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13.2 : Respiration cellulaire aérobie - Biologie


Objectifs d'apprentissage

  • Identifier les réactifs et les produits de la respiration cellulaire aérobie.
  • Expliquez chaque étape de la respiration cellulaire aérobie et où dans la cellule elle se produit.

Non seulement les plantes produisent des sucres par photosynthèse, mais elles décomposent également ces sucres pour générer de l'énergie utilisable sous forme d'ATP par respiration cellulaire aérobie. Le glucose commence sa décomposition en dehors des mitochondries dans une voie métabolique appelée glycolyse. Cependant, la majorité des réactions qui produisent de l'ATP se produisent dans les mitochondries (dans les cellules eucaryotes ; Figure (PageIndex{1})). Au cours de ces réactions, des porteurs d'électrons sont créés et l'oxygène tire les électrons à travers une chaîne de transport d'électrons pour créer de l'ATP, qui alimente l'activité cellulaire. L'oxygène que vous respirez se combine aux électrons pour former de l'eau que vous expirez. Le dioxyde de carbone que vous expirez provient du carbone contenu dans le glucose, que votre corps a métabolisé.

Figure (PageIndex{1}) : les mitochondries sont les usines de conversion d'énergie de la cellule. Une mitochondrie est composée de deux membranes bicouches lipidiques distinctes. Les plis de la membrane interne sont appelés crêtes et l'espace entre les membranes est l'espace intermembranaire. La matrice est au centre. Le long de la membrane interne se trouvent diverses molécules qui travaillent ensemble pour produire de l'ATP, la principale monnaie d'énergie de la cellule. Image (renommée) et légende (modifiée) par OpenStax (CC-BY). Accès gratuit sur openstax.org.

Voici une réaction nette pour la respiration cellulaire :

(ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 ightarrow6CO_2 + 6H_2O + ATP})

glucose + oxygène (ce{ ightarrow}) dioxyde de carbone + eau + énergie

Étape 1 : Glycolyse

Lorsque le glucose est transporté dans le cytoplasme des cellules, il est décomposé en deux molécules de pyruvate (Figure (PageIndex{2})). Ce processus est appelé glycolyse (glyco- pour glucose et -lyse, signifiant se séparer). La glycolyse implique l'action coordonnée de nombreuses enzymes différentes. Lorsque ces enzymes commencent à séparer la molécule de glucose, un apport initial d'énergie est nécessaire. Cette énergie initiale est donnée par des molécules d'ATP.

Figure (PageIndex{2}): Dans la glycolyse, le glucose (représenté par un anneau de six carbones) est converti en fructose-1,6-bisphosphate (étiqueté fructose diphosphate). Cela consomme 2 ATP, libérant 2 ADP. Le fructose-1,6-bisphosphate est divisé en deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate. Chacun est représenté par une chaîne de trois carbones attachés à un phosphate (Pje). Le phosphate est éliminé de chacune des deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate, produisant 2 pyruvates, 2 NADH et 4 ATP. Globalement, la glycolyse consomme 2 ATP, mais elle génère alors 4 ATP et 2 NADH. Image par OpenStax (CC-BY). Accès gratuit sur openstax.org.

Bien que deux molécules d'ATP soient utilisées pour déclencher la glycolyse, quatre autres molécules d'ATP sont produites au cours de la réaction, ce qui entraîne la production nette de deux ATP par molécule de glucose. En plus de l'ATP, deux molécules de nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) sont réduits pour former NADH (Figure (PageIndex{3})). Quand NAD+ est réduit en NADH, deux électrons de haute énergie dérivés de la rupture des liaisons du glucose lui sont ajoutés. L'un de ces électrons chargés négativement est équilibré par la charge positive (+) du NAD+. L'autre est équilibré en ajoutant un proton (H+) à la molécule.

Étape 2 : Oxydation du pyruvate

Si de l'oxygène est présent, la respiration cellulaire aérobie peut se poursuivre. Les deux molécules de pyruvate sont transportées dans la matrice de la mitochondrie. Pendant le transport, chaque pyruvate est converti en une molécule à 2 carbones appelée acétyl-(ce{CoA}). L'autre atome de carbone de chaque molécule de pyruvate sort de la cellule sous forme de (ce{CO2}). Les électrons de cette liaison rompue sont capturés par une autre molécule de NAD+, le réduisant à NADH. Étant donné que deux molécules de pyruvate sont produites à partir de chaque molécule de glucose pendant la glycolyse, deux molécules d'acétyl-CoA sont produites (une à partir de chaque pyruvate) pendant l'oxydation du pyruvate (Figure (PageIndex{4})).

