Processus de la respiration cellulaire

Le processus global de la respiration cellulaire peut être comparé à l’eau qui coule dans une rivière qui entraîne une turbine. Alors que la construction et l’entretien de la turbine sont des processus dépendants de l’énergie, l’écoulement de l’eau fonctionne par gravité tant qu’il y a de l’eau en amont. De même, bien que la production et le maintien des enzymes mitochondriales, des membranes cellulaires et des cofacteurs soient des processus dépendants de l’énergie, l’oxydation du combustible et le flux d’électrons respiratoires sont exothermiques (c’est-à-dire qu’ils libèrent de la chaleur). Les électrons circulent dans la respiration cellulaire exactement comme ils circulent dans d’autres circuits électriques, vers des accepteurs d’affinité électronique plus élevée.

Au niveau de la membrane mitochondriale interne, les complexes I, III et IV (qui réoxydent respectivement les formes réduites de NAD+, de coenzyme Q et de cytochrome C) utilisent leurs affinités électroniques plus élevées pour pomper des protons à travers la membrane pour générer un gradient de protons. Tout comme le coût de la rotation d’une turbine à eau est payé par l’eau qui coule en aval, le coût du pompage des protons est payé par les électrons qui circulent des états d’énergie supérieure aux états d’énergie inférieure. Voir aussi : Proton

Le retour de protons par l’enzyme FoF1 ATP synthase génère de l’ATP par phosphorylation oxydative (Fig. 1), tandis que le retour des protons à travers les pores des protons (tels que le découplage des protéines) génère de la chaleur (Fig. 3). Étant donné que l’affinité électronique suit un modèle de gradient de O2 >cytochrome C >coenzyme Q >FAD >NAD+, l’oxydation du carburant transfère généralement les électrons d’abord vers NAD + et/ ou FAD, puis à la coenzyme Q, au cytochrome C et à l’O2, avec de nombreux amas métalliques liés aux protéines supplémentaires comme intermédiaires dans les complexes I, II, III et IV.

Fig. 3 Le flux d’électrons à travers la chaîne respiratoire de transport d’électrons peut générer des espèces réactives de l’oxygène (ROS). En déplaçant les équivalents réducteurs du NADH vers le NADPH, la transhydrogénase nucléotidique nicotinamide peut générer le NADPH pour réactiver le glutathion afin de détoxifier le ROS. Cette activité est dépendante des protons, elle est donc directement compétitive avec la production d’ATP et / ou de chaleur, et dépend du NADH, elle est donc compétitive avec l’initiation de la chaîne de transport des électrons au complexe I. (Crédit: Illustration de Carli Hansen)

De petites augmentations graduelles de l’affinité électronique se manifestent par de petites baisses d’énergie libre des électrons le long de la chaîne électronique respiratoire. Les petites différences servent à minimiser la production de chaleur et à minimiser la production de radicaux libres superoxyde (•O2−) et hydroxyle (•OH). Ces composés réactifs sont formés par collision entre la forme radicalaire de la coenzyme Q (*Q-) et O2 (Fig. 3). Les dommages produits par les espèces réactives de l’oxygène (ROS) sont un coût évident du métabolisme aérobie, et les ROS sous forme de peroxyde d’hydrogène (H2O2) et d’hydroperoxydes de phospholipides sont contrôlés par les glutathion réductases et les glutathion peroxydases, qui dépendent du NADPH comme agent réducteur pour réactiver le glutathion oxydé. Ainsi, dans des conditions de ROS, il y a une plus grande demande de NADPH pour les fonctions de réparation que de NADH pour la phosphorylation oxydative. De plus, les mitochondries ont une enzyme appelée transhydrogénase nucléotidique nicotinamide (NNT) qui peut transférer l’hydrure du NADH au NADP + pour générer le NADPH. Les protons reviennent par le NNT afin de conduire ce processus catalytique d’une manière directement concurrentielle avec la production d’ATP et de chaleur (Fig. 3). Voir aussi : Énergie libre; Radicaux libres; Peroxyde d’hydrogène; Chimie du superoxyde

Les exigences respiratoires varient selon le type de combustible, selon l’équilibre entre le catabolisme et l’anabolisme dans lequel une cellule est engagée et selon le degré auquel la cellule produit du NADPH cytosolique de manière anaérobie par des processus tels que la voie du pentose phosphate (dans laquelle le glucose est métabolisé ou transformé en NADPH).

