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La respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation sont des méthodes permettant aux cellules vivantes de produire de l'énergie à partir de sources alimentaires. Bien que tous les organismes vivants effectuent un ou plusieurs de ces processus, seul un groupe sélectionné d’organismes est capable de photosynthèse ce qui leur permet de produire des aliments à partir du soleil. Cependant, même dans ces organismes, la nourriture produite par la photosynthèse est convertie en énergie cellulaire par la respiration cellulaire.
Une caractéristique distinctive de la respiration aérobie par rapport aux voies de fermentation est la condition préalable pour l'oxygène et le rendement énergétique beaucoup plus élevé par molécule de glucose.
Glycolyse
La glycolyse est une voie de début universelle réalisée dans le cytoplasme des cellules pour décomposer le glucose en énergie chimique. L'énergie libérée par chaque molécule de glucose est utilisée pour attacher un phosphate à chacune des quatre molécules d'adénosine diphosphate (ADP) afin de produire deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP) et une molécule supplémentaire de NADH.
L'énergie stockée dans la liaison phosphate est utilisée dans d'autres réactions cellulaires et est souvent considérée comme la "devise" énergétique de la cellule. Cependant, comme la glycolyse nécessite l’apport d’énergie de deux molécules d’ATP, le rendement net de la glycolyse n’est que de deux molécules d’ATP par molécule de glucose. Le glucose lui-même est décomposé en pyruvate au cours de la glycolyse.
Respiration aérobie
La respiration aérobie se produit dans les mitochondries en présence d'oxygène et fournit la majeure partie de l'énergie nécessaire aux organismes capables du processus. Le pyruvate est transféré dans les mitochondries et converti en acétyl-CoA, qui est ensuite combiné à l'oxaloacétate pour produire de l'acide citrique au cours de la première étape du cycle de l'acide citrique.
La série suivante reconvertit l'acide citrique en oxaloacétate et produit des molécules transportant de l'énergie, ainsi que des méthodes appelées NADH et FADH.2.
Chaque tour du cycle de Krebs est capable de produire une molécule d'ATP et 17 molécules supplémentaires d'ATP par la chaîne de transport d'électrons. Étant donné que la glycolyse donne deux molécules de pyruvate à utiliser dans le cycle de Krebs, le rendement total pour la respiration aérobie est de 36 ATP par molécule de glucose, en plus des deux ATP produits au cours de la glycolyse.
L'accepteur terminal pour les électrons pendant la chaîne de transport d'électrons est l'oxygène.
Fermentation
À ne pas confondre avec la respiration anaérobie, la fermentation s'effectue en l'absence d'oxygène dans le cytoplasme des cellules et transforme le pyruvate en déchet pour produire les molécules transportant l'énergie nécessaires à la poursuite de la glycolyse. La glycolyse ne produisant que deux ATP par molécule de glucose.
Bien que la production d'énergie soit sensiblement inférieure à la respiration aérobie, la fermentation permet de poursuivre la conversion du carburant en énergie en l'absence d'oxygène. Des exemples de fermentation comprennent la fermentation d'acide lactique chez l'homme et d'autres animaux et la fermentation à l'éthanol par la levure. Les déchets sont soit recyclés lorsque l'organisme retourne à l'état aérobie, soit retirés de l'organisme.
Respiration anaérobie
Présent dans certains procaryotes, la respiration anaérobie utilise une chaîne de transport d'électrons similaire à la respiration aérobie, mais au lieu d'utiliser de l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons, d'autres éléments sont utilisés. Ces accepteurs alternatifs comprennent les nitrates, les sulfates, le soufre, le dioxyde de carbone et d'autres molécules.
Ces processus contribuent de manière importante au cycle des nutriments dans les sols et permettent également à ces organismes de coloniser des zones inhabitables par d’autres organismes.
Photosynthèse
Contrairement aux différentes voies de respiration cellulaire, la photosynthèse est utilisée par les plantes, les algues et certaines bactéries pour produire les aliments nécessaires au métabolisme. Chez les plantes, la photosynthèse se produit dans des structures spécialisées appelées chloroplastes, tandis que les bactéries photosynthétiques procèdent généralement à la photosynthèse le long des extensions membraneuses de la membrane plasmique.
La photosynthèse peut être divisée en deux étapes: la réactions dépendant de la lumière et le réactions indépendantes de la lumière.
Au cours des réactions dépendantes de la lumière, l’énergie lumineuse est utilisée pour activer les électrons retirés de l’eau et produire une gradient de proton cela produit à son tour des molécules de haute énergie qui alimentent les réactions indépendantes de la lumière. Au fur et à mesure que les électrons sont retirés des molécules d'eau, celles-ci se décomposent en oxygène et en protons.
Les protons contribuent au gradient de protons mais l'oxygène est libéré. Au cours des réactions indépendantes de la lumière, l’énergie produite pendant les réactions de la lumière est utilisée pour produire des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone selon un processus appelé cycle de Calvin.
Le cycle Calvin produit une molécule de sucre pour six molécules de dioxyde de carbone. Combinée aux molécules d’eau utilisées dans les réactions dépendant de la lumière, la formule générale de la photosynthèse est la suivante: 6 h2O + 6 CO2 + lumière → C6H12O6 + 6 O2.