Contenu
- Résumé chimique de la respiration aérobie
- Les origines ou la respiration aérobie de la terre
- La glycolyse: un point de départ universel
- Le cycle de Krebs
- La chaîne de transport d'électrons
- La photosynthèse et la respiration aérobie chez les plantes
La respiration aérobie, terme souvent utilisé de manière interchangeable avec "respiration cellulaire", est un moyen merveilleusement efficace pour le vivant d'extraire de l'énergie emmagasinée dans les liaisons chimiques des composés carbonés en présence d'oxygène, et de l'utiliser à des fins métaboliques. processus. Les organismes eucaryotes (animaux, plantes et champignons) ont tous recours à la respiration aérobie, principalement grâce à la présence d’organites cellulaires appelées mitochondries. Quelques organismes procaryotes (c’est-à-dire des bactéries) utilisent des voies de respiration aérobie plus rudimentaires, mais en général, lorsque vous voyez «respiration aérobie», vous devriez penser à «organisme eucaryotique multicellulaire».
Mais ce n’est pas tout ce qui devrait vous préoccuper. Ce qui suit vous indique tout ce que vous devez savoir sur les voies chimiques de base de la respiration aérobie, pourquoi il s’agit d’un ensemble de réactions si essentiel et comment tout cela a commencé au cours de l’histoire biologique et géologique.
Résumé chimique de la respiration aérobie
Tout le métabolisme cellulaire des nutriments commence par les molécules de glucose. Ce sucre à six carbones peut provenir d’aliments appartenant aux trois classes de macronutriments (glucides, protéines et lipides), bien que le glucose soit un glucide simple. En présence d'oxygène, le glucose est transformé et dissocié en une vingtaine de réactions pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau, de la chaleur et 36 ou 38 molécules d'adénosine triphosphate (ATP), la molécule la plus utilisée par les cellules vivantes. les choses comme source directe de carburant. La variation de la quantité d'ATP produite par la respiration aérobie reflète le fait que les cellules de plantes pressent parfois 38 ATP d'une molécule de glucose, alors que les cellules animales génèrent 36 ATP par molécule de glucose. Cet ATP provient de la combinaison de molécules de phosphate libre (P) et d'adénosine diphosphate (ADP), la quasi-totalité de celles-ci apparaissant aux derniers stades de la respiration aérobie dans les réactions de la chaîne de transport d'électrons.
La réaction chimique complète décrivant la respiration aérobie est:
C6H12O6 + 36 (ou 38) ADP + 36 (ou 38) P + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 420 kcal + 36 (ou 38) ATP.
Alors que la réaction elle-même semble assez simple sous cette forme, elle dissimule la multitude d'étapes à franchir pour passer du côté gauche de l'équation (les réactifs) à la partie droite (les produits, y compris 420 kilocalories de chaleur libérée). ). Par convention, toute la collection de réactions est divisée en trois parties en fonction de l'endroit où chacune se produit: glycolyse (cytoplasme), cycle de Krebs (matrice mitochondriale) et chaîne de transport d'électrons (membrane mitochondriale interne). Avant d’explorer en détail ces processus, il convient toutefois d’examiner comment la respiration aérobie a commencé sur Terre.
Les origines ou la respiration aérobie de la terre
La respiration aérobie a pour fonction de fournir du carburant pour la réparation, la croissance et l'entretien des cellules et des tissus. C'est une façon un peu formelle de noter que la respiration aérobie maintient les organismes eucaryotes en vie. Vous pourriez passer de nombreux jours sans nourriture et au moins quelques-uns sans eau dans la plupart des cas, mais seulement quelques minutes sans oxygène.
L'oxygène (O) se trouve dans l'air normal sous sa forme diatomique, O2. Cet élément a été découvert, d’une certaine manière, dans les années 1600, quand il est devenu évident pour les scientifiques que l’air contenait un élément essentiel à la survie des animaux, un élément qui pourrait être détruit dans un environnement fermé par la flamme ou, à long terme, par respiration.