Étape 3 : Le cycle de l'acide citrique (Krebs)

Les deux molécules d'acétyl-(ce{CoA}) entrent dans un cycle qui, tout comme la glycolyse, implique l'action de nombreuses enzymes différentes pour libérer de l'énergie et la transporter dans des molécules porteuses d'énergie, dont 2 ATP, 6 NADH et 2 (ce{FADH2}), un autre porteur d'électrons (Figure (PageIndex{4})). Ce cycle se déroule au sein de la matrice de la mitochondrie.

Figure (PageIndex{4}): Vue combinée de l'oxydation du pyruvate et du cycle de l'acide citrique. Au cours de l'oxydation du pyruvate, le pyurvate/acide pyruvique (trois carbones) est converti en acétyl CoA (deux carbones). Dans ce processus, une molécule de dioxyde de carbone est libérée et une molécule de NAD+ est réduit en NADH. Dans le cycle de l'acide citrique, l'acétyl-CoA se brise en deux molécules de dioxyde de carbone. Ce processus libère 2 NADH, 1 FADH2, et 1 ATP par pyruvate, et le double par glucose. Image par OpenStax (CC-BY). Accès gratuit sur openstax.org.

Étape 4 : Phosphorylation oxydative

Cette étape de la respiration cellulaire comporte deux étapes. Pendant le chaîne de transport d'électrons, nos porteurs d'électrons alimentent une série de pompes à protons qui déplacent les ions (ce{H+}) de la matrice mitochondriale vers l'espace entre les membranes mitochondriales interne et externe. Pendant chimiosmose, une enzyme appelée ATP synthase permet aux protons de retourner dans la matrice mitochondriale, en utilisant le flux physique des protons pour transformer l'ADP en ATP.

La chaîne de transport d'électrons

NADH et (ce{FADH2}) déposent leurs électrons sur un complexe protéique dans le membrane mitochondriale interne. Cela "active" efficacement ce complexe protéique, qui pompe un (ce{H+}) de la matrice mitochondriale vers la espace intermembranaire. Les électrons sont ensuite transmis le long d'une ligne de complexes protéiques, un peu comme un courant électrique, alimentant ces complexes pour chaque pompe a (ce{H+}) de la matrice dans l'espace intermembranaire. Ceci est nommé de manière appropriée la chaîne de transport d'électrons (Figure (PageIndex{5})).

À la fin de la chaîne de transport d'électrons, les électrons de faible énergie doivent être captés pour faire de la place pour plus d'électrons. Un atome d'oxygène capte deux électrons et, pour équilibrer la charge, deux (ce{H+}) de la matrice, formant une molécule d'eau ((ce{H2O})). Dans la respiration cellulaire, l'oxygène est le accepteur terminal d'électrons, car il capte les électrons à la fin (le terminus) de la chaîne de transport d'électrons. Ce travail est si important que, comme vous l'avez vu ci-dessus, si l'oxygène n'est pas présent, cette partie de la respiration cellulaire ne se produira pas.

Chimiosmose

Pourquoi les complexes protéiques pompent-ils (ce{H+}) dans l'espace intermembranaire ? L'espace intermembranaire est relativement petit. Au fur et à mesure que plus de (ce{H+}) sont ajoutés à cette zone, l'espace intermembranaire devient de plus en plus chargé positivement, tandis que la matrice devient de plus en plus chargée négativement. Ceci est similaire à la façon dont une batterie stocke l'énergie - en créant un gradient électrochimique. Les charges positives se repoussent et « préféreraient » être équilibrées des deux côtés de la membrane. Cependant, ils ne peuvent pas traverser directement la membrane. Même s'ils sont petits, les ions (ce{H+}) portent une charge complète, ce qui les rend trop polaires pour traverser les queues non polaires de la bicouche phospholipidique qui compose les membranes mitochondriales.

Une enzyme appelée ATP synthase permet au (ce{H+}) de revenir dans la matrice. Cette enzyme est structurée un peu comme une roue hydraulique ou une turbine - le flux de protons à travers l'enzyme la fait tourner physiquement, convertissant l'énergie potentielle stockée dans le gradient électrochimique en énergie cinétique (mouvement) ! Cette énergie cinétique est utilisée pour forcer un autre groupe phosphate sur l'ADP, reconvertissant l'énergie cinétique en énergie chimique, qui est stockée dans les liaisons de l'ATP.


Respiration cellulaire aérobie : 3 étapes importantes de la respiration aérobie | La biologie

Certaines des étapes importantes de la respiration aérobie sont les suivantes :

(a) Glycolyse (b) Cycle de Krebs (c) Chaîne de transport d'électrons.

La respiration aérobie est le processus par lequel l'énergie du glucose est libérée en présence d'oxygène. Elle n'a lieu que si l'oxygène est disponible.

Par exemple, si le glucose était oxydé, le résultat serait de l'énergie, du dioxyde de carbone et de l'eau. Jetez un oeil à la formule chimique donnée ci-dessous.

