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8.1 : Catabolisme des Glucides - Biologie


Objectifs d'apprentissage

  • Décrire pourquoi la glycolyse n'est pas dépendante de l'oxygène
  • Définir et décrire le rendement net des molécules à trois carbones, de l'ATP et du NADH de la glycolyse
  • Expliquez comment les molécules de pyruvate à trois carbones sont converties en groupes acétyle à deux carbones qui peuvent être canalisés dans le cycle de Krebs.
  • Définir et décrire le rendement net de CO2, GTP/ATP, FADH2, et NADH du cycle de Krebs
  • Expliquer comment les molécules de carbone intermédiaires du cycle de Krebs peuvent être utilisées dans une cellule

Il existe de nombreuses voies enzymatiques pour décomposer les glucides afin de capturer l'énergie dans les liaisons ATP. De plus, de nombreuses voies cataboliques produisent des molécules intermédiaires qui sont également utilisées comme éléments constitutifs de l'anabolisme. Comprendre ces processus est important pour plusieurs raisons. Premièrement, parce que les principaux processus métaboliques impliqués sont communs à un large éventail d'organismes chimiohétérotrophes, nous pouvons en apprendre beaucoup sur le métabolisme humain en étudiant le métabolisme dans des bactéries plus facilement manipulées comme E. coli. Deuxièmement, étant donné que les agents pathogènes animaux et humains sont également des chimiohétérotrophes, la connaissance des détails du métabolisme de ces bactéries, y compris les différences possibles entre les voies bactériennes et humaines, est utile pour le diagnostic des agents pathogènes ainsi que pour la découverte de thérapies antimicrobiennes ciblant des agents pathogènes spécifiques. Enfin, la connaissance spécifique des voies impliquées dans le métabolisme chimiohétérotrophe sert également de base pour comparer d'autres stratégies métaboliques plus inhabituelles utilisées par les microbes. Bien que la source chimique des électrons initiant le transfert d'électrons soit différente entre les chimiohétérotrophes et les chimio-autotrophes, de nombreux processus similaires sont utilisés dans les deux types d'organismes.

L'exemple typique utilisé pour présenter les concepts du métabolisme aux élèves est le catabolisme des glucides. Pour les chimiohétérotrophes, nos exemples de métabolisme commencent par le catabolisme des polysaccharides tels que le glycogène, l'amidon ou la cellulose. Des enzymes telles que l'amylase, qui décompose le glycogène ou l'amidon, et les cellulases, qui décomposent la cellulose, peuvent provoquer l'hydrolyse des liaisons glycosidiques entre les monomères de glucose dans ces polymères, libérant du glucose pour un catabolisme ultérieur.

Glycolyse

Pour les bactéries, les eucaryotes et la plupart des archées, la glycolyse est la voie la plus courante pour le catabolisme du glucose ; il produit de l'énergie, des porteurs d'électrons réduits et des molécules précurseurs pour le métabolisme cellulaire. Chaque organisme vivant effectue une certaine forme de glycolyse, ce qui suggère que ce mécanisme est un ancien processus métabolique universel. Le processus lui-même n'utilise pas d'oxygène; cependant, la glycolyse peut être couplée à des processus métaboliques supplémentaires qui sont soit aérobies, soit anaérobies. La glycolyse a lieu dans le cytoplasme des cellules procaryotes et eucaryotes. Il commence par une seule molécule de glucose à six carbones et se termine par deux molécules d'un sucre à trois carbones appelé pyruvate. Le pyruvate peut être décomposé davantage après la glycolyse pour exploiter plus d'énergie par la respiration aérobie ou anaérobie, mais de nombreux organismes, y compris de nombreux microbes, peuvent être incapables de respirer ; pour ces organismes, la glycolyse peut être leur seule source de génération d'ATP.

Le type de glycolyse trouvé chez les animaux et le plus courant chez les microbes est la voie Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), du nom de Gustav Embden (1874-1933), Otto Meyerhof (1884-1951) et Jakub Parnas (1884- 1949). La glycolyse utilisant la voie EMP se compose de deux phases distinctes (Figure (PageIndex{1})). La première partie de la voie, appelée phase d'investissement énergétique, utilise l'énergie de deux molécules d'ATP pour modifier une molécule de glucose afin que la molécule de sucre à six carbones puisse être divisée uniformément en deux molécules phosphorylées à trois carbones appelées glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P ). La deuxième partie de la voie, appelée phase de gain énergétique, extrait l'énergie en oxydant le G3P en pyruvate, produisant quatre molécules d'ATP et réduisant deux molécules de NAD+ à deux molécules de NADH, en utilisant des électrons provenant du glucose. (Une discussion et une illustration de la voie EMP complète avec les structures chimiques et les noms des enzymes figurent à l'annexe C.)

Les molécules d'ATP produites pendant la phase de gain d'énergie de la glycolyse sont formées par phosphorylation au niveau du substrat (Figure (PageIndex{1})), l'un des deux mécanismes de production d'ATP. Dans la phosphorylation au niveau du substrat, un groupe phosphate est retiré d'une molécule organique et est directement transféré à une molécule d'ADP disponible, produisant de l'ATP. Au cours de la glycolyse, des groupes phosphate à haute énergie des molécules intermédiaires sont ajoutés à l'ADP pour produire de l'ATP.

Globalement, dans ce processus de glycolyse, le gain net de la dégradation d'une seule molécule de glucose est :

  • deux molécules d'ATP
  • deux molécules de NADH, et
  • deux molécules de pyruvate.

Autres voies glycolytiques

Lorsque nous parlons de glycolyse, sauf indication contraire, nous faisons référence à la voie EMP utilisée par les animaux et de nombreuses bactéries. Cependant, certains procaryotes utilisent des voies glycolytiques alternatives. Une alternative importante est la voie Entner-Doudoroff (ED), du nom de ses découvreurs Nathan Entner et Michael Doudoroff (1911-1975). Bien que certaines bactéries, y compris l'agent pathogène gram-négatif opportuniste Pseudomonas aeruginosa, ne contiennent que la voie ED pour la glycolyse, d'autres bactéries, comme E. coli, ont la possibilité d'utiliser soit la voie ED, soit la voie EMP.

Un troisième type de voie glycolytique qui se produit dans toutes les cellules, qui est assez différent des deux voies précédentes, est la voie des pentoses phosphates (PPP) également appelée voie des phosphogluconates ou shunt des hexoses monophosphates. Les preuves suggèrent que le PPP peut être la voie glycolytique universelle la plus ancienne. Les intermédiaires du PPP sont utilisés pour la biosynthèse de nucléotides et d'acides aminés. Par conséquent, cette voie glycolytique peut être favorisée lorsque la cellule a besoin de synthèse d'acide nucléique et/ou de protéine, respectivement. Une discussion et une illustration de la voie complète de la DE et du PPP avec les structures chimiques et les noms des enzymes figurent à l'annexe C.

Exercice (PageIndex{1})

Quand un organisme peut-il utiliser la voie ED ou le PPP pour la glycolyse ?

