Respiration cellulaire

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La respiration cellulaire désigne une série de réactions chimiques qui ont lieu à l'intérieur des cellules et permettent la production d'énergie à partir du glucose. La respiration cellulaire est nécessaire à la survie de la cellule, car l'énergie qu'elle produit est essentielle aux autres processus intracellulaires. Lorsque les êtres vivants respirent, concrètement, ils absorbent de l'oxygène qui est ensuite apporté à chaque cellule afin d'effectuer la respiration cellulaire. Les produits finaux de la respiration cellulaire sont de l'adénosine triphosphate ou ATP, une molécule très énergétique utilisée par la suite dans le métabolisme, et du dioxyde de carbone (CO2), qui est rejeté dans l'air par l'expiration.

Il existe deux types de respiration cellulaire: la respiration aérobie, qui nécessite de l'oxygène et des mitochondries, et la respiration cellulaire anaérobie, qui n'a besoin ni d'oxygène, ni de mitochondrie. En temps normal, dans les cellules eucaryotes, c'est la respiration cellulaire aérobie qui a lieu. La respiration cellulaire anaérobie n'entre en jeu que lorsque la cellule se retrouve en manque d'oxygène, et permet de garder la cellule en vie pendant un temps limité en produisant un peu d'ATP (l'énergie) par un procédé moins rentable que la respiration cellulaire aérobie. En revanche, certains procaryotes vivant dans des milieux sans oxygène, vivent grâce à la respiration cellulaire anaérobie.

Respiration cellulaire aérobie[modifier | modifier le wikicode]

La respiration cellulaire aérobie nécessite de l'oxygène pour avoir lieu. C'est une série de réactions chimiques très complexe qui a lieu en trois étapes: La glycolyse, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative. Il y a également une étape charnière entre la glycolyse et le cycle de Krebs, qui est la conversion du pyruvate en acétyl-CoA. Parmi ces quatre étapes, seule la glycolyse a lieu hors des mitochondries, les autres ont lieu à l'intérieur de celle-ci.

Glycolyse[modifier | modifier le wikicode]

Comme évoqué plus haut, la glycolyse a lieu dans l'hyaloplasme de la cellule. Elle est effectuée en deux phases de 10 étapes au total, catalysées par des enzymes. Durant ces phases, le glucose (C6H12O6) est converti en deux molécules d'acide pyruvique (CH3COCOOH) (on dit parfois pyruvate, qui est la base conjuguée ce cet acide). Ces réactions libèrent de l'énergie, qui est immédiatement utilisée dans une autre réaction qui a lieu en parallèle, la formation d'ATP à partir de d'ADP (adénosine diphosphate) et de phosphate inorganique (Pi).

L'équation globale de la glycolyse est:

C6H12O6 + 2 NAD + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3COCOOH + 2 NADH2 + 2 ATP

Les molécules nommées NAD sont des accepteurs de protons (H+). Elles sont également nécessaires à la réaction, car elles se lient aux molécules d'hydrogène (H) restantes (formant NADH2) et permettent d'équilibrer l'équation de la réaction. En effet, lors d'une réaction chimique, il n'y a jamais de perte de matière. Le nombre de molécule de chaque matière reste le même de part et d'autre de la flèche.

Conversion du pyruvate en acétyl-CoA[modifier | modifier le wikicode]

Cette étape est une étape charnière entre la glycolyse et le cycle de Krebs.

Les molécules de pyruvate (CH3COCOOH) formées lors de la glycolyse sont absorbées dans une mitochondrie et sont décarboxylées, c'est-à-dire qu'on leur retire leur groupement carboxyle (groupement -COOH), libéré sous forme de CO2. Ensuite, l'acétate, qui est le "résidu" du pyruvate lorsqu'on lui retire son groupement carboxyle, est lié à la coenzyme A pour former l'acétyl-CoA (acétly-coenzyme A).

L'équation globale de la conversion du pyruvate en acétyl-CoA est:

2 CH3COCOOH + 2 NAD + 2 coenzymes A → 2 CO2 + 2 NADH2 + 2 acétyl-CoA

Cycle de Krebs[modifier | modifier le wikicode]

L'acétyl-CoA entre ensuite dans le cycle de Krebs, qui a lieu dans la matrice mitochondriale.

Dans le cycle de Krebs, l'acétyl-CoA va se lier avec d'autres molécules et subir une chaine de réactions chimiques catalysées par des enzymes. Ces réactions chimiques donneront lieu à la formation de plusieurs molécules d'NADH2 et de FADH2, qui seront utilisées lors de la dernière phase de la respiration cellulaire aérobie. Cette phase va également consommer de l'eau (H2O), former deux molécules d'ATP et libérer du CO2.

