La respiration cellulaire doit être régulée afin de fournir des quantités équilibrées d'énergie sous forme d'ATP. La cellule doit également générer un certain nombre de composés intermédiaires qui sont utilisés dans l'anabolisme et le catabolisme des macromolécules. Sans contrôle, les réactions métaboliques s'arrêteraient rapidement lorsque les réactions avant et arrière atteindraient un état d'équilibre. Les ressources seraient utilisées de manière inappropriée. Une cellule n'a pas besoin de la quantité maximale d'ATP qu'elle peut produire en permanence : Parfois, la cellule a besoin de dériver certains des intermédiaires vers des voies de production d'acides aminés, de protéines, de glycogène, de lipides et d'acides nucléiques. En bref, la cellule doit contrôler son métabolisme.

Mécanismes de régulation

Divers mécanismes sont utilisés pour contrôler la respiration cellulaire. Un certain type de contrôle existe à chaque étape du métabolisme du glucose. L'accès du glucose à la cellule peut être régulé grâce aux protéines GLUT qui transportent le glucose. Différentes formes de la protéine GLUT contrôlent le passage du glucose dans les cellules de tissus spécifiques.

GLUT4 est un transporteur de glucose qui est stocké dans des vésicules. Une cascade d'événements qui se produisent lors de la liaison de l'insuline à un récepteur dans la membrane plasmique fait que les vésicules contenant GLUT4 fusionnent avec la membrane plasmique de sorte que le glucose peut être transporté dans la cellule.

Certaines réactions sont contrôlées par deux enzymes différentes, une pour chacune des deux directions d'une réaction réversible. Les réactions qui sont catalysées par une seule enzyme peuvent atteindre l'équilibre, ce qui ralentit la réaction. En revanche, si deux enzymes différentes (chacune spécifique pour une direction donnée) sont nécessaires pour une réaction réversible, la possibilité de contrôler la vitesse de la réaction augmente, et l'équilibre n'est pas atteint.

Un certain nombre d'enzymes impliquées dans chacune des voies - en particulier, l'enzyme catalysant la première réaction engagée de la voie - sont contrôlées par la fixation d'une molécule à un site allostérique sur la protéine. Les molécules les plus couramment utilisées à ce titre sont les nucléotides ATP, ADP, AMP, NAD+ et NADH. Ces régulateurs, des effecteurs allostériques, peuvent augmenter ou diminuer l'activité enzymatique, selon les conditions qui prévalent. L'effecteur allostérique modifie la structure stérique de l'enzyme, affectant généralement la configuration du site actif. Cette modification de la structure de la protéine (de l'enzyme) augmente ou diminue son affinité pour son substrat, avec pour effet d'augmenter ou de diminuer la vitesse de la réaction. Les signaux de fixation à l'enzyme. Cette liaison peut augmenter ou diminuer l'activité de l'enzyme, fournissant ainsi une rétroaction. Ce type de contrôle par rétroaction est efficace tant que la substance chimique qui l'affecte est fixée à l'enzyme. Une fois que la concentration globale du produit chimique diminue, il se diffuse loin de la protéine, et le contrôle est relâché.

Contrôle des voies cataboliques

Les enzymes, les protéines, les transporteurs d'électrons et les pompes qui jouent un rôle dans la glycolyse, le cycle de l'acide citrique et la chaîne de transport des électrons ont tendance à catalyser des réactions non réversibles. En d'autres termes, si la réaction initiale a lieu, la voie s'engage à poursuivre les réactions restantes. La libération d'une activité enzymatique particulière dépend des besoins énergétiques de la cellule (comme le montrent les niveaux d'ATP, d'ADP et d'AMP).

Glycolyse

Le contrôle de la glycolyse commence avec la première enzyme de la voie, l'hexokinase. Cette enzyme catalyse la phosphorylation du glucose, ce qui aide à préparer le composé pour le clivage dans une étape ultérieure. La présence du phosphate chargé négativement dans la molécule empêche également le sucre de quitter la cellule. Lorsque l'hexokinase est inhibée, le glucose diffuse hors de la cellule et ne devient pas un substrat pour les voies respiratoires dans ce tissu. Le produit de la réaction de l'hexokinase est le glucose-6-phosphate, qui s'accumule lorsqu'une enzyme ultérieure, la phosphofructokinase, est inhibée.

La voie de la glycolyse est principalement régulée aux trois étapes enzymatiques clés (1, 2 et 7) comme indiqué. Il faut noter que les deux premières étapes régulées se produisent au début de la voie et impliquent l'hydrolyse de l'ATP.