Réaction de transition, coenzyme A et cycle de Krebs

La glycolyse produit du pyruvate, qui peut être oxydé davantage pour capturer plus d'énergie. Pour que le pyruvate entre dans la prochaine voie oxydative, il doit d'abord être décarboxylé par le complexe enzymatique pyruvate déshydrogénase en un groupe acétyle à deux carbones dans la réaction de transition, également appelée réaction de pont (voir l'annexe C et la figure (PageIndex{3} )). Dans la réaction de transition, les électrons sont également transférés au NAD+ pour former le NADH. Pour passer à la phase suivante de ce processus métabolique, l'acétyle à deux carbones comparativement minuscule doit être attaché à un très gros composé porteur appelé coenzyme A (CoA). La réaction de transition se produit dans la matrice mitochondriale des eucaryotes ; chez les procaryotes, il se produit dans le cytoplasme car les procaryotes n'ont pas d'organites à membrane.

Le cycle de Krebs transfère les électrons restants du groupe acétyle produits lors de la réaction de transition aux molécules porteuses d'électrons, les réduisant ainsi. Le cycle de Krebs se produit également dans le cytoplasme des procaryotes avec la glycolyse et la réaction de transition, mais il a lieu dans la matrice mitochondriale des cellules eucaryotes où se produit également la réaction de transition. Le cycle de Krebs porte le nom de son découvreur, le scientifique britannique Hans Adolf Krebs (1900-1981) et est également appelé cycle de l'acide citrique, ou cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) car l'acide citrique a trois groupes carboxyle dans sa structure. Contrairement à la glycolyse, le cycle de Krebs est une boucle fermée : la dernière partie de la voie régénère le composé utilisé dans la première étape (Figure (PageIndex{4})). Les huit étapes du cycle sont une série de réactions chimiques qui capturent le groupe acétyle à deux carbones (le porteur de CoA n'entre pas dans le cycle de Krebs) de la réaction de transition, qui est ajouté à un intermédiaire à quatre carbones dans le cycle de Krebs, produisant l'acide citrique intermédiaire à six carbones (donnant le nom alternatif de ce cycle). Lorsqu'un tour du cycle revient au point de départ de l'intermédiaire à quatre carbones, le cycle produit deux CO2 molécules, une molécule d'ATP (ou un équivalent, tel que la guanosine triphosphate [GTP]) produite par phosphorylation au niveau du substrat, et trois molécules de NADH et une de FADH2. (Une discussion et une illustration détaillée du cycle complet de Krebs figurent à l'annexe C.)

Bien que de nombreux organismes utilisent le cycle de Krebs tel que décrit dans le cadre du métabolisme du glucose, plusieurs des composés intermédiaires du cycle de Krebs peuvent être utilisés pour synthétiser une grande variété de molécules cellulaires importantes, notamment les acides aminés, les chlorophylles, les acides gras et les nucléotides ; par conséquent, le cycle est à la fois anabolique et catabolique (Figure (PageIndex{5})).

Concepts clés et résumé

  • Glycolyse est la première étape de la dégradation du glucose, entraînant la formation d'ATP, qui est produit par la phosphorylation au niveau du substrat; NADH ; et deux molécules de pyruvate. La glycolyse n'utilise pas d'oxygène et n'est pas dépendante de l'oxygène.
  • Après la glycolyse, un pyruvate à trois carbones est décarboxylé pour former un groupe acétyle à deux carbones, couplé à la formation de NADH. Le groupe acétyle est attaché à un grand composé porteur appelé coenzyme A.
  • Après l'étape de transition, la coenzyme A transporte l'acétyle à deux carbones vers le Cycle de Krebs, où les deux carbones entrent dans le cycle. Par tour de cycle, un groupe acétyle dérivé de la glycolyse est encore oxydé, produisant trois molécules de NADH, une FADH2, et un ATP par la phosphorylation au niveau du substrat, et libérant deux CO2molécules.
  • Le cycle de Krebs peut être utilisé à d'autres fins. De nombreux intermédiaires sont utilisés pour synthétiser des molécules cellulaires importantes, notamment des acides aminés, des chlorophylles, des acides gras et des nucléotides.

Choix multiple

Au cours de laquelle des étapes suivantes l'ATP n'est-il pas fabriqué par phosphorylation au niveau du substrat ?

Sentier A. Embden-Meyerhof
B. Réaction de transition
C. Cycle de Krebs
Sentier D. Entner-Doudoroff

B

Lequel des produits suivants est fabriqué pendant la glycolyse Embden-Meyerhof ?

A. NAD+
B. pyruvate
C. CO2
D. acétyle à deux carbones

B

Au cours du catabolisme du glucose, lequel des éléments suivants est produit uniquement dans le cycle de Krebs ?

A. ATP
B. NADH
C. NADPH
D. FADH2

Lequel des énoncés suivants n'est pas un nom pour le cycle résultant de la conversion d'un acétyle à deux carbones en un ATP, deux CO2, un FADH2, et trois molécules de NADH ?

A. Cycle de Krebs
B. cycle de l'acide tricarboxylique
C. Cycle de Calvin
D. cycle de l'acide citrique

C

Vrai faux

La glycolyse nécessite de l'oxygène ou un autre accepteur d'électrons final inorganique pour se dérouler.

Faux

Remplir les trous

Par tour du cycle de Krebs, un acétyle est oxydé, formant ____ CO2, ____ ATP, ____ NADH et ____ FADH2molécules.

2; 1; 3; 1

Le plus souvent, la glycolyse se produit par la voie ________.

Embden-Meyerhof

Réponse courte

Qu'est-ce que la phosphorylation au niveau du substrat ? Quand se produit-il lors de la décomposition du glucose en CO2?

Pourquoi le cycle de Krebs est-il important à la fois dans le catabolisme et l'anabolisme ?

Esprit critique

Quelles seraient les conséquences pour une cellule d'avoir une mutation qui interrompt la synthèse de la coenzyme A ?


8.2 Catabolisme des glucides

De nombreuses voies enzymatiques existent pour décomposer les glucides afin de capturer l'énergie dans les liaisons ATP. De plus, de nombreuses voies cataboliques produisent des molécules intermédiaires qui sont également utilisées comme éléments constitutifs de l'anabolisme. Comprendre ces processus est important pour plusieurs raisons. Premièrement, parce que les principaux processus métaboliques impliqués sont communs à un large éventail d'organismes chimiohétérotrophes, nous pouvons en apprendre beaucoup sur le métabolisme humain en étudiant le métabolisme dans des bactéries plus facilement manipulées comme E. coli. Deuxièmement, étant donné que les agents pathogènes animaux et humains sont également des chimiohétérotrophes, la connaissance des détails du métabolisme de ces bactéries, y compris les différences possibles entre les voies bactériennes et humaines, est utile pour le diagnostic des agents pathogènes ainsi que pour la découverte de thérapies antimicrobiennes ciblant des agents pathogènes spécifiques. . Enfin, la connaissance spécifique des voies impliquées dans le métabolisme chimiohétérotrophe sert également de base pour comparer d'autres stratégies métaboliques plus inhabituelles utilisées par les microbes. Bien que la source chimique des électrons initiant le transfert d'électrons soit différente entre les chimiohétérotrophes et les chimio-autotrophes, de nombreux processus similaires sont utilisés dans les deux types d'organismes.