En termes simples, glucose + oxygène = dioxyde de carbone + eau + énergie (ATP)

En bref, la respiration aérobie aide à libérer un maximum d'énergie et élimine également le dioxyde de carbone et l'excès d'eau.

Il y a trois étapes de la respiration aérobie comme indiqué ci-dessous :

(a) Glycolyse :

La glycolyse a lieu dans le cytosol de la cellule où le glucose est partiellement oxydé et se décompose en 3 molécules de carbone privées. Ce processus de glycolyse produit de l'énergie : 2 molécules d'ATP et 2 molécules de NADH (nicotinamide adénine dinucléotide). Chaque molécule de NADH porte 2 électrons énergétiques. Les cellules utilisent plus tard ces électrons.

(b) Cycle de Krebs :

C'est la prochaine étape de la respiration cellulaire aérobie. Dans le cycle de Krebs, les molécules privées sont traitées pour libérer l'énergie stockée entre leurs liaisons moléculaires. L'énergie est libérée sous forme d'ATP. Ce cycle est également appelé cycle de l'acide citrique.

(c) Chaîne de transport d'électrons :

C'est la dernière étape de la respiration cellulaire aérobie. L'énergie entière n'a pas été libérée du glucose pendant la glycolyse et le cycle de Krebs. Dans cette étape de la respiration aérobie, l'énergie restante du glucose sera libérée par la chaîne de transport d'électrons. Le réseau d'électrons transportant des protéines vers la membrane interne de la cellule est connu sous le nom de chaîne de transport d'électrons.

Finalement, à ce stade, les électrons ainsi que les protons seront ajoutés à l'oxygène. Lorsque des électrons et des protons sont ajoutés à l'oxygène, il produit de l'eau et non de l'ATP (énergie). En fait, lorsque les protons sont déplacés à travers la membrane cellulaire, de l'ATP est produit. Ce processus est appelé chimiose.


Fermentation

Un moyen important de fabriquer de l'ATP sans oxygène est fermentation. La fermentation commence par la glycolyse, qui ne nécessite pas d'oxygène, mais elle n'implique pas les deux dernières étapes de la respiration cellulaire aérobie (le cycle de Krebs et le transport des électrons). Il existe deux types de fermentation : la fermentation alcoolique et la fermentation lactique. Nous utilisons les deux types de fermentation en utilisant d'autres organismes, mais seule la fermentation lactique a réellement lieu à l'intérieur du corps humain.


Réaction de transition - la première étape du processus de respiration cellulaire aérobie

La réaction de transition, qui se produit dans la matrice de la mitochondrie, est la première étape du processus de respiration cellulaire aérobie.

Si peu ou pas d'oxygène est disponible, le pyruvate dans le cytosol peut être oxydé par l'un des deux processus de fermentation.

Le pyruvate traverse la membrane externe de la mitochondrie puis pénètre dans la matrice.

Une fois dans la matrice, le complexe pyruvate déshydrogénase facilite le processus de décarboxylation oxydative.

NAD + supprime deux électrons, oxydant le pyruvate.

Le dioxyde de carbone est éliminé, laissant un groupe acétyle à deux carbones qui se combine avec la coenzyme A pour former l'acétyl-CoA.

La coenzyme A est un composé qui contient un groupe fonctionnel à base de soufre. Ce groupe fonctionnel à base de soufre électronégatif se lie à un carbone dans le groupe acétyle pour produire l'acétyl-CoA réactif.

Les lipides et les protéines peuvent être décomposés en acétyl-CoA dans la cellule et produire de l'ATP dans la mitochondrie.

Si les niveaux d'ATP sont élevés, l'acétyl-CoA peut être dirigé vers d'autres voies métaboliques, telles que la production d'acides gras nécessaires à la production de lipides.


Respiration cellulaire aérobie

La respiration cellulaire est vitale pour la survie de tous les organismes, car l'énergie provenant des aliments (glucose) ne peut pas être utilisée par une cellule tant qu'elle n'est pas convertie en ATP. Par conséquent, il s'agit d'un cycle continu qui se déroule dans tous les organismes. La respiration aérobie joue un rôle crucial dans la production d'ATP, où le glucose et l'oxygène sont des éléments vitaux. Ce processus n'a lieu que si l'oxygène est disponible. Jetez un œil à la formule chimique donnée ici.

