Respiration cellulaire

Qu'est-ce que la respiration cellulaire ?

Commençons par la définition de la respiration cellulaire.

La respiration cellulaire est un processus catabolique. Le catabolisme est la décomposition de grosses molécules en molécules plus petites, ce qui libère de l'énergie. La série d'étapes cataboliques qui caractérise la respiration cellulaire est appelée voie métabolique. Les voies métaboliques sont une séquence de réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur d'une cellule.

Pour bien comprendre comment les cellules produisent de l'énergie à partir d'une molécule de sucre, nous avons besoin de quelques notions de chimie.

Tout d'abord, l'énergie est définie comme la capacité d'effectuer un travail, ou la capacité d'exercer une force. En biologie, l'énergie se réfère principalement à l'énergie cinétique (mouvement) ou à l'énergie potentielle (stockée). Les cellules ont besoin d'énergie pour effectuer des actions, telles que la contraction, l'expansion, le transport de molécules ou la synthèse de molécules.

Au niveau atomique, la dynamique entre les électrons et l'électronégativité d'un atome sont essentielles pour comprendre comment l'énergie est produite. Un élément très électronégatif, comme l'oxygène, attirera fortement les électrons.

Alors que nous associons souvent la respiration humaine à l'absorption d'oxygène, la respiration cellulaire peut se produire avec ou sans oxygène. La respiration cellulaire ne nécessite qu'une oxydation. La perte d'un électron peut se produire dans une réaction chimique sans la présence d'oxygène.

ATP et NADH

Avant de commencer, il convient de présenter deux molécules importantes. L'adénosine triphosphate, ou ATP (figure 1), est un composant clé de la respiration cellulaire.

La structure de l'ATP se compose d'une adénosine et de trois phosphates. Lorsqu'une liaison phosphate est rompue dans l'ATP pour libérer de l'énergie, elle perd un groupe phosphate. La molécule résultante est appelée adénosine diphosphate, ou ADP.

Fig. 1 - Structure moléculaire de l'adénosine triphosphate (ATP) et de ses groupes fonctionnels.

Un autre composant essentiel de la respiration cellulaire est le nicotinamide adénine dinucléotide, ou NADH. Sa forme oxydée, lorsqu'il lui manque un proton (H+), est le NAD+.

Comme tu le verras, lors de la respiration cellulaire, l'oxydation est fréquente, ce qui génère beaucoup de NADH !

La respiration aérobie

Équation respiration cellulaire

C₆H₁₂O + 6O₂ ⇾ 6CO₂ + 6 H₂O + Énergie

Tu considères probablement la respiration comme un processus simple. Le sucre et l'oxygène produisent de l'énergie, ainsi que du dioxyde de carbone et de l'eau. Cette équation est trompeuse, car il s'agit d'une équation générale. En réalité, la respiration est un peu plus complexe et nécessite une série de phases !

Dans la respiration aérobie, il y a quatre phases, ou voies métaboliques. Voici un aperçu rapide de ces phases. Ne t'inquiète pas si tu rencontres ici de nombreux termes nouveaux. Ils seront expliqués plus en détail dans la suite de ce résumé de cours. Pour l'instant, familiarise-toi avec cette nouvelle terminologie.

1. Glycolyse : la décomposition d'une molécule de glucose en molécules de pyruvate et d'ATP, qui se produit dans le cytoplasme de la cellule.

2. Oxydation du pyruvate : la conversion du pyruvate en acétyl-CoA, qui se produit dans les mitochondries.

3. Cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique) : production de NADH à partir d'acétyl-CoA, toujours dans les mitochondries.

4. Phosphorylation oxydative : la synthèse de l'ATP via la chaîne de transport d'électrons, également située dans les mitochondries.

Glycolyse

La première étape de la respiration aérobie, la glycolyse, décompose une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate et produit quatre molécules d'ATP. Le pyruvate, ou acide pyruvique, est la molécule résultant de la glycolyse. La glycolyse elle-même se déroule en dix étapes, mais pour faciliter la compréhension, nous allons condenser certaines d'entre elles :

• Tout d'abord, deux molécules d'ATP doivent être disponibles. Elles perdent chacune un groupe phosphate qui se lie à une molécule de glucose. C'est ce qu'on appelle la phosphorylation.

• Deuxièmement, la nouvelle molécule de glucose à laquelle a été ajouté un phosphate se divise en deux molécules identiques appelées triose phosphate.

• Troisièmement, un hydrogène (H+) est retiré des deux molécules de triose phosphate et une autre phosphorylation se produit.

• Quatrièmement, les molécules de triose phosphate, auxquelles il manque désormais un hydrogène, sont converties en pyruvate. Quatre molécules d'ATP sont également produites.

Fig. 2 - Schéma bilan de la glycolyse

Décarboxylation oxydative du pyruvate

La deuxième phase de la respiration aérobie, la décarboxylation oxydative du pyruvate, est plus simple (figure 3). Elle se produit dans les mitochondries, qui sont les organites cellulaires responsables de la production d'énergie. Dans cette phase, le pyruvate s'oxyde en perdant un électron.