L'exemple typique utilisé pour présenter les concepts du métabolisme aux élèves est le catabolisme des glucides. Pour les chimiohétérotrophes, nos exemples de métabolisme commencent par le catabolisme des polysaccharides tels que le glycogène, l'amidon ou la cellulose. Des enzymes telles que l'amylase, qui décompose le glycogène ou l'amidon, et les cellulases, qui décomposent la cellulose, peuvent provoquer l'hydrolyse des liaisons glycosidiques entre les monomères de glucose dans ces polymères, libérant du glucose pour un catabolisme ultérieur.

Glycolyse

Pour les bactéries, les eucaryotes et la plupart des archées, la glycolyse est la voie la plus courante pour le catabolisme du glucose, elle produit de l'énergie, des porteurs d'électrons réduits et des molécules précurseurs du métabolisme cellulaire. Chaque organisme vivant effectue une certaine forme de glycolyse, ce qui suggère que ce mécanisme est un ancien processus métabolique universel. Le processus lui-même n'utilise pas d'oxygène, cependant, la glycolyse peut être couplée à des processus métaboliques supplémentaires aérobies ou anaérobies. La glycolyse a lieu dans le cytoplasme des cellules procaryotes et eucaryotes. Il commence par une seule molécule de glucose à six carbones et se termine par deux molécules d'un sucre à trois carbones appelé pyruvate. Le pyruvate peut être décomposé davantage après la glycolyse pour exploiter plus d'énergie par la respiration aérobie ou anaérobie, mais de nombreux organismes, y compris de nombreux microbes, peuvent être incapables de respirer pour ces organismes, la glycolyse peut être leur seule source de génération d'ATP.

Le type de glycolyse trouvé chez les animaux et qui est le plus courant chez les microbes est la voie Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), du nom de Gustav Embden (1874-1933), Otto Meyerhof (1884-1951) et Jakub Parnas (1884- 1949). La glycolyse utilisant la voie EMP se compose de deux phases distinctes (Figure 8.10). La première partie de la voie, appelée phase d'investissement énergétique, utilise l'énergie de deux molécules d'ATP pour modifier une molécule de glucose afin que la molécule de sucre à six carbones puisse être divisée uniformément en deux molécules phosphorylées à trois carbones appelées glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P ). La deuxième partie de la voie, appelée phase de gain énergétique, extrait l'énergie en oxydant le G3P en pyruvate, produisant quatre molécules d'ATP et réduisant deux molécules de NAD + en deux molécules de NADH, en utilisant des électrons provenant du glucose. (Une discussion et une illustration de la voie EMP complète avec les structures chimiques et les noms des enzymes figurent à l'annexe C.)

Les molécules d'ATP produites pendant la phase de gain d'énergie de la glycolyse sont formées par phosphorylation au niveau du substrat (figure 8.11), l'un des deux mécanismes de production d'ATP. Dans la phosphorylation au niveau du substrat, un groupe phosphate est retiré d'une molécule organique et est directement transféré à une molécule d'ADP disponible, produisant de l'ATP. Au cours de la glycolyse, des groupes phosphate à haute énergie des molécules intermédiaires sont ajoutés à l'ADP pour produire de l'ATP.

Globalement, dans ce processus de glycolyse, le gain net de la dégradation d'une seule molécule de glucose est :

Autres voies glycolytiques

Lorsque nous parlons de glycolyse, sauf indication contraire, nous faisons référence à la voie EMP utilisée par les animaux et de nombreuses bactéries. Cependant, certains procaryotes utilisent des voies glycolytiques alternatives. Une alternative importante est la voie Entner-Doudoroff (ED), du nom de ses découvreurs Nathan Entner et Michael Doudoroff (1911-1975). Bien que certaines bactéries, y compris l'agent pathogène gram-négatif opportuniste Pseudomonas aeruginosa , ne contiennent que la voie ED pour la glycolyse, d'autres bactéries, comme E. coli, ont la possibilité d'utiliser soit la voie ED, soit la voie EMP.

Un troisième type de voie glycolytique qui se produit dans toutes les cellules, qui est assez différent des deux voies précédentes, est la voie des pentoses phosphates (PPP) également appelée voie des phosphogluconates ou shunt des hexoses monophosphates. Les preuves suggèrent que le PPP peut être la voie glycolytique universelle la plus ancienne. Les intermédiaires du PPP sont utilisés pour la biosynthèse de nucléotides et d'acides aminés. Par conséquent, cette voie glycolytique peut être favorisée lorsque la cellule a besoin de synthèse d'acide nucléique et/ou de protéine, respectivement. Une discussion et une illustration de la voie complète de la DE et du PPP avec les structures chimiques et les noms des enzymes figurent à l'annexe C.

Vérifie ta compréhension

Réaction de transition, coenzyme A et cycle de Krebs

La glycolyse produit du pyruvate, qui peut être oxydé davantage pour capturer plus d'énergie. Pour que le pyruvate entre dans la prochaine voie oxydative, il doit d'abord être décarboxylé par le complexe enzymatique pyruvate déshydrogénase en un groupe acétyle à deux carbones dans la réaction de transition, également appelée réaction de pont (voir l'annexe C et la figure 8.12). Dans la réaction de transition, les électrons sont également transférés au NAD + pour former le NADH. Pour passer à la phase suivante de ce processus métabolique, l'acétyle à deux carbones comparativement minuscule doit être attaché à un très gros composé porteur appelé coenzyme A (CoA) . La réaction de transition se produit dans la matrice mitochondriale des eucaryotes chez les procaryotes, elle se produit dans le cytoplasme car les procaryotes manquent d'organites membranaires.

Le cycle de Krebs transfère les électrons restants du groupe acétyle produits lors de la réaction de transition aux molécules porteuses d'électrons, les réduisant ainsi. Le cycle de Krebs se produit également dans le cytoplasme des procaryotes avec la glycolyse et la réaction de transition, mais il a lieu dans la matrice mitochondriale des cellules eucaryotes où se produit également la réaction de transition. Le cycle de Krebs porte le nom de son découvreur, le scientifique britannique Hans Adolf Krebs (1900-1981) et est également appelé cycle de l'acide citrique ou cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) car l'acide citrique a trois groupes carboxyle dans sa structure. Contrairement à la glycolyse, le cycle de Krebs est une boucle fermée : la dernière partie de la voie régénère le composé utilisé dans la première étape (Figure 8.13). Les huit étapes du cycle sont une série de réactions chimiques qui capturent le groupe acétyle à deux carbones (le porteur de CoA n'entre pas dans le cycle de Krebs) de la réaction de transition, qui est ajouté à un intermédiaire à quatre carbones dans le cycle de Krebs, produisant l'acide citrique intermédiaire à six carbones (donnant le nom alternatif de ce cycle). Lorsqu'un tour du cycle revient au point de départ de l'intermédiaire à quatre carbones, le cycle produit deux CO2 molécules, une molécule d'ATP (ou un équivalent, tel que la guanosine triphosphate [GTP]) produite par phosphorylation au niveau du substrat, et trois molécules de NADH et une de FADH2. (Une discussion et une illustration détaillée du cycle complet de Krebs figurent à l'annexe C.)

