Le carburant de toutes les fonctions métaboliques est l’adénosine triphosphate (ATP). L’hydrolyse de l’ATP est fortement exothermique. Les réactions :

libèrent toutes deux 30,5 kJ/mol. L’ADP est l’adénosine diphosphate et l’AMP l’adénosine monophosphate, autrement appelé acide adénylique. Le terme Pi qui apparait dans ces réactions est utilisé pour désigner une molécule de phosphate inorganique. Une cellule de mammifère comporte près d’un milliard de molécules d’ATP et en consomme dix millions par seconde pour satisfaire à ses besoins métaboliques en énergie. Il lui faut donc les régénérer (principalement à partir de l’ADP produite par hydrolyse). Le processus de régénération de l’ATP est appelé respiration cellulaire. C’est un processus de phosphorylation (addition d’un groupe phosphate) oxydative (transfert d’un électron). Ce processus requiert un apport d’énergie. Cette énergie est apportée en premier lieu par l’oxydation (et la déshydrogénation) de sucres puis, en cas d’effort prolongé, par celle d’acides gras libérés par l’hydrolyse des triglycérides (triacylglycérols) stockés dans les cellules adipeuses.

L’hydrolyse des triglycérides libère des acides gras qui sont transformer en acétyl-CoA au cours du processus de la respiration cellulaire (voir plus bas). Les sucres sont quant à eux, disponibles sous forme de glycogène, des polymères stockés principalement dans le foie et formés à partir de molécules de glucose. Il y a beaucoup plus de triglycérides disponibles que de glycogène (plus de 30 fois plus en valeur énergétique) mais c’est ce dernier qui est consommé en priorité.

Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un processus encore plus complexe que celui de la photosynthèse. Elle consomme du glucose, de l’eau et du dioxygène. Elle conduit à produire des molécules d’ATP par phosphorylation de molécules d’ADP. Elle se déroule d’abord dans le cytoplasme puis principalement au sein des mitochondries. Les molécules d’ATP produites par ce processus sont porteuses d’une énergie chimique qui est utilisée par l’organisme dans le cadre de ses différentes activités. Nous nous intéresserons tout d'abord au processus de respiration cellulaire à partir du glucose. Ce processus comporte quatre phases :

• la glycolyse qui conduit à la formation de pyruvate,
• la conversion du pyruvate en acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA),
• le cycle de Krebs qui libère la coenzyme, oxyde complètement le groupe acétyle et produit des molécules de NADH et de FADH₂
• la phosphorylation oxydative de molécules d’ADP grâce au potentiel électrochimique des molécules NADH et FADH₂, qui produit de nombreuses molécules d’ATP.

Le processus de transformation des acides gras est légèrement différent mais rejoint le premier au niveau du cycle de Krebs :

• hydrolyse des molécules de triglycérides qui libère des acides gras,
• formation d'acyl-CoA avec le coenzyme A,
• égrenage de l'acyl-CoA en résidus acétyles,
• formation d'acétyl-CoA avec le coenzyme A,
• cycle de Krebs et phosphorylation oxydative.

Glycolyse

La glycolyse est une réaction qui se produit dans le cytoplasme des cellules et qui « casse » en deux une molécule de glucose. Cette réaction conduit à la formation de pyruvate CH₃COOH, de NADH et d’ATP. Le NADH est la forme réduite du NAD.

Conversion des glucides en acétyl-CoA

Cette réaction se produit dans les mitochondries. Elle conduit à une décarboxylation du pyruvate (perte du groupe carboxyle -COOH). Le résidu, qui est un groupe acétyle, se lie à une coenzyme A pour former de l'acétyl-CoA. De son côté, le groupe carboxyle réagit avec du NAD pour donner du NADH et du CO₂.

On a affaire à une réaction d’oxydation : un électron est retiré au pyruvate et transféré au NAD⁺ pour former du NADH. Le NADH a un potentiel chimique élevé car il est très réducteur.

Remarque : la liaison entre le groupe acétyle libéré par le pyruvate et le CoA est une liaison thioester. Le CoA possède en effet un groupe terminal sulfhydrile (-HS) qui est par nature très réactif.

Conversion des acides gras en acétyl-CoA

L’hydrolyse des triglycérides, comme nous l’avons dit plus haut, libère des acides gras. La rencontre d’un acide gras avec une molécule de coenzyme A produit un acyl-CoA. Cette réaction est catalysée par une enzyme présente sur la surface externe de la mitochondrie. L’acyl-CoA traverse la membrane mitochondriale puis subit une chaîne de réactions qui découpent le résidu acyl en groupements acétyle. Ces groupements acétyle sont ensuite « pris en charge » par des molécules CoA présentes dans la mitochondrie pour former de l’acétyl-CoA.

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est un ensemble de réactions (une dizaine) qui se produisent dans les mitochondries. Les molécules d’acétyl-CoA y subissent une succession de réactions chimiques qui conduisent à libérer le coenzyme A et oxydent complètement le groupe acétate. Ces réactions nécessitent de l’eau, de l’ADP, du NAD⁺ et du FAD (flavine adénine dinucléotide, un cofacteur d’oxydo-réduction dérivant de la vitamine B2). Les électrons libérés par cette réaction d’oxydation sont récupérés sous forme de NADH et de FADH₂. Les produits de cette réaction sont le CO₂, la coenzyme A qui reprend sa forme initiale, de l’ATP, du NADH et du FADH₂.

