Les animaux, ne peuvent rester en vie sans énergie.
Cette énergie, les animaux l'obtiennent en consommant une myriade de molécules organiques de toutes sortes, en les convertissant en un nombre plus restreint de molécules relativement simples, puis en extrayant graduellement l'énergie chimique entreposée dans ces carburants pour la monnayer sous une forme directement utilisable (l'ATP), ou pour l'entreposer à court (glycogène) ou moyen (graisses) terme. Les voies métaboliques comprennent des milliers de réactions chimiques complexes qui doivent être coordonnées efficacement pour fournir l'énergie venant de la nourriture (catabolisme) ou pour créer d'autres molécules organiques à partir de molécules plus simples (anabolisme).
ATP: la monnaie unique de l'économie énergétique cellulaire
Les cellules animales ne peuvent survivre à de hautes températures ou à de fortes pressions. L'extraction de l'énergie contenue dans les molécules composant leur nourriture doit donc se faire graduellement. Pas question de simplement brûler des hydrates de carbones (comme dans un moteur à explosion). Les voies cataboliques permettent de convertir les grandes quantité d'énergie contenues dans les sucres, les acides gras ou les acides aminés, en de plus petites dénominations: les molécules d'ATP. Cette conversion d'énergie contenue dans la nourriture se fait en une série d'étapes et fait intervenir un nombre hallucinant de composés et enzymes. En couplant les réaction exergoniques à des réactions endergoniques, les cellules animales peuvent donc libérer l'énergie quand est elle requise et là où elle est requise.
Pourquoi l'oxygène est-il nécessaire ?
Si la grande majorité des animaux ont besoin d'oxygène pour survivre, c'est parce qu'en son absence ils ne peuvent extraire assez d'énergie des carburants assimilés. Lorsque l'oxygène est disponible aux cellules animales, elles peuvent complètement oxyder les molécules d'aliments en dioxyde de carbone et en eau. En son absence, l'oxydation est moins complète, et l'énergie produite ne correspond qu'à une fraction de ce qui est libéré en conditions aérobies. Les cellules qui ont un métabolisme élevé et qui ont peu de réserves d'ATP (neurones du cerveau des mammifères, par exemple) ne peuvent survivre plus d'une minute ou deux sans oxygène.
Production d'ATP en conditions aérobies
En conditions aérobies, la production d'ATP à partir d'un sucre simple comme le glucose se fait en 4 étapes.
Cette énergie, les animaux l'obtiennent en consommant une myriade de molécules organiques de toutes sortes, en les convertissant en un nombre plus restreint de molécules relativement simples, puis en extrayant graduellement l'énergie chimique entreposée dans ces carburants pour la monnayer sous une forme directement utilisable (l'ATP), ou pour l'entreposer à court (glycogène) ou moyen (graisses) terme. Les voies métaboliques comprennent des milliers de réactions chimiques complexes qui doivent être coordonnées efficacement pour fournir l'énergie venant de la nourriture (catabolisme) ou pour créer d'autres molécules organiques à partir de molécules plus simples (anabolisme).
ATP: la monnaie unique de l'économie énergétique cellulaire
Les cellules animales ne peuvent survivre à de hautes températures ou à de fortes pressions. L'extraction de l'énergie contenue dans les molécules composant leur nourriture doit donc se faire graduellement. Pas question de simplement brûler des hydrates de carbones (comme dans un moteur à explosion). Les voies cataboliques permettent de convertir les grandes quantité d'énergie contenues dans les sucres, les acides gras ou les acides aminés, en de plus petites dénominations: les molécules d'ATP. Cette conversion d'énergie contenue dans la nourriture se fait en une série d'étapes et fait intervenir un nombre hallucinant de composés et enzymes. En couplant les réaction exergoniques à des réactions endergoniques, les cellules animales peuvent donc libérer l'énergie quand est elle requise et là où elle est requise.
Pourquoi l'oxygène est-il nécessaire ?