Bien que de nombreux organismes utilisent le cycle de Krebs tel que décrit dans le cadre du métabolisme du glucose, plusieurs des composés intermédiaires du cycle de Krebs peuvent être utilisés pour synthétiser une grande variété de molécules cellulaires importantes, notamment les acides aminés, les chlorophylles, les acides gras et les nucléotides. le cycle est à la fois anabolique et catabolique (Figure 8.14).


Contenu

La glycolyse, qui signifie « fractionnement du sucre », est le processus initial de la voie de la respiration cellulaire. La glycolyse peut être un processus aérobie ou anaérobie. Lorsque l'oxygène est présent, la glycolyse se poursuit le long de la voie de respiration aérobie. En l'absence d'oxygène, la production d'ATP est limitée à la respiration anaérobie. L'emplacement où la glycolyse, aérobie ou anaérobie, se produit est dans le cytosol de la cellule. Dans la glycolyse, une molécule de glucose à six carbones est divisée en deux molécules à trois carbones appelées pyruvate. Ces molécules de carbone sont oxydées en NADH et ATP. Pour que la molécule de glucose s'oxyde en pyruvate, un apport de molécules d'ATP est nécessaire. C'est ce qu'on appelle la phase d'investissement, dans laquelle un total de deux molécules d'ATP sont consommées. A la fin de la glycolyse, le rendement total d'ATP est de quatre molécules, mais le gain net est de deux molécules d'ATP. Même si l'ATP est synthétisé, les deux molécules d'ATP produites sont peu nombreuses par rapport aux deuxième et troisième voies, cycle de Krebs et phosphorylation oxydative. [3]

Même s'il n'y a pas d'oxygène présent, la glycolyse peut continuer à générer de l'ATP. Cependant, pour que la glycolyse continue à produire de l'ATP, il doit y avoir du NAD+, qui est responsable de l'oxydation du glucose. Ceci est réalisé en recyclant le NADH en NAD+. Lorsque le NAD+ est réduit en NADH, les électrons du NADH sont finalement transférés vers une molécule organique séparée, transformant le NADH en NAD+. Ce processus de renouvellement de l'approvisionnement en NAD+ est appelé fermentation, qui se divise en deux catégories. [3]

Fermentation de l'alcool Modifier

Dans la fermentation alcoolique, lorsqu'une molécule de glucose est oxydée, l'éthanol (alcool éthylique) et le dioxyde de carbone sont des sous-produits. La molécule organique responsable du renouvellement de l'apport en NAD+ dans ce type de fermentation est le pyruvate issu de la glycolyse. Chaque pyruvate libère une molécule de dioxyde de carbone, se transformant en acétaldéhyde. L'acétaldéhyde est ensuite réduit par le NADH produit à partir de la glycolyse, formant le déchet alcoolique, l'éthanol, et formant le NAD+, reconstituant ainsi son approvisionnement pour la glycolyse afin de continuer à produire de l'ATP. [3]

Fermentation à l'acide lactique Modifier

Dans la fermentation lactique, chaque molécule de pyruvate est directement réduite par le NADH. Le seul sous-produit de ce type de fermentation est le lactate. La fermentation de l'acide lactique est utilisée par les cellules musculaires humaines comme moyen de générer de l'ATP pendant un exercice intense où la consommation d'oxygène est supérieure à l'oxygène fourni. Au fur et à mesure que ce processus progresse, le surplus de lactate est amené au foie, qui le reconvertit en pyruvate. [3]

Le cycle de l'acide citrique (également connu sous le nom de cycle de Krebs) Modifier

Si de l'oxygène est présent, alors après la glycolyse, les deux molécules de pyruvate sont amenées dans la mitochondrie elle-même pour passer par le cycle de Krebs. Dans ce cycle, les molécules de pyruvate de la glycolyse sont encore décomposées pour exploiter l'énergie restante. Chaque pyruvate subit une série de réactions qui le convertit en acétyl coenzyme A. À partir de là, seul le groupe acétyle participe au cycle de Krebs, dans lequel il subit une série de réactions redox, catalysées par des enzymes, pour exploiter davantage l'énergie de le groupe acétyle. L'énergie du groupe acétyle, sous forme d'électrons, est utilisée pour réduire le NAD+ et le FAD en NADH et FADH2, respectivement. NADH et FADH2 contiennent l'énergie stockée exploitée à partir de la molécule de glucose initiale et est utilisée dans la chaîne de transport d'électrons où la majeure partie de l'ATP est produite. [3]

Phosphorylation oxydative Modifier

Le dernier processus de la respiration aérobie est la phosphorylation oxydative, également connue sous le nom de chaîne de transport d'électrons. Ici NADH et FADH2 livrent leurs électrons à l'oxygène et aux protons au niveau des membranes internes de la mitochondrie, facilitant la production d'ATP. La phosphorylation oxydative contribue à la majorité de l'ATP produit, par rapport à la glycolyse et au cycle de Krebs. Alors que le nombre d'ATP est la glycolyse et que le cycle de Krebs est composé de deux molécules d'ATP, la chaîne de transport d'électrons contribue, au maximum, à vingt-huit molécules d'ATP. Un facteur contributif est dû aux potentiels énergétiques du NADH et du FADH2. Comme ils sont amenés du processus initial, la glycolyse, à la chaîne de transport d'électrons, ils libèrent l'énergie stockée dans les doubles liaisons relativement faibles de O.2. [2] Un deuxième facteur contributif est que les crêtes, les membranes internes des mitochondries, augmentent la surface et donc la quantité de protéines dans la membrane qui aident à la synthèse d'ATP. Le long de la chaîne de transport d'électrons, il existe des compartiments séparés, chacun avec son propre gradient de concentration d'ions H +, qui sont la source d'énergie de la synthèse d'ATP. Pour convertir l'ADP en ATP, de l'énergie doit être fournie. Cette énergie est fournie par le gradient H+. D'un côté du compartiment membranaire, il y a une forte concentration d'ions H+ par rapport à l'autre. La navette de H + d'un côté de la membrane est entraînée par le flux exergonique d'électrons à travers la membrane. Ces électrons sont fournis par NADH et FADH2 car ils transfèrent leur énergie potentielle. Une fois que le gradient de concentration en H+ est établi, une force proton-motrice est établie, qui fournit l'énergie nécessaire pour convertir l'ADP en ATP. Les ions H+ qui étaient initialement forcés d'un côté de la membrane mitochondriale circulent maintenant naturellement à travers une protéine membranaire appelée ATP synthase, une protéine qui convertit l'ADP en ATP à l'aide d'ions H+. [3]


8.1 Présentation de la photosynthèse

La photosynthèse est essentielle à toute vie sur terre, les plantes et les animaux en dépendent. C'est le seul processus biologique capable de capter l'énergie provenant de l'espace (lumière du soleil) et de la convertir en composés chimiques (glucides) que chaque organisme utilise pour alimenter son métabolisme. En bref, l'énergie de la lumière du soleil est captée et utilisée pour dynamiser les électrons, qui sont ensuite stockés dans les liaisons covalentes des molécules de sucre. Quelle est la durée et la stabilité de ces liaisons covalentes ? L'énergie extraite aujourd'hui par la combustion du charbon et des produits pétroliers représente l'énergie solaire captée et stockée par la photosynthèse il y a près de 200 millions d'années.