L'oxygène constitue environ un cinquième du mélange de gaz que vous respirez. Mais il n'en a pas toujours été ainsi dans les 4,5 milliards d'années de l'histoire de la planète, et l'évolution de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère terrestre au fil du temps a eu des conséquences prévisibles. effets profonds sur l'évolution biologique. Pour la première moitié de la vie actuelle des planètes, il y avait non oxygène dans l'air. Il y a 1,7 milliard d'années, l'atmosphère était constituée de 4% d'oxygène et des organismes unicellulaires étaient apparus. Il y a 0,7 milliard d'années, O2 composé entre 10 et 20% d’air, et de plus grands organismes multicellulaires sont apparus. Il y a 300 millions d'années, la teneur en oxygène était passée à 35% de l'air et, par conséquent, les dinosaures et autres animaux de très grande taille étaient la norme. Plus tard, la part d’air détenue par O2 tombé à 15 pour cent jusqu'à atteindre à nouveau où il est aujourd'hui.
En ne suivant que ce modèle, il est clair qu'il semble extrêmement scientifiquement possible que la fonction ultime de l'oxygène soit de faire grossir les animaux.
La glycolyse: un point de départ universel
Les 10 réactions de glycolyse ne nécessitent pas d'oxygène pour se dérouler et la glycolyse se produit dans une certaine mesure chez tous les êtres vivants, à la fois procaryotes et eucaryotes. Mais la glycolyse est un précurseur nécessaire aux réactions aérobies spécifiques de la respiration cellulaire, et elle est normalement décrite avec celles-ci.
Une fois que le glucose, une molécule à six carbones à structure cyclique hexagonale, pénètre dans le cytoplasme des cellules, il est immédiatement phosphorylé, ce qui signifie qu’il possède un groupe phosphate attaché à l’un de ses carbones. Cela piège efficacement la molécule de glucose à l'intérieur de la cellule en lui donnant une charge négative nette. La molécule est ensuite réarrangée en fructose phosphorylé, sans perte ni gain d'atomes, avant qu'un autre phosphate ne soit ajouté à la molécule. Cela déstabilise la molécule, qui se fragmente ensuite en une paire de composés à trois carbones, chacun d'eux avec son propre phosphate lié. L'une d'entre elles est transformée en une autre, puis, en une série d'étapes, les deux molécules à trois carbones cèdent leurs phosphates à des molécules d'ADP (adénosine diphosphate) pour donner 2 ATP. La molécule de glucose à six carbones originale se compose de deux molécules d'une molécule à trois carbones appelée pyruvate, et deux molécules de NADH (décrites en détail plus tard) sont également générées.
Le cycle de Krebs
Le pyruvate, en présence d'oxygène, pénètre dans la matrice (au milieu) d'organites cellulaires appelées mitochondries et est converti en un composé à deux carbones appelé acétyl coenzyme A (acétyl-CoA). Dans le processus, une molécule de dioxyde de carbone (CO2).Dans le processus, une molécule de NAD+ (un porteur d’électrons de haute énergie) est converti en NADH.
Le cycle de Krebs, également appelé cycle de l'acide citrique ou cycle de l'acide tricarboxylique, est considéré comme un cycle plutôt que comme une réaction, car l'un de ses produits, l'oxaloacétate, une molécule à quatre carbones, revient au début du cycle en se combinant à une molécule d'acétyle CoA. Il en résulte une molécule à six carbones appelée citrate. Cette molécule est manipulée par une série d'enzymes pour former un composé à cinq carbones appelé alpha-cétoglutarate, qui perd alors un autre carbone pour donner du succinate. Chaque fois qu'un carbone est perdu, il se présente sous forme de CO2et parce que ces réactions sont énergétiquement favorables, chaque perte de dioxyde de carbone est accompagnée de la conversion d’un autre NAD.+ à NAD. La formation de succinate crée également une molécule d'ATP.
Le succinate est converti en fumarate, générant une molécule de FADH2 de FAD2+ (un porteur d'électrons semblable au NAD+ en fonction). Ceci est converti en malate, donnant un autre NADH, qui est ensuite transformé en oxaloacétate.
Si vous gardez le score, vous pouvez compter 3 NADH, 1 FADH2 et 1 ATP par tour du cycle de Krebs. Mais gardez à l’esprit que chaque molécule de glucose fournit deux molécules d’acétyl CoA pour l’entrée dans le cycle, le nombre total de ces molécules synthétisées est donc de 6 NADH, 2 FADH.2 et 2 ATP. Le cycle de Krebs ne génère donc pas beaucoup d'énergie directement - seulement 2 ATP par molécule de glucose fournie en amont - et aucun oxygène n'est nécessaire non plus. Mais le NADH et FADH2 sont essentiels à la la phosphorylation oxydative étapes de la prochaine série de réactions, appelées collectivement la chaîne de transport d'électrons.
