Respiration Aérobie

Quelles sont les quatre étapes de la respiration aérobie ?

La respiration aérobie est la principale méthode par laquelle les cellules tirent de l'énergie du glucose et elle est répandue dans la plupart des organismes, y compris les humains. La respiration aérobie comprend quatre étapes distinctes :

1. La glycolyse
2. La réaction de liaison
3. Le cycle de Krebs, également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique
4. La phosphorylation oxydative.

Au cours de ces étapes, le glucose est décomposé en dioxyde de carbone et en eau, libérant ainsi de l'énergie qui est captée dans les molécules d'ATP. Examinons chaque étape en particulier.

La glycolyse dans la respiration aérobie

La glycolyse est la première étape de la respiration aérobie et se produit dans le cytoplasme. Elle consiste à diviser une seule molécule de glucose à 6 carbones en deux molécules de pyruvate à 3 carbones. Au cours de la glycolyse, de l'ATP et du NADH sont également produits. Cette première étape est également partagée avec les processus de respiration anaérobie, car elle ne nécessite pas d'oxygène.

Au cours de la glycolyse, il y a de multiples petites réactions contrôlées par des enzymes, qui se déroulent en quatre étapes :

1. Phosphorylation du glucose - Avant d'être divisé en deux molécules de pyruvate à 3 carbones, le glucose doit être rendu plus réactif. Pour ce faire, on ajoute deux molécules de phosphate, c'est pourquoi cette étape est appelée phosphorylation. Nous obtenons les deux molécules de phosphate en divisant deux molécules d'ATP en deux molécules d'ADP et deux molécules de phosphate inorganique (Pi) (\(2ATP \rightarrow 2 ADP + 2P_i\)). Cela se fait par hydrolyse, ce qui signifie que l'eau est utilisée pour diviser l'ATP. Cela fournit alors l'énergie nécessaire pour activer le glucose, et abaisse l'énergie d'activation pour la réaction suivante contrôlée par l'enzyme.
2. Séparation du glucose phosphorylé - À ce stade, chaque molécule de glucose (avec les deux groupes Pi ajoutés) est divisée en deux. Cela forme deux molécules de triose phosphate, une molécule à 3 carbones.
3. Oxydation du tri ose phosphate - Une fois que ces deux molécules de triose phosphate sont formées, l'hydrogène leur est retiré à toutes les deux. Ces groupes d'hydrogène sont ensuite transférés à une molécule porteuse d'hydrogène, le NAD+. C'est ainsi que se forme le NAD réduit ou NADH.
4. Production d'ATP - Les deux molécules de triose phosphate, nouvellement oxydées, sont ensuite converties en une autre molécule à 3 carbones, le pyruvate. Ce processus régénère également deux molécules d'ATP à partir de deux molécules d'ADP.

Fig. 2. Étapes de la glycolyse. Comme nous l'avons mentionné plus haut, la glycolyse n'est pas une réaction unique mais se déroule plutôt en plusieurs étapes qui se produisent toujours ensemble. Ainsi, pour simplifier le processus de la respiration aérobie et anaérobie, elles sont regroupées sous le terme "glycolyse".

L'équation globale de la glycolyse est la suivante :

\[C_6H_{12}O_6 + 2ADP + 2 P_i + 2NAD^+ \rightarrow 2C_3H_4O_3 + 2ATP + 2 NADH\].

Glucose Pyruvate

La réaction de liaison dans la respiration aérobie

Au cours de la réaction de liaison, les molécules de pyruvate à 3 carbones produites au cours de la glycolyse subissent une série de réactions différentes après avoir été activement transportées dans la matrice mitochondriale. Les réactions suivantes sont :

1. Oxydation - Le pyruvate est oxydé en acétate. Au cours de cette réaction, le pyruvate perd une de ses molécules de dioxyde de carbone et deux hydrogènes. Le NAD prend les hydrogènes restants et le NAD réduit est produit (NADH). La nouvelle molécule à 2 carbones formée à partir du pyruvate est appelée acétate.
2. Production d'acétyl-coenzyme A - L'acétate se combine ensuite avec une molécule appelée coenzyme A, parfois abrégée en CoA. L'acétyl-coenzyme A à 2 carbones est formé.

Globalement, l'équation est la suivante :

\[C_3H_4O_3 + NAD + CoA \rightarrow Acetyl \space CoA + NADH + CO_2\].