Phosphorylation oxydative

Les molécules NADH et FADH₂ sont porteuses d’électrons à haut potentiel de transfert. En contact avec des complexes polypeptidiques de la membrane des mitochondries (complexes protéiques), le NADH et le FADH₂ libèrent des électrons e^- (réaction d'oxydation) et des protons H⁺.

Le flux d’électrons au travers de ces complexes protéiques transmembranaires provoquent des réactions d’oxydoréduction qui dégagent de l’énergie. Cette énergie provoque un changement de conformation des complexes qui permet la translocation des protons (le transport vers l’extérieur de la membrane mitochondriale). C’est le phénomène de pompe à protons, un processus qui entretient un gradient de concentration de part et d’autre de la membrane, et donc un gradient de potentiel électrochimique entre sa paroi externe et sa paroi interne.

L’existence de ce potentiel active une enzyme transmembranaire, l’ATP synthase. L’ATP synthase possède un bourgeonnement côté paroi interne au niveau duquel se produit la phosphorylation de l’ADP. Le fonctionnement de l’ATP synthase est très complexe et nous ne le détaillerons pas. Il est lui aussi basé sur un changement de conformation de l’enzyme qui conduit à rapprocher ADP et phosphate, puis à libérer l’ATP tout en permettant la traversée des protons. Le bilan global des réactions catalysées par l’enzyme est le suivant :

Les protons qui repassent à l’intérieur de la mitochondrie au niveau de l’ATP synthase s’associent à des ions oxygène pour former de l’eau. Les transferts d’ions ADP^3- et ATP^4- au travers de la membrane sont pris en charge par l’enzyme ADP/ATP translocase. Cet échange se traduit par la sortie d’une charge négative qui participe au maintien de l’équilibre électrique entre les milieux intérieur et extérieur malgré l’action de la pompe à protons.

Bilan de la respiration cellulaire

La respiration cellulaire est une succession impressionnante de réactions chimiques qui font intervenir quantité d’enzymes et de coenzymes. Mais si l’on fait le bilan final, on constate qu’elle ne consomme que du glucose, du dioxygène et de l’ADP. Les produits de la respiration cellulaire sont le CO₂, l’eau et de l’ATP. C’est, d’une certaine façon, le processus inverse de la photosynthèse !

Ce processus est, en théorie, redoutablement efficace puisqu’une molécule de glucose produit 38 molécules d’ATP. En fait, le chiffre réel est inférieur car certains d’entre eux sont dissipés par des processus parasites.

L’ATP est le fuel de la plupart des activités de l’organisme requérant de l’énergie.

Remarque : dans le cas d’un effort intense, il n’y a pas suffisamment d’oxygène pour alimenter la respiration cellulaire. On passe en mode « anaérobie ». Le pyruvate n’est pas transporté dans les mitochondries. Il demeure dans le cytoplasme où il est finalement dégradé et forme des déchets qui sont évacués par la cellule. Ce mode de production de molécules d'ATP est beaucoup moins efficace que le mode aérobie.

Rappel sur les réactions de réduction

Dans sa forme classique, on caractérise une réaction de réduction par le fait que le composé réduit « reçoit » un ou plusieurs électrons. On exprime ceci en attribuant à chaque élément intervenant dans une réaction un nombre d’oxydation dont on peut dire (de façon un peu sommaire) qu’il correspond à la charge électrique qu’il porte. Une réduction réduit ce nombre. Prenons par exemple la réaction suivante :

On peut la décomposer en :

Le nombre d’oxydation du cuivre a augmenté (on dit que le cuivre a été oxydé) et celui du chlore a diminué (il est même devenu négatif). Il a été réduit. Comme on le voit, une réaction de réduction nécessite un donneur d’électrons (ici le cuivre). C’est l’élément réducteur. Cette notion de réduction et de donneur d’électrons a été étendue à d’autres réactions chimiques. Le modèle des liaisons ioniques ne permet pas de décrire toutes les liaisons chimiques et il est parfois difficile de faire la part entre liaisons ioniques et liaisons covalentes. Certaines liaisons sont « plutôt covalentes » tout en présentant une certaine polarité, d’autres sont « plutôt électrostatiques » (donc ioniques) sans l’être complètement. On a donc, par extension, introduit la notion de transfert fictif d’électrons. Prenons, par exemple, la réaction suivante :

Les liaisons au sein de la molécule H₂O sont covalentes mais elle est polarisée. Le nuage électronique des électrons de valence est plutôt centré sur l’atome d’oxygène. Tout se passe comme s’il avait reçu une charge partielle 2ke^- (k étant un nombre plus petit que 1) et que chaque atome d’hydrogène avait donné une charge partielle ke^-. On peut donc dire que la molécule dioxygène a été réduite et que les molécules dihydrogène ont agi comme donneuses d’électrons.