Les plantes, les algues et un groupe de bactéries appelées cyanobactéries sont les seuls organismes capables d'effectuer la photosynthèse (figure 8.2). Parce qu'ils utilisent la lumière pour fabriquer leur propre nourriture, ils sont appelés photoautotrophes (littéralement, « auto-alimentés utilisant la lumière »). D'autres organismes, tels que les animaux, les champignons et la plupart des autres bactéries, sont appelés hétérotrophes (« autres mangeurs »), car ils doivent compter sur les sucres produits par les organismes photosynthétiques pour leurs besoins énergétiques. Un troisième groupe très intéressant de bactéries synthétise des sucres, non pas en utilisant l'énergie de la lumière du soleil, mais en extrayant l'énergie de composés chimiques inorganiques, ils sont donc appelés chimioautotrophes.

L'importance de la photosynthèse n'est pas seulement qu'elle peut capter l'énergie de la lumière du soleil. Un lézard qui prend le soleil par temps froid peut utiliser l'énergie du soleil pour se réchauffer. La photosynthèse est vitale car elle a évolué comme un moyen de stocker l'énergie du rayonnement solaire (la partie "photo") sous forme d'électrons à haute énergie dans les liaisons carbone-carbone des molécules de glucides (la partie "-synthèse"). Ces glucides sont la source d'énergie que les hétérotrophes utilisent pour alimenter la synthèse d'ATP via la respiration. Par conséquent, la photosynthèse alimente 99% des écosystèmes de la Terre. Lorsqu'un prédateur supérieur, comme un loup, s'attaque à un cerf (figure 8.3), le loup est au bout d'un chemin énergétique qui allait des réactions nucléaires à la surface du soleil, à la lumière, à la photosynthèse, à la végétation, au cerf, et enfin au loup.

Principales structures et résumé de la photosynthèse

La photosynthèse est un processus en plusieurs étapes qui nécessite la lumière du soleil, le dioxyde de carbone (qui est faible en énergie) et l'eau comme substrats (Figure 8.4). Une fois le processus terminé, il libère de l'oxygène et produit du glycéraldéhyde-3-phosphate (GA3P), des molécules de glucides simples (qui sont riches en énergie) qui peuvent ensuite être converties en glucose, en saccharose ou en l'une des dizaines d'autres molécules de sucre. Ces molécules de sucre contiennent de l'énergie et le carbone énergisé dont tous les êtres vivants ont besoin pour survivre.

Voici l'équation chimique de la photosynthèse (Figure 8.5) :

Bien que l'équation semble simple, les nombreuses étapes qui ont lieu pendant la photosynthèse sont en réalité assez complexes. Avant d'apprendre les détails de la façon dont les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures impliquées.

Chez les plantes, la photosynthèse a généralement lieu dans les feuilles, qui sont constituées de plusieurs couches de cellules. Le processus de photosynthèse se produit dans une couche intermédiaire appelée mésophylle. L'échange gazeux du dioxyde de carbone et de l'oxygène se produit à travers de petites ouvertures régulées appelées stomates (singulier : stomie), qui jouent également un rôle dans la régulation des échanges gazeux et de l'équilibre hydrique. Les stomates sont généralement situés sur la face inférieure de la feuille, ce qui aide à minimiser la perte d'eau. Chaque stomie est flanquée de cellules de garde qui régulent l'ouverture et la fermeture des stomates en gonflant ou en se rétrécissant en réponse aux changements osmotiques.

Chez tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l'intérieur d'un organite appelé chloroplaste. Pour les plantes, des cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes ont une double enveloppe membranaire (composée d'une membrane externe et d'une membrane interne). À l'intérieur du chloroplaste se trouvent des structures en forme de disque empilées appelées thylakoïdes. La chlorophylle, un pigment (molécule qui absorbe la lumière) responsable de l'interaction initiale entre la lumière et la matière végétale, est incrustée dans la membrane thylacoïdienne, ainsi que de nombreuses protéines qui constituent la chaîne de transport d'électrons. La membrane thylakoïde renferme un espace interne appelé lumière thylakoïde. Comme le montre la figure 8.6, une pile de thylakoïdes est appelée granum et l'espace rempli de liquide entourant le granum est appelé stroma ou « lit » (à ne pas confondre avec la stomie ou la « bouche », une ouverture sur l'épiderme de la feuille) .

Connexion visuelle

Par une journée chaude et sèche, les plantes ferment leurs stomates pour conserver l'eau. Quel impact cela aura-t-il sur la photosynthèse ?

Les deux parties de la photosynthèse

La photosynthèse se déroule en deux étapes séquentielles : les réactions dépendantes de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière. Dans les réactions dépendantes de la lumière, l'énergie de la lumière du soleil est absorbée par la chlorophylle et cette énergie est convertie en énergie chimique stockée. Dans les réactions indépendantes de la lumière, l'énergie chimique récoltée au cours des réactions dépendantes de la lumière entraîne l'assemblage de molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone. Par conséquent, bien que les réactions indépendantes de la lumière n'utilisent pas la lumière comme réactif, elles nécessitent les produits des réactions dépendantes de la lumière pour fonctionner. De plus, plusieurs enzymes des réactions indépendantes de la lumière sont activées par la lumière. Les réactions dépendantes de la lumière utilisent certaines molécules pour stocker temporairement l'énergie : elles sont appelées vecteurs d'énergie. Les porteurs d'énergie qui déplacent l'énergie des réactions dépendantes de la lumière vers des réactions indépendantes de la lumière peuvent être considérés comme « pleins » car ils sont riches en énergie. Une fois l'énergie libérée, les porteurs d'énergie « vides » retournent à la réaction dépendante de la lumière pour obtenir plus d'énergie. La figure 8.7 illustre les composants à l'intérieur du chloroplaste où se déroulent les réactions dépendantes et indépendantes de la lumière.

Lien vers l'apprentissage

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Connexion quotidienne

La photosynthèse à l'épicerie

Les grandes épiceries aux États-Unis sont organisées en départements, tels que les produits laitiers, les viandes, les produits, le pain, les céréales, etc. Chaque allée (figure 8.8) contient des centaines, voire des milliers de produits différents que les clients peuvent acheter et consommer.

Bien qu'il existe une grande variété, chaque élément renvoie à la photosynthèse. Viandes et produits laitiers lien, car les animaux étaient nourris avec des aliments à base de plantes. Les pains, les céréales et les pâtes proviennent en grande partie de grains amylacés, qui sont les graines de plantes dépendantes de la photosynthèse. Qu'en est-il des desserts et des boissons ? Tous ces produits contiennent du sucre - le saccharose est un produit végétal, un disaccharide, une molécule d'hydrate de carbone, qui est construit directement à partir de la photosynthèse. De plus, de nombreux articles sont moins manifestement dérivés de plantes : par exemple, les articles en papier sont généralement des produits végétaux et de nombreux plastiques (abondants comme produits et emballages) sont dérivés d'algues. Pratiquement toutes les épices et tous les arômes de l'allée des épices ont été produits par une plante sous forme de feuille, racine, écorce, fleur, fruit ou tige. En fin de compte, la photosynthèse se connecte à chaque repas et à chaque aliment qu'une personne consomme.

