Respiration aérobie

Définition

La respiration aérobie est le processus par lequel les organismes utilisent l’oxygène pour transformer le carburant, comme les graisses et les sucres, en énergie chimique. En revanche, la respiration anaérobie n’utilise pas d’oxygène.

La respiration est utilisée par toutes les cellules pour transformer le carburant en énergie qui peut être utilisée pour alimenter les processus cellulaires. Le produit de la respiration est une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP), qui utilise l’énergie stockée dans ses liaisons phosphate pour alimenter les réactions chimiques. On l’appelle souvent la « monnaie » de la cellule.

La respiration aérobie est beaucoup plus efficace, et produit de l’ATP beaucoup plus rapidement, que la respiration anaérobie. Ceci est dû au fait que l’oxygène est un excellent accepteur d’électrons pour les réactions chimiques impliquées dans la production d’ATP.

Aérobie vs anaérobie

Similitudes

La respiration aérobie et la respiration anaérobie sont toutes deux des méthodes de production d’énergie. Elles commencent également toutes deux de la même manière, par le processus de la glycolyse. « Glycolyse » signifie littéralement « division du sucre », et consiste à décomposer une molécule de sucre en deux molécules plus petites.

Dans le processus de glycolyse, deux molécules d’ATP sont consommées et quatre sont produites. Il en résulte un gain net de deux molécules d’ATP produites pour chaque molécule de sucre décomposée par la glycolyse. C’est là que s’arrêtent les similitudes entre la respiration aérobie et anaérobie.

Dans les cellules qui ont de l’oxygène et où la respiration aérobie peut se dérouler, une molécule de sucre est décomposée en deux molécules de pyruvate. Dans les cellules qui n’ont pas d’oxygène, la molécule de sucre est décomposée en d’autres formes, comme le lactate.

Différences

Après la glycolyse, les différentes chimies respiratoires peuvent prendre quelques chemins différents :

• Les cellules utilisant la respiration aérobie poursuivent leur chaîne de transfert d’électrons dans un processus très efficace qui finit par donner 38 molécules d’ATP à partir de chaque molécule de sucre.
• Les cellules qui sont privées d’oxygène mais qui n’utilisent pas normalement la respiration anaérobie, comme nos propres cellules musculaires, peuvent laisser traîner les produits finaux de la glycolyse, obtenant seulement deux ATP par molécule de sucre qu’elles fractionnent. C’est une méthode inefficace pour obtenir de l’énergie par la respiration.
• Les cellules qui sont faites pour la respiration anaérobie, comme de nombreux types de bactéries, peuvent continuer la chaîne de transfert d’électrons pour extraire plus d’énergie des produits finaux de la glycolyse.

Après la glycolyse, les cellules qui n’utilisent pas l’oxygène pour la respiration, mais qui procèdent à un train de transport d’électrons peuvent utiliser un accepteur d’électrons différent, comme le sulfate ou le nitrate, pour faire avancer leur réaction.

Ces processus représentent un type de respiration anaérobie appelé « fermentation ». Certains types de réactions de fermentation produisent de l’alcool et du dioxyde de carbone. C’est ainsi que l’on fabrique des boissons alcoolisées et du pain.

La respiration aérobie, en revanche, envoie le pyruvate restant de la glycolyse sur un chemin chimique très différent, dont les étapes sont discutées en détail ci-dessous.

Étapes de la respiration aérobie

Équation globale

L’équation de la respiration aérobie décrit les réactifs et les produits de toutes ses étapes, y compris la glycolyse. Cette équation est :

1 glucose + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

En résumé, 1 molécule de glucose à six carbones et 6 molécules d’oxygène sont converties en 6 molécules de dioxyde de carbone, 6 molécules d’eau et 38 molécules d’ATP. Les réactions de la respiration aérobie peuvent être décomposées en quatre étapes, décrites ci-dessous.

Glycolyse

La glycolyse est la première étape de la respiration aérobie et se produit dans le cytoplasme de la cellule. Elle implique la division d’une molécule de sucre à six carbones en deux molécules de pyruvate à trois carbones. Ce processus crée deux molécules d’ATP.

L’équation globale est la suivante :

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Ce processus réduit le cofacteur NAD+ en NADH. Ceci est important, car plus tard dans le processus de respiration cellulaire, le NADH alimentera la formation de beaucoup plus d’ATP par la chaîne de transport d’électrons de la mitochondrie.

Dans l’étape suivante, le pyruvate est traité pour le transformer en carburant pour le cycle de l’acide citrique, en utilisant le processus de décarboxylation oxydative.

Décarboxylation oxydative du pyruvate

2 (Pyruvate- + Coenzyme A + NAD+ → Acétyl CoA + CO2 + NADH)

La décarboxylation oxydative, parfois appelée réaction de liaison ou réaction de transition, est le lien entre la glycolyse et le cycle de l’acide citrique. Le pyruvate est transféré dans la matrice mitochondriale via une protéine connue sous le nom de pyruvate translocase. Là, le pyruvate est combiné avec le coenzyme A pour libérer une molécule de dioxyde de carbone et former de l’acétyl-CoA.

Cette réaction de transition est importante car l’acétyl-CoA est un carburant idéal pour le cycle de l’acide citrique, qui peut à son tour alimenter le processus de phosphorylation oxydative dans la mitochondrie, qui produit d’énormes quantités d’ATP.

Plus de NADH est également créé dans cette réaction. Cela signifie plus de carburant pour créer plus d’ATP plus tard dans le processus de respiration cellulaire.