L'équation globale du cycle de Krebs est:

6 H2O + 2 Acétyl-CoA + 2ADP + 2 Pi + 6 NAD + 2 FAD → 4 CO2 + 2 ATP + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 coenzymes A

Le cycle de Krebs implique encore plus de molécules que celles indiquées ci-dessus, mais étant donné que certaines molécules utilisées lors de la réaction sont immédiatement régénérées à nouveau lors de cette même réaction, elles sont omises dans l'équation globale.

Shéma complet du cycle de Krebs. Encadré en rose sont indiquées les deux molécules d'acétyl-CoA. On observe qu'à plusieurs reprises, des réactions du cycle de Krebs sont couplées avec des réactions formant du NADH2, du FADH2 et de l'ATP. Une des autres substances impliquées dans le cycle de Krebs est l'acide citrique (ou citrate), qui est un acide que l'on retrouve également dans le citron.

Phosphorylation oxydative[modifier | modifier le wikicode]

Article à lire Pour comprendre cette étape, il est préférable de connaître la structure interne d'une mitochondrie.

La phosphorylation oxydative est la dernière phase de la respiration cellulaire et a lieu au niveau des crètes de la mitochondrie, donc dans la membrane interne.

Les composés NADH2 et FADH2 vont libérer les électrons (e-) et protons (H+) acceptés lors des réactions ayant lieu pendant les phases précédentes et redevenir des molécules NAD et FAD. Les électrons libérés vont passer dans des protéines de la membrane interne, appelées les transporteurs d'électrons. Ce passage va créer un flux d'électrons, qui va aspirer les protons (qui sont de charges opposées aux électrons) à travers des canaux protéiques dans la membrane interne vers l'espace intermembranaire. Cela va créer ce qu'on appelle un gradient de concentration, c'est- à-dire une grosse différence de concentration en protons de part et d'autre de la membrane interne. Ce gradient de concentration va provoquer une migration spontanée des protons vers la matrice mitochondriale.

Lorsque les protons migrent vers la matrice mitochondriale, ils sont obligés de passer par le complexe ATP-sythase, une protéine particulière permettant de fabriquer de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. Le passage des protons à travers la protéine va fournir l'énergie nécessaire à la réaction chimique formant l'ATP.

Une fois que les protons retournent dans la matrice et que les électrons atteignent le bout de la chaîne de transport d'électrons, ceux-ci sont tous liés à l'oxygène, que l'on appelle aussi accepteur final, pour former de l'eau.

L'équation globale de la phosphorylation oxydative est:

10 NADH2 + 2 FADH2 + 32 ADP + 32 Pi + 6 O2 → 10 NAD + 2 FAD + 32 ATP + 12 H2O

Il est important de noter que lorsque la cellule n'a pas d'oxygène, cette étape finale ne peut s'effectuer. Hors, si l'étape finale n'a pas lieu, aucune des autres réactions de la respiration cellulaire aérobie ne peut s'effectuer, car elles sont toutes dépendantes les unes des autres (beaucoup des molécules sont utilisées lors d'une réaction puis régénérées plus tard et réutilisées lors de la série de réactions suivante). La cellule ne respire plus, ne produit donc plus d'énergie et meurt. C'est la raison pour laquelle les êtres vivants suffoquent et meurent en absence ou manque d'oxygène.

Le savais-tu.png
Le savais-tu ?
Mode d'action du cyanure
Le cyanure est un poison connu, très toxique et mortel. Mais pourquoi est-il si toxique? Quel est l'effet du cyanure sur notre organisme?

Le cyanure agit exactement dans cette étape-ci de la respiration cellulaire. La molécule de cyanure va se fixer sur l'un des transporteurs d'électrons, ce qui va complètement bloquer le flux d'électrons et donc la chaîne de transport d'électrons. Cela va entraîner le blocage de tout le procédé de la respiration cellulaire aérobie, car chaque étape est dépendante des suivantes et précédentes. Ainsi, la cellule ne pourra plus respirer, ne produira plus d'énergie et mourra très rapidement.

Sur une seule cellule, les dommages sont négligeables. Mais lorsqu'on ingère du cyanure, on absorbe des milliards de molécules de cyanure, cela va donc tuer énormément de cellules, ce qui est extrêmement dangereux et peut entraîner la mort de l'individu.

Bilan[modifier | modifier le wikicode]

Pour rappel, la respiration cellulaire a pour but de produire de l'énergie pour la cellule, donc de produire de l'adénosine triphosphate (ATP).

Au total, la respiration cellulaire aérobie produit 36 molécules d'ATP à partir d'une molécule de glucose (C6H12O6), ce qui est un excellent rendement. On note également qu'elle consomme 6 molécules d'oxygène (O2) et produit 6 molécules d'eau (H2O), ainsi que 6 molécules de dioxyde de carbone (CO2).