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    • Auteurs : Connie Rye, Robert Wise, Vladimir Jurukovski, Jean DeSaix, Jung Choi, Yael Avissar
    • Éditeur/site Web : OpenStax
    • Titre du livre : Biologie
    • Date de parution : 21 octobre 2016
    • Lieu : Houston, Texas
    • URL du livre : https://openstax.org/books/biology/pages/1-introduction
    • URL de la section : https://openstax.org/books/biology/pages/8-1-overview-of-photolysis

    © 15 sept. 2020 OpenStax. Le contenu des manuels produit par OpenStax est sous licence Creative Commons Attribution License 4.0. Le nom OpenStax, le logo OpenStax, les couvertures de livres OpenStax, le nom OpenStax CNX et le logo OpenStax CNX ne sont pas soumis à la licence Creative Commons et ne peuvent être reproduits sans le consentement écrit préalable et exprès de Rice University.


    8.1 : Introduction à la glycolyse - Stockage d'énergie

    • Contribution de Chris Schaller
    • Professeur (chimie) au College of Saint Benedict/Saint John's University

    La glycolyse est une voie biochimique dans laquelle le glucose est consommé et l'ATP est produit. Cette voie est un exemple de catabolisme, dans lequel des molécules plus grosses sont décomposées dans la cellule pour en faire de plus petites. Le type de voie opposé est l'anabolisme, dans lequel des molécules plus grosses sont synthétisées à partir de plus petites dans la cellule.

    Du point de vue du biologiste, le catabolisme est associé à la décomposition de molécules plus grosses pour libérer de l'énergie. For example, in grade school science, you may have learned that most organisms derive their energy from the breakdown of carbohydrates. You may have seen the process of respiration expressed through the following equation of reaction:

    That idea gives rise to the slightly misleading paradigm that energy is stored in chemical bonds. The idea goes that, for example, when the single sugar molecule represented by the formula, C6H12O6 , is broken down to make six carbon dioxide molecules, the energy from all of those broken bonds is released for the benefit of the organism.

    You may also have learned about another important energy-storage molecule, ATP. Like the breakdown of sugar, the breakdown of ATP is used to power other processes in the cell. That process might be expressed in the following expression:

    Once again, this can be considered a breaking-down process, in which an ATP molecule is split into a smaller ADP molecule and an inorganic phosphate.

    From the chemist's perspective, it is wrong to suggest that energy is stored in chemical bonds. Instead, energy is released when bonds are formed. This chemical perspective is more than an idea it represents physical reality. It can be demonstrated in a number of ways that energy is released when bonds are made, and energy must be used up in order to break bonds apparently, this situation is the opposite of the biological viewpoint.

    Some authors have suggested that this apparent disagreement is something like a difference of perspective. Think of an observer standing on the shore of the ocean, watching a ship sail away. From the observer's viewpoint, the ship eventually sinks below the ocean. After a while its hull is no longer visible only its masts remain, and finally they, too, slip down and are gone. To a passenger on the ship, however, the ship is still sailing along on the surface of the ocean. Biologists and chemists think about bonding differently because they are looking at it from a different viewpoint.

    Biologists say that energy is stored in chemical bonds because thinking about things that way is useful to them. It is useful to think of catabolic processes, such as the breakdown of sugars, as energy-releasing. It is useful to think of anabolic processes, such as photosynthesis or the synthesis of complex natural products, as energy-intensive.

    Biologists are looking at things purely from the point of view of the biomolecule. Either it is breaking down into smaller pieces (its bonds are breaking), releasing energy, or else it is getting built up into something bigger (its bonds are being made), costing energy.

    In a very loose sense, it is as if the reaction of carbohydrate breakdown is pared down to:

    And the reaction of ATP breakdown is abbreviated to:

    In other words, part of the reaction is ignored. That viewpoint allows a focus on the biomolecule, but it neglects some important things. For example, in the breakdown of carbohydrates, it isn't the C-C bond breaking of the carbohydrates that is the source of energy. It is the formation of strong, new O-H and C=O bonds, and other, more subtle changes, that release the energy.

    As always, we get more insight into a reaction by looking at the structural formulae in the equation, rather than condensed formulae. This way, we can actually see what bonds are being made and broken.

    Figure (PageIndex<1>): An equation of reaction for respiration, or the combustion of glucose, with structures.

    The case of ATP is a little different. The bonds made and broken are pretty much the same in the breakdown of ATP loosely, we just trade in one P-O bond for another. This case is more complicated, but the simplest explanation is that ATP cleavage relieves repulsion between the multiple negative charges in the ATP molecule. Energy decreases in the resulting molecules, and the rest of the energy that used to be in the reactants is released.

    Figure (PageIndex<2>): An equation of reaction for the hydrolysis of ATP, with structures.

    In the reverse, when ADP is phosphorylated to make ATP, the system goes up in energy (the system just means everything in the reaction it is everything on one side of the arrow or the other). That energy, however, is not really stored in any chemical bonds. It is distributed throughout the system, for example, in the motions of all of those atoms. The bonds may stretch, getting longer and shorter, but in addition the groups on the ends of the bonds can spin, and the molecules can tumble and zip around through space. There are lots of ways to distribute that energy throughout that entire collection of atoms it isn't forced to sit in that one bond that was newly formed between two atoms.

    So, although the idea of energy being stored in chemical bonds may be very useful in the biology classroom, it is only going to get in your way in the chemistry classroom. You need to be able to take off your biologist's hat and put on your chemist's lab coat when you need it.

    Our economy is driven largely by the consumption of fossil fuels, such as heptane. Given the following reaction for the breakdown of heptane:

    Use the table of bond strengths to determine how much energy is released when a mol of heptane is consumed.

    1. Start by determining the energy needed to break bonds.
    2. Determine the energy released when new bonds are made.
    3. Determine the overall energy change.

    C-C 6 x 80 kcal/mol = 480 kcal/mol

    C-H 16 x 100 kcal/mol = 1,600 kcal/mol

    O=O 7 x 120 kcal/mol = 840 kcal/mol

    C=O 14 x (- 190 kcal/mol) = - 2,660 kcal/mol

    O-H 16 x (- 110 kcal/mol) = -1,760 kcal/mol

    Overall: 1,240 - 4,420 kcal/mol = -1,500 kcal/mol

    Use the table of bond strengths to determine how much energy is released when a mol of octane is consumed.

    C-C 7 x 80 kcal/mol = 560 kcal/mol

    C-H 18 x 100 kcal/mol = 1,800 kcal/mol

    O=O 12.5 x 120 kcal/mol = 1,500 kcal/mol

    C=O 16 x (- 190 kcal/mol) = - 3,040 kcal/mol

    O-H 18 x (- 110 kcal/mol) = -1,980 kcal/mol

    Overall: 3,860 - 5,020 kcal/mol = -1,160 kcal/mol

    Given an approximate C-O bond strength of 85 kcal/mol, use the table of bond strengths to determine how much energy is released when a mol of glucose is consumed.