En termes simples – Glucose + Oxygène = Dioxyde de carbone + Eau + Énergie (ATP)


Plus de détails

La chaîne de transport d'électrons (Figure 1a) est la dernière composante de la respiration aérobie et est la seule partie du métabolisme qui utilise réellement l'oxygène atmosphérique. L'oxygène diffuse en continu dans les plantes à cet effet. Chez les animaux, l'oxygène pénètre dans le corps par le système respiratoire. Le transport d'électrons est une série de réactions chimiques qui ressemble à une brigade de seau en ce sens que les électrons sont passés rapidement d'un composant à l'autre, jusqu'au point final de la chaîne où l'oxygène est l'accepteur d'électrons final et où l'eau est produite. Il existe quatre complexes composés de protéines, marqués I à IV dans Figure 1c, et l'agrégation de ces quatre complexes, avec les porteurs d'électrons mobiles et accessoires associés, est appelée le chaîne de transport d'électrons. La chaîne de transport d'électrons est présente en plusieurs exemplaires dans la membrane mitochondriale interne des eucaryotes et dans la membrane plasmique des procaryotes. Lorsque l'électron se déplace dans la chaîne de transport d'électrons, l'énergie qu'il contient est stockée sous forme d'énergie potentielle par la cellule. Plus précisément, l'énergie des électrons est utilisée pour pomper les ions hydrogène (H+) à travers la membrane mitochondriale interne dans l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. Vous pouvez considérer ce gradient comme étant comme de l'eau derrière un barrage - l'énergie potentielle stockée peut être utilisée pour faire tourner une turbine et générer de l'énergie (électricité dans le cas du barrage, ATP dans le cas de la chaîne de transport d'électrons).

Figure 1 (a) La chaîne de transport d'électrons est un ensemble de molécules qui supporte une série de réactions d'oxydoréduction. (b) L'ATP synthase est une machine moléculaire complexe qui utilise un gradient H + pour régénérer l'ATP à partir de l'ADP. (c) La chimiosmose repose sur l'énergie potentielle fournie par le gradient H + à travers la membrane.

Électrons de NADH et FADH2 sont transmis à des complexes protéiques dans la chaîne de transport d'électrons. Lorsqu'ils passent d'un complexe à un autre (il y en a quatre au total), les électrons perdent de l'énergie, et une partie de cette énergie est utilisée pour pomper les ions hydrogène de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Dans le quatrième complexe protéique, les électrons sont acceptés par l'oxygène, l'accepteur terminal. L'oxygène avec ses électrons supplémentaires se combine ensuite avec deux ions hydrogène, améliorant encore le gradient électrochimique, pour former de l'eau. S'il n'y avait pas d'oxygène dans la mitochondrie, les électrons ne pourraient pas être retirés du système et toute la chaîne de transport d'électrons reculerait et s'arrêterait. Les mitochondries seraient incapables de générer un nouvel ATP de cette manière et la cellule mourrait finalement par manque d'énergie. C'est la raison pour laquelle nous devons respirer pour aspirer de l'oxygène neuf.

Les ions hydrogène diffusent à travers la membrane interne à travers une protéine membranaire intégrale appelée ATP synthase (Figure 1b). Cette protéine complexe agit comme un minuscule générateur, transformé par la force des ions hydrogène qui la traversent, le long de leur gradient électrochimique depuis l'espace intermembranaire, où il y a beaucoup d'ions hydrogène qui se repoussent mutuellement vers la matrice, où il y en a peu. La rotation des pièces de cette machine moléculaire régénère l'ATP à partir de l'ADP. Ce flux d'ions hydrogène à travers la membrane à travers l'ATP synthase est appelé chimiosmose.

Chimiosmose (Figure 1c) est utilisé pour générer 90 pour cent de l'ATP produit pendant le catabolisme aérobie du glucose. Le résultat des réactions est la production d'ATP à partir de l'énergie des électrons retirés des atomes d'hydrogène. Ces atomes faisaient à l'origine partie d'une molécule de glucose. À la fin du système de transport d'électrons, les électrons sont utilisés pour réduire une molécule d'oxygène en ions oxygène. Les électrons supplémentaires sur les ions oxygène attirent les ions hydrogène (protons) du milieu environnant et de l'eau se forme. La chaîne de transport d'électrons et la production d'ATP par chimiosmose sont collectivement appelées phosphorylation oxydative.


Le cycle de l'acide citrique consiste en un certain nombre de réactions qui produisent du NADH et du FADH₂, puis elles sont utilisées par la voie de phosphorylation oxydative pour produire de l'ATP qui passe ensuite à travers le système de transport d'électrons. Le cycle de l'acide citrique se produit dans le matrice des mitochondries de la cellule. L'oxydation de l'acide pyruvique s'effectue par une série de réactions. Ces réactions sont produites par un cycle connu sous le nom de cycle de l'acide tricarboxylique. Il est également connu sous le nom de cycle TCA. Le premier produit de ce cycle est l'acide cytrique, c'est pourquoi il est appelé cycle de l'acide citrique ou CAC.

Le biochimiste britannique Sir Hans Adolf Krebs a découvert ce cycle en 1937. En conséquence, il a décerné le prix Nobel en 1953. En conséquence, ce cycle est également connu sous le nom de cycle de Kreb.


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