Les cellules acquièrent de l’énergie en décomposant les macromolécules. La respiration cellulaire est le processus biochimique qui convertit “ l’énergie des aliments ” (à partir des liaisons chimiques des macromolécules) en énergie chimique sous forme d’adénosine triphosphate (ATP). La première étape de ce processus étroitement régulé et complexe est la glycolyse. Le mot glycolyse provient du latin glyco (sucre) et lyse (dégradation). La glycolyse remplit deux fonctions intracellulaires principales : générer de l’ATP et des métabolites intermédiaires pour nourrir d’autres voies. La voie glycolytique convertit un hexose (glucide à six carbone comme le glucose) en deux molécules de triose (glucide à trois carbones), comme le pyruvate, et un réseau de deux molécules d’ATP (quatre produites, deux consommées) et deux molécules de nicotinamide adénine dinucléotide (NADH).
Saviez-vous que la glycolyse a été la première voie biochimique découverte ? Au milieu des années 1800, Louis Pasteur a déterminé que les micro-organismes causent la dégradation du glucose en l’absence d’oxygène (fermentation). En 1897, Eduard Buchner a constaté que les réactions de fermentation peuvent encore être effectuées dans des extraits de levure sans cellules, réalisés en brisant la cellule et en recueillant le cytoplasme qui contient les molécules solubles et les organites. Peu de temps après, en 1905, Arthur Harden et William Young ont découvert que le taux de fermentation diminue sans l’ajout de phosphate inorganique (Pi) et que la fermentation nécessite la présence à la fois d’un constituant sensible à la chaleur (plus tard identifié comme contenant un certain nombre d’enzymes) et d’une fraction thermostable de faible poids moléculaire (des ions inorganiques, de l’ATP, de l’ADP et des coenzymes comme NAD). En 1940, avec l’effort de nombreux individus, la voie complète de la glycolyse a été établie par Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas et al. En effet, la glycolyse est maintenant connue sous le nom de voie EMP.
Le glucose peut pénétrer dans les cellules de deux façons : la diffusion facilitée par l’intermédiaire d’un groupe de protéines intégrales appelées protéines GLUT (transporteur de glucose) qui transportent le glucose dans le cytosol. Les membres de la famille des protéines GLUT sont présents dans des tissus spécifiques dans tout le corps humain. Alternativement, le transport actif secondaire déplace le glucose contre son gradient de concentration par l’intermédiaire d’une protéine symporteur transmembranaire. Le symporteur utilise l’énergie électrochimique provenant du pompage d’un ion. Des exemples sont les transporteurs liés au sodium-glucose dans l’intestin grêle, le cœur, le cerveau et les reins.
Dans les conditions aérobies (riches en O2) et anaérobies (carencées en O2), la glycolyse peut commencer une fois que le glucose pénètre dans le cytosol d’une cellule. Il existe deux phases principales de la glycolyse. La première phase a besoin d’énergie et elle est considérée comme une étape préparatoire, piégeant le glucose dans la cellule et restructurant le squelette à six carbones afin qu’il puisse être efficacement clivé. La seconde phase est la phase payante, libérant de l’énergie et générant du pyruvate.
Selon le niveau d’oxygène et la présence de mitochondries, le pyruvate peut avoir l’un des deux destins possibles. Dans des conditions aérobies, avec des mitochondries présentes, le pyruvate pénètre dans les mitochondries, subissant le cycle de l’acide citrique et la chaîne de transport d’électrons (ETC) pour être oxydé en CO2, H2O et encore plus d’ATP. En revanche, dans des conditions anaérobies (c.-à-d. les muscles en fonctionnement) ou manquant de mitochondries (c.-à-d. les procaryotes), le pyruvate subit une fermentation lactique (c.-à-d. est réduit en lactate dans des conditions anaérobies). Fait intéressant, la levure et certaines bactéries dans des conditions anaérobies peuvent transformer le pyruvate en éthanol par un processus connu sous le nom de fermentation alcoolique.
Un contrôle et une régulation étroite des voies métaboliques qui dépendent d’enzymes, comme la glycolyse, sont essentiels au bon fonctionnement d’un organisme. Le contrôle est exercé par la limitation du substrat ou par la régulation liée aux enzymes. La limitation du substrat se produit lorsque la concentration du substrat et des produits dans la cellule est proche de l’équilibre. Par conséquent, la disponibilité du substrat détermine la vitesse de réaction. Dans la régulation liée aux enzymes, la concentration du substrat et des produits est loin de l’équilibre. L’activité de l’enzyme détermine la vitesse de la réaction, qui contrôle le flux de la voie globale. Dans la glycolyse, les trois enzymes régulatrices sont l’hexokinase, la phosphofructokinase et la kinase du pyruvate.