    C-C 6 x 80 kcal/mol = 480 kcal/mol

    C-H 7 x 100 kcal/mol = 700 kcal/mol

    C-O 7 x 85 kcal/mol = 595 kcal/mol

    O-H 5 x 110 kcal/mol = 550 kcal/mol

    O=O 6 x 120 kcal/mol = 840 kcal/mol

    C=O 12 x (- 190 kcal/mol) = - 2,280 kcal/mol

    O-H 12 x (- 110 kcal/mol) = -1,320 kcal/mol

    Overall: 3,165 - 3,600 kcal/mol = -435 kcal/mol

    Provide a mechanism for the hydrolysis of ATP to ADP.

    Suggest a possible role for magnesium ion in the hydrolysis of ATP.

    In the mechanism for hydrolysis, water acts as a nucleophile and ATP acts as an electrophile. That's a problem because ATP is negatively charged. It will not attract electrons very easily. By binding to magnesium ion (Mg 2+ ), the charge on the ATP will be lowered, accelerating the reaction with water.


    Molecules to metabolism 2.1

    The structure of living organisms can be partly explained by the molecules which they are made from. Live is based on carbon because the way in which carbon atoms form covalent bonds is central to the structure of the molecules which make up the bodies of all animals, plants and bacteria.

    Key concepts

    Learn and test your biological vocabulary for topic 2.1 molecules to metabolism using these flashcards.

    Essentials - quick revision through the whole topic

    These slides summarise the essential understanding and skills in this topic.
    They contain short explanations in text and images - good revision for all students.

    Read the slides and look up any words or details you find difficult to understand.

    Exam style question about molecule structure.

    The ability to draw monosaccharide molecules is an important skill in this topic.

    Answer the question below, on a piece of paper, then check your answer against the model answer below.

    The image shows a diagram of deoxyribose which is a molecule made from five carbon molecules.

    Outline the structure of deoxyribose and how it is different from the structure of &alphaD-glucose.
    (A labelled diagram may be used in the answer). [4]

    Click the + icon to see a model answer.

    Model answer

    Outline how the structure of deoxyribose is different for the structure of &alphaD-glucose.
    (A labelled diagram may be used in the answer). [4]

    This diagram shows the structure of &alphaD-glucose.

    There is an OH group on the number 2 carbon in glucose but not in deoxyribose

    Deoxyribose has five carbon atoms but glucose has six carbon molecules .

    The ring arrangement in glucose has a hexagonal shape whereas in ribose it has five points, like a pentagon.

    Summary list for 2.1 Molecules to metabolism

    • Molecular biology is explaining biological processes in terms of the chemicals involved.
    • There is a diversity of Carbon based compounds in living things because carbon atoms can form four covalent bonds.
      par exemple. carbohydrates, lipids, proteins & nucleic acids.
    • All the enzyme-catalysed reactions in a cell make up its metabolism. Il existe deux types :
      • Anabolism: forming macromolecules from monomers by condensation.
      • Catabolism: breaking complex macromolecules into simpler molecules by hydrolysis.

      Skills in drawing molecules

      • Draw diagrams of:
        • &alphaD-glucose & &betaD-glucose.
        • D-ribose.
        • a fatty acid.
        • an amino acid with generalised R-group.
        • monosaccharides.
        • disaccharides.
        • lipids (triglycerides, phospholipids and steroids)
        • amino acids.
        • polypeptides and peptide bonds.

        Mindmaps

        This diagram summaries the main sections of topic 2.1.
        Test if you can draw something like these concept maps from memory.
        Even better, design your own.

        Test yourself - multiple choice questions

        This is a self marking quiz containing questions covering the topic outlined above.
        Try the questions to check your understanding.

        2.1 Molecules to metabolism 1 / 1

        Which of the following processes could be described as catabolism?

        The digestion of starch into maltose in digestion.

        The production of a large DNA molecule from nucleotide monomers.

        The synthesis of glycogen in the liver from glucose.

        The production of polypeptides from amino acids by the action of enzymes.

        Anabolism is building up of large complex molecules from smaller simple units (Hint to remember: anacondas are long snakes).

        Catabolism is the breakdown of large complex molecules into smaller ones.


        8.1: Catabolism of Carbohydrates - Biology

        Glucose, glycogen, and ATP concentrations were measured in the peripheral and central layers of the sebaceous glands as well as in the epidermis. Both carbohydrates exhibited a decreasing gradient of concentration from the periphery to the center of the glands. No differential distribution of ATP content was found in the sebaceous glands. The periphery of the glands contained 8 m moles glucose, 22 m moles glycogen, and 10 m moles ATP per kg dry weight tissue. The glucose and ATP concentrations were comparable to those in epidermis, whereas on the basis of lipid-free dry weight the amount of glycogen at the periphery was 6.3 times that of epidermis. The total NADP concentration in sebaceous glands was 0.5 m moles/kg dry weight, 78 percent of which was in the reduced form the total NAD concentration was 1.4 m moles/kg dry weight, 34 percent of which was in the reduced state. Sebaceous glands contained 3 times more NADP nucleotides than epidermis. The ratios of the NAD nucleotides to NADP nucleotides were 3: 1 in the sebaceous glands and 8: 1 in the epidermis. Of the 29 enzymes assayed, the most prominent in the sebaceous glands were α-glycerophosphate dehydrogenase, malic enzyme, alanine amino-transferase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, and phosphorylase. Enzyme analyses also demonstrated increased contributions of the pentose phosphate pathway and tricarboxylic acid cycle, a significant role for glycogen metabolism and active glycolysis. The high activities of α-glycerophosphate dehydrogenase and triosephosphate isomerase suggest that triosephosphate is being shifted into α-glycerophosphate for the acylglycerol formation. The high aminotransferase activities suggested an important contribution of amino acid metabolism to the sebaceous glands. The conspicuously high activity of alanine aminotrans-ferase indicates a tissue potential to convert amino acids to pyruvate in sebaceous glands. High malic enzyme and malate dehydrogenase activities suggest a malate shunt, by means of which an ATP-driven transhydrogenation between NADP and cytoplasmic NADH occurs to produce NADPH. Isocitrate dehydrogenase was the most active among the NADP-dependent enzymes and appeared to participate in NADPH production in the sebaceous glands. Acid phosphatase activity was 5 to 7 times greated in the central portion than in the peripheral layers of the sebaceous glands. Three β-glycosidases were distributed more in the center than in the periphery of the glands. High acid phosphatase activity in the central portion of sebaceous glands may reflect its involvement in holocrine secretion.


        Glycogenesis

        Glycogenesis is the process of glycogen synthesis. Glycogen is a polymer of glucose residues that is linked by α-1,4 and α-1,6 glycosidic bonds. Therefore, it is the glucose storage molecule in the hepatocytes and skeletal muscle cells. The total amount of glycogen storage among these two tissues depends on the mass of the hepatocytes and skeletal muscle cells. Glycogen amount per mass unit of the liver is higher than the skeletal muscle however, since in body the total mass of the skeletal


        38 Connections of Carbohydrate, Protein, and Lipid Metabolic Pathways

        À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

        • Discuter des relations entre les voies métaboliques des glucides, la glycolyse et le cycle de l'acide citrique et les voies métaboliques des protéines et des lipides
        • Expliquer pourquoi les voies métaboliques ne sont pas considérées comme des systèmes fermés

        Vous avez appris le catabolisme du glucose, qui fournit de l'énergie aux cellules vivantes. Mais les êtres vivants consomment des composés organiques autres que le glucose pour se nourrir. Comment un sandwich à la dinde se transforme-t-il en ATP dans vos cellules ? Cela se produit parce que toutes les voies cataboliques des glucides, des protéines et des lipides finissent par se connecter à la glycolyse et aux voies du cycle de l'acide citrique (voir (Figure)). Les voies métaboliques doivent être considérées comme poreuses et interconnectées, c'est-à-dire que les substances entrent par d'autres voies et que les intermédiaires partent pour d'autres voies. Ces voies ne sont pas des systèmes fermés ! De nombreux substrats, intermédiaires et produits dans une voie particulière sont des réactifs dans d'autres voies.