Si la grande majorité des animaux ont besoin d'oxygène pour survivre, c'est parce qu'en son absence ils ne peuvent extraire assez d'énergie des carburants assimilés. Lorsque l'oxygène est disponible aux cellules animales, elles peuvent complètement oxyder les molécules d'aliments en dioxyde de carbone et en eau. En son absence, l'oxydation est moins complète, et l'énergie produite ne correspond qu'à une fraction de ce qui est libéré en conditions aérobies. Les cellules qui ont un métabolisme élevé et qui ont peu de réserves d'ATP (neurones du cerveau des mammifères, par exemple) ne peuvent survivre plus d'une minute ou deux sans oxygène.
Production d'ATP en conditions aérobies
En conditions aérobies, la production d'ATP à partir d'un sucre simple comme le glucose se fait en 4 étapes.
- Tout d'abord, le glucose (un hexose, donc un sucre à six carbones) est scindé en deux molécules de pyruvate (ou d'acide pyruvique, à 3 carbones).Cette étape a lieu dans le cytosol et est communément appelée la glycolyse.
- Les molécules de pyruvate produites doivent ensuite traverser la membrane mitochondriale où elles sont transformées au passage. C'est la réaction de transition
- Dans la matrice mitochondriale, les dérivés du pyruvate sont complètement oxydés en dioxyde de carbone et en eau. L'énergie chimique contenue dans les molécules dégradées est transférée (en partie) à des molécules spécialisées (NADH, FADH2). C'est le cycle de l'acide citrique, aussi appelé cycle de Krebs.
- À la surface de la membrane mitochondriale interne, la chaîne de transport des électrons convertit l'énergie entreposée temporairement dans les molécules spécialisées (NADH, FADH2) en ATP. Cette étape cruciale,la phosphorylation oxydative, produit la majorité des ATP.
Glycolyse
Le glucose est une molécule qui contient 686 kcal par mole d'énergie qui peut être libérée par oxydation. La glycolyse est la première étape du processus cellulaire de respiration. Elle a lieu dans le cytosol de nombreux type de cellules animales. Au cours de la glycolyse, la transformation du glucose suit une séquence de 9 réactions catalysées par des enzymes qui produisent deux molécules de pyruvate (la forme ionisée de l'acide pyruvique). La glycolyse ne se produit pas spontanément : deux molécules d'ATP sont nécessaires à la phosphorylation du glucose pour produire l'intermédiaire réactif. La glycolyse produit 4ATP (pour une production nette de 2), 2 NADH et 2 pyruvate.
Les deux molécules de pyruvate produites contiennent encore la majorité de l'énergie chimique du glucose. En fait, la glycolyse ne convertit qu'environ 2% de l'énergie du glucose en ATP. Les animaux qui peuvent exploiter l'énergie contenue dans le pyruvate auront donc un avantage important.
Oxydation du pyruvate (Réaction de transition)
En présence d'oxygène, la plupart des cellules animales vont dégrader le pyruvate en dioxyde de carbone et en eau au cours de trois étapes : l'oxydation du pyruvate, le cycle de l'acide citrique, et la phosphorylation oxydative
(chaîne de transport des électrons). Cependant, l'oxygène n'entre réellement en action qu'à la toute dernière étape de la chaîne de transport des électrons.
Une mole de pyruvate peut être oxydée en libérant 271.5 kcal d'énergie libre. À l'étape d'oxydation du pyruvate (réaction de conversion), les deux molécules de pyruvate sont converties en deux molécules d'acétate. Cette réaction a lieu dans la mitochondrie et libère du dioxyde de carbone, un déchet qui doit diffuser hors de la cellule. Le produit de cette étape est donc deux molécules d'acétate qui vont se joindre à 2 molécules de coenzyme A pour former 2 acétyl CoA. Cette oxydation des deux molécules de pyruvate va également produire 2 NADH.
