lui-même au complexe cytochrome a/a3 oxydase puis au dixoygène. Le gradient d'ions H⁺ permet l'activité de l'ATP synthase.

Pour synthétiser le NADH nécessaire aux synthèses, la bactéries utilise un flux inverse de protons.