• Tout d'abord, le pyruvate perd un groupe carboxyle (sous forme de CO₂) et se lie à un groupe hydroxyéthyle, créant ainsi la pyruvate déshydrogénase. Cela libère un électron du groupe hydroxyéthyle.

• Deuxièmement, suite à la perte d'un électron, un groupe acétyle se forme sur la molécule de pyruvate déshydrogénase.

• Troisièmement, la coenzyme A, une enzyme spécialisée dans la décarboxylation oxydative du pyruvate, se lie au groupe acétyle nouvellement formé sur la molécule de pyruvate déshydrogénase. Cela crée une molécule d'acétyl-CoA nécessaire à l'étape suivante.

Fig. 3 - La décarboxylation oxydative du pyruvate se produit en trois étapes : 1) Remplacement du carboxyle par un hydroxyle et perte d'électrons 2) Formation d'un groupe acétyle 3) Liaison du coenzyme A

Cycle de Krebs

La troisième phase de la respiration aérobie est appelée cycle de Krebs ou cycle de l'acide citrique (figure 4). Elle se déroule également dans les mitochondries et peut être résumée en trois étapes. Comme son nom l'indique, cette phase est un cycle, c'est-à-dire qu'elle se déroule continuellement en boucle.

• Tout d'abord, l'acétyl-CoA perd son coenzyme A et se combine avec l'acide oxaloacétique, ou oxaloacétate, pour former du citrate et du NADH.

• Deuxièmement, le citrate se transforme en alpha-cétoglutarate et davantage de NADH est formé.

• Troisièmement, l'alpha-cétoglutarate, à travers une série de cinq étapes, se convertit en acide oxaloacétique, tandis que la synthèse de NADH se poursuit.

• De retour à la première étape, l'acide oxaloacétique se combine à nouveau avec un autre acétyl-CoA, et le cycle recommence.

Il est important de noter que ces étapes sont simplifiées et que le cycle de Krebs comporte plusieurs autres réactions complexes impliquant également la production de FADH₂ et de GTP.

Fig. 4 - Schéma simplifié du cycle de Krebs et ses différentes étapes

Phosphorylation oxydative

La phosphorylation oxydative (figure 5) repose sur deux étapes, la chaîne de transport d'électrons et la chimiosmose, pour former l'ATP.

Tu as peut-être remarqué que les phases précédentes généraient également de l'ATP, ce qui t'amène à te demander pourquoi tu aurais besoin de plus. C'est une bonne observation, mais la quantité d'ATP produite n'est pas suffisante pour alimenter les cellules de manière significative.

La phosphorylation oxydative est la phase qui produit le plus d'ATP. Les molécules de NADH, qui ont été produites dans les phases précédentes, peuvent enfin être utilisées de manière utile.

• Tout d'abord, la chaîne de transport d'électrons a lieu sur la membrane interne de la mitochondrie. Quatre enzymes sont intégrées dans la membrane et permettent aux molécules de NADH de donner leurs protons (H+) à cette séquence d'enzymes. Cette réaction crée un gradient de concentration de protons d'un côté de la membrane.

• Ensuite, une cinquième enzyme, l'ATP synthase, se lie à une molécule d'ADP du côté de la membrane où les protons se sont accumulés. L'énergie du gradient de concentration est utilisée pour produire de l'ATP en grande quantité. Nous sommes enfin arrivés à l'étape finale ! Ne te sens-tu pas rempli d'énergie maintenant ?

Fig. 5 - La phosphorylation oxydative comprend la chaîne de transport d'électrons et la chimiosmose. De gauche à droite, quatre enzymes transportent des protons à travers une membrane et la cinquième enzyme, l'ATP synthase, utilise l'énergie du gradient chimique nouvellement accumulé pour générer de l'ATP.

Respiration anaérobie

Lorsqu'un environnement ne contient pas suffisamment d'oxygène, l'oxydation ne peut se produire. En termes de respiration cellulaire, cela implique que l'étape de phosphorylation oxydative ne peut être réalisée.

Cependant, tu te souviendras peut-être que l'oxydation peut simplement signifier la perte d'un électron. La présence d'oxygène n'est pas obligatoire pour qu'il y ait oxydation ! Les cellules en sont capables. Elles peuvent convertir le sucre en énergie sans oxygène au cours de la respiration anaérobie, ou fermentation.

La respiration anaérobie commence de la même manière que la respiration aérobie, avec la glycolyse qui produit du pyruvate. En l'absence d'oxygène, le pyruvate est fermenté ou converti en un sous-produit et en NAD+. Le NAD+ est ensuite réutilisé au cours de la glycolyse pour produire davantage d'ATP. Il existe deux types de fermentation, nommés d'après leur sous-produit :

• la fermentation alcoolique : fermentation du pyruvate par la levure, qui produit de l'alcool éthylique comme sous-produit. Elle est utilisée pour produire des vins, des bières et des alcools forts ;

• la fermentation lactique : fermentation du pyruvate par des bactéries, qui produit de l'acide lactique comme sous-produit. Elle est utilisée pour fabriquer des fromages et des yaourts.

Schéma de la respiration cellulaire

Voici un schéma bilan de la respiration cellulaire :

Fig. 6 - Schéma de la respiration cellulaire et ses étapes principales.