L'acétate, une molécule à 2 carbones, peut être produit à partir de pyruvate, mais aussi à partir de nombreux acides aminés, des parties d'acides nucléiques, et de la plupart des sucres. Lorsque combiné à une molécule de coenzyme A, le produit (Acétyl CoA) peut ensuite être dégradé par la troisième grande étape : le cycle de l'acide citrique.
Le cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs)
Décrit en 1937 par Sir Hans Krebs, ce qui lui a éventuellement valu le prix Nobel, le cycle de l'acide citrique fait intervenir des enzymes attachées à la membrane interne de la mitochondrie, et d'autres dans la matrice mitochondriale.
À la fin des huit étapes du cycle, pour chaque molécule d'acétyl CoA, 3 molécules de NADH, une de FADH2, et une molécule d'ATP sont produites, et il y a production de deux molécules de dioxyde de carbone.
L'énergie contenue dans les transporteurs d'électron NADH et FADH2 ne sera libérée qu'à l'étape suivante par la chaîne de transport des électrons.
Avant d'entrer dans la chaîne de transport des électrons, une mole de glucose aura donc été convertie en :
4 moles d'ATP (équivalent à 29Kcal)
10 moles de NADH (environ 520Kcal)
2 moles de FADH2 (environ 70 Kcal)
Ce qui correspond à environ 90% des 686 kcal initialement contenues dans le glucose. Le 10% "perdu" est dissipé en chaleur. Mais seulement 29 kcal sont directement disponible sous forme d'ATP. L'essentiel de l'énergie est contenu dans les transporteurs d'électrons NADH et FADH2. La chaîne de transport des électrons sert à convertir toute cette énergie en ATP le plus efficacement possible.
La chaîne de transport des électrons consiste en une série de transporteurs d'électrons associés à des protéines qui sont imbriquées de part et d'autre de la membrane interne des mitochondries. Ces transporteurs sont positionnés en série dans la membrane en ordre croissant d'affinité pour les électrons. Les électrons, passant d'un transporteur à l'autre, relâchent de l'énergie qui est harnachée pour produire de l'ATP. Ce processus de production de l'ATP à partir du transport des électrons est appelé la phosphorylation oxydative. Le NADH et le FADH2 produits lors de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique transfèrent leur électrons (avec les ions hydrogènes associés) à la chaîne de transport des électrons, ce qui permet de regénérer le NAD+, qui autrement viendrait à manquer. Le cyanure et le monoxyde de carbone sont des poisons métaboliques qui inhibent la chaîne de transport des électrons.
Seule une partie de l'énergie contenue dans les transporteurs d'électrons NADH et FADH2 est emmagasinée dans l'ATP. Le reste est dissipé sous forme de chaleur. Au total, l'ensemble des 4 étapes de la respiration aérobie permet de convertir 40% de l'énergie du glucose (les 60% restants s'échappent sous forme de chaleur). Synthèse de l'ATP. Simultanément au passage des électrons dans la chaîne de transport des électrons, des ions H+ sont transportés dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie. L'accumulation de ces ions crée un gradient d'énergie chimique résultant de différences de concentration d'ions hydrogène (pH) de chaque coté de la membrane interne. La chaîne de transport d'électrons fonctionne donc simultanément comme une pompe à protons.
L'ATP est formé à partir d'ADP et de phosphore inorganique lors du retour des protons vers l'espace intérieur de la mitochondrie. L'ATP-synthase (ATPase à protons) est une enzyme située dans des pores à la surface de la membrane interne de la mitochondrie qui capture l'énergie chimique relâchée par le retour des protons vers la matrice de la mitochondrie.
Respiration anaérobie
Lors de la respiration cellulaire aérobie, le NAD est regénéré à partir du NADH par la chaîne de transport des électrons et l'oxygène est l'accepteur final d'électrons. Certains animaux vivent cependant dans des conditions où il n'y a pas suffisamment d'oxygène pour la respirations aérobie (parasites intestinaux). D'autres doivent survivre à des périodes où l'oxygène n'est pas en quantité suffisante (moules à marée basse, prof en ski de fond tentant désespérément de monter la côte Penguin). Dans ces conditions, il y aura respiration anaérobie, une oxydation du glucose sans oxygène.