L'équation bilan de la respiration cellulaire aérobie est:

C6H12O6 + 6 O2 + 36 ADP + 36 Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

Comme on peut le constater, la molécule de glucose est complètement oxydée en eau et dioxyde de carbone, et l'énergie libérée lors de cette dégradation a été utilisée pour former les 36 molécules d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi). Cependant, dans les équations de chaque étape, il y avait beaucoup d'autres molécules impliquées. Certaines de ces molécules, comme le pyruvate par exemple, étaient des formes intermédiaires de la dégradation du glucose en eau et CO2. D'autres comme NAD et la coenzyme A ont été consommées puis régénérées lors d'étapes ultérieures. C'est la raison pour laquelle toutes ces molécules ne figurent pas dans l'équation bilan.

Respiration cellulaire anaérobie[modifier | modifier le wikicode]

Série de réactions à partir du glucose pour obtenir de l'éthanol (glycolyse et fermentation alcoolique).
Article à lire Article à lire : Fermentation

Une cellule a impérativement besoin d'ATP pour survivre. Dans les cellules eucaryotes, la respiration cellulaire anaérobie a lieu lorsque l'apport en oxygène de l'organisme est insuffisant pour effectuer la respiration cellulaire aérobie. Elle permet de régénérer le composé NAD consommé lors de la glycolyse, pour que ce dernier procédé puisse se poursuivre et continuer à produire de petites quantités d'ATP. Ainsi, la survie de la cellule est prolongée un certain temps, jusqu'à ce que l'organisme puisse à nouveau augmenter son apport en oxygène et effectuer la respiration cellulaire aérobie.

Dans le corps humain, seules les cellules musculaires sont capables d'effectuer la respiration cellulaire anaérobie, plus exactement la fermentation lactique. Elle aura lieu lors d'efforts physiques intense, lorsque tout l'ATP en réserve sera rapidement consommé et que l'apport en oxygène de l'organisme vers la cellule ne sera pas assez important. La fermentation alcoolique quant à elle n'a lieu dans aucune cellule humaine. Elle est effectuée par certains autres organismes, comme les levures par exemple.

Il est important de noter que tandis que certains organismes peuvent, grâce à la fermentation, complètement se passer d'oxygène pour vivre, ce n'est pas le cas de beaucoup d'êtres vivants, car le rendement en ATP de la fermentation est extrêmement faible comparé au rendement de la respiration cellulaire aérobie et ne suffit pas à leur survie pendant une durée prolongée.

Glycolyse[modifier | modifier le wikicode]

La première étape de la respiration cellulaire anaérobie est exactement la même que celle de la respiration aérobie; la glycolyse. Cependant, le pyruvate formé lors de la glycolyse ne sera cette fois pas absorbés dans une mitochondrie, mais restera dans l'hyaloplasme et sera utilisé dans un autre procédé chimique, la fermentation, qui est une oxydation incomplète de la molécule de glucose. Selon l'organisme, la cellule va faire de la fermentation lactique ou de la fermentation alcoolique.

Fermentation lactique[modifier | modifier le wikicode]

La fermentation lactique va transformer les deux molécules de pyruvates provenant de la glycolyse en deux molécules d'acide lactique ou lactate (C3H6O3). Cette réaction est couplée avec la réduction du composé NADH2 en NAD, afin de régénérer les molécules d'NAD pour permettre à la glycolyse de se poursuivre.

L'équation globale de la fermentation lactique, glycolyse comprise, est:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H6O3 + 2 ATP

Le lactate formé durant la fermentation lactique dans nos cellules musculaires est à l'origine des crampes que nous avons après un effort physique intense.

Fermentation alcoolique[modifier | modifier le wikicode]

Comme l'indique son nom, la fermentation alcoolique donne lieu à un alcool, plus exactement de l'éthanol (C2H5OH), qui est l'alcool comestible que l'on retrouve dans les boissons alcoolisées. Cette réaction est, tout comme dans la fermentation lactique, couplée avec la régénération du composé NAD, afin de permettre à la glycolyse de se poursuivre. Il y a également libération de deux molécules de CO2.

L'équation globale de la fermentation alcoolique, glycolyse comprise, est:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP

Les organismes effectuant la fermentation alcoolique sont typiquement les levures. Ce qui est intéressant est que l'alcool qu'elles produisent s'avère être toxiques pour elles. Ainsi, des levures cultivées en condition anaérobie - donc sans oxygène - et en présence de glucose, vont effectuer la fermentation alcoolique jusqu'à mourrir intoxiquées dans l'alcool qu'elles auront produit.

Les hommes utilisent certains organismes vivants faisant la fermentation alcoolique pour faire fermenter des boissons, comme la bière par exemple, afin de les rendre alcoolisées.

Vikiliens pour compléter[modifier | modifier le wikicode]

Gas exchange in the aveolus simple (fr).svg

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Autour de la respiration - Apnée  • Asphyxie

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