        Connections of Other Sugars to Glucose Metabolism

        Le glycogène, un polymère du glucose, est une molécule de stockage d'énergie chez les animaux. Lorsqu'il y a suffisamment d'ATP, l'excès de glucose est stocké sous forme de glycogène dans les cellules hépatiques et musculaires. Le glycogène sera hydrolysé en monomères glucose 1-phosphate (G-1-P) si la glycémie chute. La présence de glycogène comme source de glucose permet à l'ATP d'être produit plus longtemps pendant l'exercice. Le glycogène est décomposé en glucose-1-phosphate (G-1-P) et converti en glucose-6-phosphate (G-6-P) dans les cellules musculaires et hépatiques, et ce produit entre dans la voie glycolytique.

        Le saccharose est un disaccharide avec une molécule de glucose et une molécule de fructose liées ensemble par une liaison glycosidique. Le fructose est l'un des trois monosaccharides « diététiques », avec le glucose et le galactose (qui fait partie du sucre du lait, le dissacharide lactose), qui sont absorbés directement dans la circulation sanguine pendant la digestion. The catabolism of both fructose and galactose produces the same number of ATP molecules as glucose.

        Connections of Proteins to Glucose Metabolism

        Les protéines sont hydrolysées par une variété d'enzymes dans les cellules. La plupart du temps, les acides aminés sont recyclés dans la synthèse de nouvelles protéines. S'il y a un excès d'acides aminés, cependant, ou si le corps est dans un état de famine, certains acides aminés seront shuntés dans les voies du catabolisme du glucose ((Figure)). Il est très important de noter que chaque acide aminé doit avoir son groupe aminé retiré avant d'entrer dans ces voies. The amino group is converted into ammonia. In mammals, the liver synthesizes urea from two ammonia molecules and a carbon dioxide molecule. Ainsi, l'urée est le principal déchet chez les mammifères, produite à partir de l'azote provenant des acides aminés, et elle quitte le corps dans l'urine. Il convient de noter que les acides aminés peuvent être synthétisés à partir des intermédiaires et des réactifs du cycle de respiration cellulaire.


        Connexions des métabolismes des lipides et du glucose

        Les lipides liés à la voie du glucose comprennent le cholestérol et les triglycérides. Cholesterol is a lipid that contributes to cell membrane flexibility and is a precursor of steroid hormones. La synthèse du cholestérol commence par les groupes acétyle et se déroule dans un seul sens. Le processus ne peut pas être inversé.

        Les triglycérides, fabriqués à partir de la liaison du glycérol et de trois acides gras, sont une forme de stockage d'énergie à long terme chez les animaux. Animals can make most of the fatty acids they need. Triglycerides can be both made and broken down through parts of the glucose catabolism pathways. Le glycérol peut être phosphorylé en glycérol-3-phosphate, qui se poursuit par la glycolyse. Les acides gras sont catabolisés dans un processus appelé bêta-oxydation, qui a lieu dans la matrice des mitochondries et convertit leurs chaînes d'acides gras en unités à deux carbones de groupes acétyle. Les groupes acétyle sont captés par le CoA pour former l'acétyl CoA qui se poursuit dans le cycle de l'acide citrique.


        Voies de la photosynthèse et du métabolisme cellulaire Les processus de la photosynthèse et du métabolisme cellulaire consistent en plusieurs voies très complexes. On pense généralement que les premières cellules sont apparues dans un environnement aqueux – une « soupe » de nutriments – éventuellement à la surface de certaines argiles poreuses, peut-être dans des environnements marins chauds. Si ces cellules se reproduisaient avec succès et que leur nombre augmentait régulièrement, il s'ensuit que les cellules commenceraient à épuiser les nutriments du milieu dans lequel elles vivaient en déplaçant les nutriments dans les composants de leur propre corps. Cette situation hypothétique aurait entraîné une sélection naturelle favorisant les organismes qui pourraient exister en utilisant les nutriments qui restaient dans leur environnement et en manipulant ces nutriments en matériaux sur lesquels ils pourraient survivre. La sélection favoriserait les organismes capables d'extraire une valeur maximale des nutriments auxquels ils ont accès.

        Une première forme de photosynthèse s'est développée qui exploitait l'énergie du soleil en utilisant l'eau comme source d'atomes d'hydrogène, mais cette voie ne produisait pas d'oxygène libre (photosynthèse anoxygénique). (Un autre type de photosynthèse anoxygénique ne produisait pas d'oxygène libre car il n'utilisait pas d'eau comme source d'ions hydrogène à la place, il utilisait des matériaux tels que le sulfure d'hydrogène et produisait par conséquent du soufre). On pense que la glycolyse s'est développée à cette époque et pourrait tirer parti des sucres simples produits, mais que ces réactions n'ont pas pu extraire complètement l'énergie stockée dans les glucides. Le développement de la glycolyse a probablement précédé l'évolution de la photosynthèse, car elle était bien adaptée pour extraire l'énergie des matériaux s'accumulant spontanément dans la "soupe primitive". Une forme ultérieure de photosynthèse utilisait l'eau comme source d'électrons et d'hydrogène et générait de l'oxygène libre. Au fil du temps, l'atmosphère s'est oxygénée, mais pas avant que l'oxygène ne libère des métaux oxydés dans l'océan et crée une couche de « rouille » dans les sédiments, permettant de dater la montée des premiers photosynthétiseurs oxygénés. Les êtres vivants se sont adaptés pour exploiter cette nouvelle atmosphère qui a permis à la respiration aérobie telle que nous la connaissons d'évoluer. Lorsque le processus complet de la photosynthèse oxygénée s'est développé et que l'atmosphère est devenue oxygénée, les cellules ont finalement pu utiliser l'oxygène expulsé par la photosynthèse pour extraire considérablement plus d'énergie des molécules de sucre en utilisant le cycle de l'acide citrique et la phosphorylation oxydative.

        Résumé de la section

        The breakdown and synthesis of carbohydrates, proteins, and lipids connect with the pathways of glucose catabolism. Les sucres simples sont le galactose, le fructose, le glycogène et le pentose. Ceux-ci sont catabolisés lors de la glycolyse. The amino acids from proteins connect with glucose catabolism through pyruvate, acetyl CoA, and components of the citric acid cycle. La synthèse du cholestérol commence avec les groupes acétyle et les composants des triglycérides proviennent du glycérol-3-phosphate de la glycolyse et des groupes acétyle produits dans les mitochondries à partir du pyruvate.


        Voir la vidéo: Cours de biochimie: Glycolyse (Décembre 2021).