Cycle de l’acide citrique

Le cycle de l’acide citrique, également appelé cycle de l’acide tricarboxylique ou cycle de Krebs, est une série de réactions d’oxydoréduction qui commence avec l’Acétyl CoA. Ces réactions ont lieu dans la matrice des mitochondries des cellules eucaryotes. Dans les cellules procaryotes, elles ont lieu dans le cytoplasme. La réaction globale est la suivante :

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

La réaction se produit deux fois pour chaque molécule de glucose, car il y a deux pyruvates et donc deux molécules d’Acétyl CoA générées pour entrer dans le cycle de l’acide citrique.

Les deux NADH et FADH2 – un autre transporteur d’électrons pour la chaîne de transport d’électrons – sont créés. Tous les NADH et FADH2 créés dans les étapes précédentes entrent maintenant en jeu dans le processus de phosphorylation oxydative.

En résumé, pour chaque tour du cycle, deux carbones entrent dans la réaction sous forme d’Acétyl CoA. Ceux-ci produisent deux molécules de dioxyde de carbone. Les réactions génèrent trois molécules de NADH et une molécule de FADH. Une molécule d’ATP est produite.

Phosphorylation oxydative

La phosphorylation oxydative est la principale étape de fourniture d’énergie de la respiration aérobie. Elle utilise les membranes repliées à l’intérieur des mitochondries de la cellule pour produire d’énormes quantités d’ATP.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

Dans ce processus, NADH et FADH2 donnent les électrons qu’ils ont obtenus du glucose au cours des étapes précédentes de la respiration cellulaire à la chaîne de transport d’électrons dans la membrane de la mitochondrie.

La chaîne de transport d’électrons se compose d’un certain nombre de complexes protéiques qui sont intégrés dans la membrane mitochondriale, y compris le complexe I, Q, le complexe III, le cytochrome C et le complexe IV.

Tous ces éléments servent finalement à faire passer les électrons des niveaux d’énergie supérieurs aux niveaux d’énergie inférieurs, en récoltant l’énergie libérée dans le processus. Cette énergie est utilisée pour alimenter les pompes à protons, qui alimentent la formation d’ATP.

Tout comme la pompe sodium-potassium de la membrane cellulaire, les pompes à protons de la membrane mitochondriale sont utilisées pour générer un gradient de concentration qui peut être utilisé pour alimenter d’autres processus.

Les protons qui sont transportés à travers la membrane en utilisant l’énergie récoltée par le NADH et le FADH2 « veulent » passer à travers des protéines de canal de leur zone de forte concentration à leur zone de faible concentration.

Spécifiquement, les protéines de canal sont des synthèses d’ATP, qui sont des enzymes qui fabriquent l’ATP. Lorsque les protons passent par l’ATP synthase, ils entraînent la formation d’ATP.

Ce processus est la raison pour laquelle les mitochondries sont appelées « les centrales électriques de la cellule ». La chaîne de transport d’électrons de la mitochondrie fabrique près de 90 % de tout l’ATP produit par la cellule à partir de la décomposition des aliments.

C’est également l’étape qui nécessite de l’oxygène. Sans molécules d’oxygène pour accepter les électrons appauvris à la fin de la chaîne de transport d’électrons, les électrons reviendraient en arrière et le processus de création d’ATP ne pourrait pas se poursuivre.

Respiration aérobie et perte de poids

La respiration aérobie est le processus par lequel de nombreuses cellules, y compris les nôtres, produisent de l’énergie en utilisant des aliments et de l’oxygène. Elle donne également naissance au dioxyde de carbone, dont notre corps doit ensuite se débarrasser.

La respiration aérobie est la raison pour laquelle nous avons besoin à la fois de nourriture et d’oxygène, car les deux sont nécessaires pour produire l’ATP qui permet à nos cellules de fonctionner. Nous inspirons de l’O2 et nous expirons le même nombre de molécules de CO2. D’où vient l’atome de carbone ? Il provient des aliments, tels que le sucre et les graisses, que vous avez mangés.

C’est aussi pourquoi vous respirez plus fort et plus vite lorsque vous effectuez des activités qui brûlent des calories. Votre corps utilise à la fois l’oxygène et le sucre à un rythme plus rapide que la normale et produit plus d’ATP pour alimenter vos cellules, ainsi qu’une plus grande quantité de déchets de CO2.

Bien que nos cellules utilisent normalement l’oxygène pour la respiration, lorsque nous utilisons l’ATP plus rapidement que nous obtenons des molécules d’oxygène à nos cellules, nos cellules peuvent effectuer une respiration anaérobie pour répondre à leurs besoins pendant quelques minutes.

Fait amusant : l’accumulation de lactate provenant de la respiration anaérobie est l’une des raisons pour lesquelles les muscles peuvent être douloureux après un exercice intense !

Fonction de la respiration aérobie

La respiration aérobie fournit de l’énergie pour alimenter tous les processus cellulaires. Les réactions produisent de l’ATP, qui est ensuite utilisé pour alimenter d’autres fonctions indispensables à la vie, notamment la croissance, la réparation et l’entretien. Par exemple, l’ATP alimente l’action de la pompe sodium-potassium, qui nous permet de bouger, de penser et de percevoir le monde qui nous entoure. L’ATP alimente les actions de nombreuses enzymes et les actions d’innombrables autres protéines qui entretiennent la vie !

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Bibliographie

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