Lorsque l'organisme ne peut se procurer suffisamment d'oxygène pour permettre à la chaîne de transport des électrons de fonctionner, le pyruvate produit par la glycolyse ne peut continuer à être oxydé et l'énergie contenue
transportée par le NADH produit par la glycolyse ne peut être extraite par la chaîne de transport des électrons. Dans ces conditions, une enzyme présente dans le cytosol la lacticodéshydrogénase catalyse la conversion du pyruvate en lactate et de NADH en NAD. Cette regénération de NAD permet à la cellule de continuer la glycolyse et donc d'obtenir de l'énergie (beaucoup moins efficacement cependant). Le lactate n'est pas métabolisé plus à fond en conditions anaérobies et s'accumule dans la cellule. Lorsque l'oxygène redevient disponible, ce lactate est reconvertit en pyruvate est passe par les autres étapes de la respiration aérobie. L'oxygène utilisé pour métaboliser ce lactate correspond à une dette d'oxygène.
Certains organismes (les parasites intestinaux par exemple), utilisent une forme de glycolyse différente au cours de laquelle le glucose est scindé pour produire du malate, au lieu du lactate. Ce mécanisme fonctionne comme la fermentation lactique en regénérant le NAD à partir du NADH pour pouvoir continuer la glycolyse.
Autres sources d'énergie
Si un animal ne peut obtenir suffisamment de nourriture, il va utiliser ses réserves d'énergie. Lorsque la cellule produit un surplus d'ATP, la forte concentration d'ATP inhibe la chaîne de transport des électrons et l'acétyl CoA sert à la biosynthèse d'acides gras. Acides gras entreposés sous forme de triglycérides, surtout sous forme de gouttelettes dans cellules adipeuses. Lorsque le besoin s'en fait sentir, les triglycérides sont hydrolysés dans le cytosol pour libérer des acides gras et le glycérol. Les graisses sont une excellente substance de réserve : elles permettent d'emmagasiner beaucoup d'énergie tout en étant légères. En effet, les lipides contiennent deux fois plus d'énergie par mole que les hydrates de carbone complexe comme le glycogène. Le glycogène requiert cependant 3-5 g d'eau par gramme pour l'entreposage, et la masse isocalorique des graisses est donc environ 10x plus faible que celle du glycogène.
Les triglycérides des lipides sont catabolisés en acides gras et glycérol. Le glycérol peut être converti en pyruvae et entrer dans le cycle de Krebs. Les acides gras sont clivés, deux carbones à la fois, pour produire de l'acétyl CoA qui entre dans le cycle de Krebs également. Notez que le métabolisme des lipides réutilise une bonne partie des voies métaboliques du glucose. Le catabolisme des protéines suit un scénario similaire. Les protéines sont hydrolysées en acides aminés. Le groupe aminé est clivé et sort de la cellule sous forme d'ammoniaque. Le reste de la molécule entre dans le cycle de Krebs.
Contrôle du métabolisme
La production d'ATP doit être finement couplée aux besoins des cellules animales. Sa formation, et celle des produits intermédiaires du métabolisme, peut être accrue ou diminuée selon le besoin. Les cellules conservent donc l'énergie et les matériaux à leur disposition en les utilisant efficacement. Le contrôle des réactions métabolique peut se faire de nombreuses façons : en contrôlant le transport d'un des réactif, en modulant l'activité d'une enzyme servant de catalyseur (soit en la modifiant chimiquement, soit en la régulant allostériquement) en modifiant la structure tertiaire de la protéine, ou en contrôlant la disponibilité des cofacteurs (NAD, ADP, ATP,vitamines, etc.).