La phosphofructokinase est la principale enzyme régulée dans la glycolyse. Des niveaux élevés d'ATP, de citrate, ou un pH plus faible et plus acide diminuent l'activité de l'enzyme. Une augmentation de la concentration de citrate peut se produire en raison d'un blocage du cycle de l'acide citrique. La fermentation, avec sa production d'acides organiques comme l'acide lactique, explique souvent l'augmentation de l'acidité dans une cellule ; cependant, les produits de la fermentation ne s'accumulent généralement pas dans les cellules.

La dernière étape de la glycolyse est catalysée par la pyruvate kinase. Le pyruvate produit peut être catabolisé ou converti en acide aminé alanine. Si aucune énergie supplémentaire n'est nécessaire et que l'alanine est en quantité suffisante, l'enzyme est inhibée. L'activité de l'enzyme est augmentée lorsque les niveaux de fructose-1,6-bisphosphate augmentent. (Rappelons que le fructose-1,6-bisphosphate est un intermédiaire dans la première moitié de la glycolyse). La régulation de la pyruvate kinase implique la phosphorylation par une kinase (pyruvate kinase kinase), ce qui donne une enzyme moins active. La déphosphorylation par une phosphatase la réactive. La pyruvate kinase est également régulée par l'ATP (un effet allostérique négatif).

Si plus d'énergie est nécessaire, une plus grande quantité de pyruvate sera convertie en acétyl CoA par l'action de la pyruvate déshydrogénase. Si des groupes acétyle ou du NADH s'accumulent, la réaction est moins nécessaire et le taux diminue. La pyruvate déshydrogénase est également régulée par la phosphorylation : Une kinase la phosphoryle pour former une enzyme inactive, et une phosphatase la réactive. La kinase et la phosphatase sont également régulées.

Cycle de l'acide citrique

Le cycle de l'acide citrique est contrôlé par les enzymes qui catalysent les réactions qui produisent les deux premières molécules de NADH. Ces enzymes sont l'isocitrate déshydrogénase et la α-ketoglutarate déshydrogénase. Lorsque des niveaux adéquats d'ATP et de NADH sont disponibles, les taux de ces réactions diminuent. Lorsqu'il faut plus d'ATP, comme le montre l'augmentation des niveaux d'ADP, le taux augmente. α-ketoglutarate déshydrogénase sera également affectée par les niveaux de succinyl CoA - un intermédiaire ultérieur dans le cycle - provoquant une diminution de l'activité. Une diminution du taux de fonctionnement de la voie à ce stade n'est pas nécessairement négative, car les niveaux accrus de α-ketoglutarate non utilisés par le cycle de l'acide citrique peuvent être utilisés par la cellule pour la synthèse d'acides aminés (glutamate).

Chaîne de transport des électrons

Les enzymes spécifiques de la chaîne de transport des électrons ne sont pas affectées par l'inhibition de la rétroaction, mais le taux de transport des électrons par la voie est affecté par les niveaux d'ADP et d'ATP. Une plus grande consommation d'ATP par une cellule est indiquée par une accumulation d'ADP. Lorsque l'utilisation de l'ATP diminue, la concentration d'ADP diminue, et l'ATP commence alors à s'accumuler dans la cellule. Ce changement de la concentration relative d'ADP par rapport à l'ATP déclenche le ralentissement de la chaîne de transport des électrons dans la cellule.

Résumé des contrôles de rétroaction sur la respiration cellulaire

Voie

Enzyme

Niveaux élevés de l'effecteur affecté

Effet sur l'activité de la voie
glycolyse hexokinase glucose-6-phosphate diminution
  phosphofructokinase charge de faible énergie (ATP, AMP), fructose-6-phosphate via fructose-2,6-bisphosphate augmentation
    charge de haute énergie (ATP, AMP), citrate, pH acide diminution
  pyruvate kinase fructose-1,6-bisphosphate augmentation
    charge de haute énergie (ATP, AMP), alanine diminution
Conversion du pyruvate en acétyl CoA pyruvate déshydrogénase ADP, pyruvate augmentation
    acetyl CoA, ATP, NADH diminution
Cycle de l'acide citrique

isocitrate déshydrogénase

ADP augmentation
    ATP, NADH diminution
  α-cétoglutarate déshydrogénase Calcium ions, ADP augmentation
    ATP, NADH, succinyl CoA diminution
Chaîne de transport des électrons   ADP augmentation
    ATP diminution

Source : Regulation of Cellular Respiration

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