Alors que le processus d’oxydation du glucose en pyruvate est anaérobie, les électrons capturés sur le NADH dans l’étape glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase peuvent être utilisés dans le métabolisme oxydatif grâce au transport du lactate vers un autre tissu et / ou au transfert vers les mitochondries par d’autres mécanismes, notamment la navette malate-aspartate et la navette glycérol-3-phosphate (Fig. 4). Lorsque le pyruvate est complètement oxydé en CO2 dans les mitochondries par l’action combinée de la pyruvate déshydrogénase et du cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs), les électrons sont capturés sur le NADPH, le NADH et le FADH2, nécessitant O2 comme accepteur d’électrons pour réoxyder le NADH et le FADH2. Le NADPH formé par l’action de l’isocitrate déshydrogénase (une enzyme mitochondriale de l’acide citrique) est largement utilisé pour contrôler les ROS qui accompagnent la réoxydation aérobie du NADH et du FADH2 dans la chaîne de transport des électrons (Fig. 5). Voir aussi: Cycle de l’acide citrique

Fig. 4 Systèmes de navette multiples peuvent déplacer des équivalents réducteurs du cytoplasme vers les mitochondries. La navette glycérol-3-phosphate déplace l’hydrure du NADH cytosolique vers la coenzyme Q par le biais de la DCP. Le système navette malate-aspartate déplace le malate, l’aspartate, l’α-cétoglutarate et le glutamate à travers la membrane interne mitochondriale pour coupler l’oxydation du NADH cytosolique à la réduction du NAD + mitochondrial. La direction et le degré de ces flux sont limités par la réoxydation du NADH respiratoire-dépendant par le complexe I. (Crédit: Illustration de Carli Hansen)

Fig. 5 L’oxydation totale du glucose engage soit les phases oxydatives et non oxydatives de la voie du pentose phosphate (non représentée), soit la glycolyse et le cycle de l’acide citrique lié à la respiration. (Crédit: Illustration de Carli Hansen)

Contrairement à l’oxydation du glucose, l’oxydation complète des triglycérides (lipides neutres constitués de trois chaînes acyles grasses estérifiées en un squelette de glycérol) est presque entièrement aérobie (Fig. 6). L’oxydation du glycérol en pyruvate produit un NADH cytosolique anaérobiquement, tandis que les acides gras saturés pairs oxydés en CO2 dans les mitochondries ont tous les électrons capturés sur NAD + et FAD, nécessitant O2 comme accepteur d’électrons ultime. Le rapport des carbones d’acides gras aux carbones de glycérol dans un triglycéride fournit une indication de l’oxydation des triglycérides exigeante sur le plan aérobie. Par exemple, dans un triglycéride contenant trois acides gras 16-C, un seul NADH cytosolique est généré par >140 coenzymes mitochondriales réduites générées lors de la production et de l’oxydation des 48 molécules d’acétyl–coenzyme A (Ac-CoA) dérivées d’acides gras. Considérant que le NADH cytosolique peut être efficacement réoxydé de manière aérobie via la navette malate-aspartate ou la navette glycérol-3-phosphate et que le pyruvate dérivé du glycérol peut également être oxydé dans les mitochondries, l’oxydation complète d’un triglycéride typique peut demander suffisamment d’oxygène pour réoxyder environ 150 équivalents mitochondriaux NADH et FADH2. Voir aussi: Lipides; Métabolisme des lipides; Triglycéride (triacylglycérol)

Fig. 6 L’oxydation totale des portions d’acides gras des triglycérides dépend des enzymes d’oxydation β, du cycle de l’acide citrique et de la chaîne de transport des électrons respiratoires. (Crédit: Illustration de Carli Hansen)

Il convient également de souligner que l’oxydation des acides aminés est intermédiaire dans ses besoins en O2 entre la glycolyse et l’oxydation des acides gras mitochondriaux, car certains cofacteurs réduits sont produits dans le cytosol et d’autres dans les mitochondries. Voir aussi: Acide aminé; Métabolisme des acides aminés

L’autre considération qui guide l’ampleur d’un besoin cellulaire en O2 est le degré auquel une cellule est occupée par des réactions qui exigent l’hydrure transporté sur le NADH et le NADPH et si des équivalents réducteurs peuvent être produits cytosoliquement. Contrairement à une cheminée, dont le but est de brûler complètement le combustible pour générer de la chaleur (Fig. 2), les êtres vivants créent et réparent tout ce dont ils sont faits, et effectuent le travail de repos et de métabolisme actif en consommant des aliments.

Ainsi, la logique de la vie est telle que les électrons d’énergie relativement faible transportés sur le cytochrome C dans la membrane mitochondriale interne ont beaucoup moins de pouvoir pour effectuer un travail significatif que les électrons transportés sur le NADPH cytosolique. Le premier peut donner à O2 pour générer de l’eau, ayant déjà généré un gradient de protons dans la descente de l’état de haute énergie dans le NADH à l’état de basse énergie dans le cytochrome C réduit. Ce dernier peut donner des électrons aux groupes bêta-céto et aux alcènes pour effectuer une biosynthèse réductrice. Par conséquent, il serait illogique pour les cellules de laisser les électrons s’écouler trop loin s’ils sont nécessaires aux réactions biosynthétiques.