La chaîne de transport d'électrons
Les différentes molécules de NADH et FADH2 créées au cours des étapes précédentes de la respiration cellulaire sont prêtes à être utilisées dans la chaîne de transport des électrons, qui se produit dans les replis de la membrane mitochondriale interne appelée cristae. En bref, les électrons de haute énergie attachés à NAD+ et DCP2+ sont utilisés pour créer un gradient de proton à travers la membrane. Cela signifie simplement qu'il y a une concentration plus élevée de protons (H+ ions) d’un côté de la membrane plutôt que de l’autre, ce qui incite ces ions à s’écouler des zones à forte concentration de protons aux zones à plus faible concentration de protons. De cette manière, les protons ont un comportement légèrement différent de celui, par exemple, de l’eau qui «veut» se déplacer d’une zone d’altitude supérieure à une zone de concentration plus faible - ici, sous l’effet de la gravité, au lieu du soi-disant gradient chimiosmotique observé dans la nature. chaîne de transport d'électrons.
Comme une turbine dans une centrale hydroélectrique exploitant l'énergie de l'eau courante pour effectuer des travaux ailleurs (dans ce cas, générer de l'électricité), une partie de l'énergie établie par le gradient de proton à travers la membrane est capturée pour attacher des groupes de phosphate libre (P) à l'ADP molécules pour générer de l'ATP, un processus appelé phosphorylation (et dans ce cas, phosphorylation oxydative). En fait, cela se répète dans la chaîne de transport d’électrons, jusqu’à ce que tous les NADH et FADH2 de la glycolyse et du cycle de Krebs - environ 10% du premier et deux du dernier - est utilisé. Cela se traduit par la création d'environ 34 molécules d'ATP par molécule de glucose. Étant donné que la glycolyse et le cycle de Krebs génèrent chacun 2 ATP par molécule de glucose, la quantité totale d'énergie libérée, au moins dans des conditions idéales, est de 34 + 2 + 2 = 38 ATP.
Il existe trois points différents dans la chaîne de transport d'électrons où les protons peuvent traverser la membrane mitochondriale interne pour pénétrer dans l'espace situé entre celle-ci et la membrane mitochondriale externe, et quatre complexes moléculaires distincts (numérotés I, II, III et IV) qui forment le points d'ancrage physiques de la chaîne.
La chaîne de transport des électrons nécessite de l'oxygène car O2 sert d'accepteur final de paires d'électrons dans la chaîne. Si aucun oxygène n'est présent, les réactions dans la chaîne cessent rapidement car le flux d'électrons "en aval" cesse; ils n'ont nulle part où aller. Le cyanure est l'une des substances pouvant paralyser la chaîne de transport d'électrons (CN-). C'est pourquoi vous avez peut-être vu le cyanure utilisé comme un poison mortel dans les séries télévisées sur les homicides ou les films d'espionnage; quand il est administré à des doses suffisantes, la respiration aérobie chez le receveur cesse, et avec elle, la vie elle-même.
La photosynthèse et la respiration aérobie chez les plantes
On suppose souvent que les plantes subissent une photosynthèse pour créer de l'oxygène à partir de dioxyde de carbone, tandis que les animaux utilisent la respiration pour générer du dioxyde de carbone à partir d'oxygène, contribuant ainsi à la préservation d'un équilibre net et complémentaire à l'échelle de l'écosystème. Bien que cela soit vrai en surface, cela est trompeur, car les plantes utilisent à la fois la photosynthèse et la respiration aérobie.
Parce que les plantes ne peuvent pas manger, elles doivent fabriquer leur nourriture plutôt que de la consommer. C’est à cela que sert la photosynthèse, une série de réactions qui se produisent dans les organites qui manquent aux animaux appelés chloroplastes. Alimenté par la lumière du soleil, CO2 l’intérieur de la cellule végétale est assemblé en glucose à l’intérieur des chloroplastes en une série d’étapes qui ressemblent à la chaîne de transport d’électrons des mitochondries. Le glucose est ensuite libéré du chloroplaste; la plupart si cela devient une partie structurelle de la plante, mais certains subissent une glycolyse puis passent par le reste de la respiration aérobie après être entrés dans les mitochondries des cellules végétales.