Pyruvate Coenzyme A

Le cycle de Krebs dans la respiration aérobie

Le cycle de Krebs est la plus complexe des quatre réactions. Nommé d'après le biochimiste britannique Hans Krebs, il se caractérise par une séquence de réactions d'oxydoréduction qui se produisent dans la matrice mitochondriale. Les réactions peuvent être résumées en trois étapes :

1. L'acétyl coenzyme A à 2 carbones, qui a été produit lors de la réaction de liaison, se combine avec une molécule à 4 carbones. Il en résulte une molécule à 6 atomes de carbone.
2. Cette molécule à 6 carbones perd une molécule de dioxyde de carbone et une molécule d'hydrogène à travers une série de réactions différentes. Cela produit une molécule à 4 carbones et une seule molécule d'ATP. C'est le résultat de la phosphorylation au niveau du substrat.
3. Cette molécule à 4 carbones a été régénérée et peut maintenant se combiner avec un nouvel acétyl coenzyme A à 2 carbones, qui peut recommencer le cycle.

\[2 Acétyl \space CoA + 6NAD^+ + 2 FAD +2ADP+ 2 P_i \rightarrow 4 CO_2 + 6 NADH + 6 H^+ + 2 FADH_2 + 2ATP\].

Ces réactions entraînent également la production d'ATP, de NADH et de _FADH2 en tant que sous-produits.

Fig. 3. Schéma du cycle de Krebs.

Phosphorylation oxydative dans la respiration aérobie

Il s'agit de l' étape finale de la respiration aérobie. Les atomes d'hydrogène libérés au cours du cycle de Krebs, ainsi que les électrons qu'ils possèdent, sont transportés par le ^NAD+ et le FAD (cofacteurs impliqués dans la respiration cellulaire) dans une chaîne de transfert d'électrons. Les étapes suivantes se déroulent :

1. Après l'élimination des atomes d'hydrogène de diverses molécules au cours de la glycolyse et du cycle de Krebs, nous avons beaucoup de coenzymes réduits tels que le NAD et le FAD réduits.
2. Ces coenzymes réduits donnent les électrons que ces atomes d'hydrogène transportent à la première molécule de la chaîne de transfert d'électrons.
3. Ces électrons se déplacent le long de la chaîne de transfert d'électrons à l'aide de molécules porteuses. Une série de réactions redox (oxydation et réduction) se produit, et l'énergie que ces électrons libèrent provoque le flux d'ions H+ à travers la membrane mitochondriale interne et dans l'espace intermembranaire. Cela établit un gradient électrochimique dans lequel les ions H+ circulent d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible.
4. Les ions H+ s'accumulent dans l'espace intermembranaire. Ils se diffusent ensuite dans la matrice mitochondriale par l'intermédiaire de l'enzyme ATP synthase, une protéine canal dont le trou ressemble à un canal dans lequel les protons peuvent s'insérer.
5. Lorsque les électrons atteignent la fin de la chaîne, ils se combinent avec ces ions H+ et l'oxygène, formant ainsi de l'eau. L'oxygène joue le rôle d'accepteur final d'électrons, et l'ADP et le Pi se combinent dans une réaction catalysée par l'ATP synthase pour former l'ATP.

L'équation globale de la respiration aérobie est la suivante :

\[C_6H_{12}O_6 + 6O_2\rightarrow 6H_2O + 6CO_2\].

Glucose Oxygène Eau Dioxyde de carbone

Équation de la respiration aérobie

Comme nous l'avons vu, la respiration aérobie consiste en un grand nombre de réactions consécutives, chacune ayant ses propres facteurs de régulation et ses équations particulières. Cependant, il existe une façon simplifiée de représenter la respiration aérobie. L'équation générale de cette réaction productrice d'énergie est la suivante :

Glucose + oxygène \(\crightarrow\) Dioxyde de carbone + eau + énergie

ou

_C6H12O6 + _6O2 + 38 ADP + 38_Pi \ (\N-rightarrow\N) _6CO2 + _6H2O+ 38 ATP

Où a lieu la respiration aérobie ?

Dans les cellules animales, trois des quatre étapes de la respiration aérobie ont lieu dans les mitochondries. La glycolyse se produit dans le cytoplasme, qui est le liquide qui entoure les organites de la cellule. Laréaction de liaison , lecycle de Krebs et laphosphorylation oxydative ont tous lieu dans les mitochondries.

Comme le montre la figure 4, les caractéristiques structurelles de la mitochondrie permettent d'expliquer son rôle dans la respiration aérobie. Les mitochondries possèdent une membrane interne et une membrane externe. Cette structure à double membrane crée cinq composants distincts à l'intérieur de la mitochondrie, et chacun d'entre eux contribue d'une manière ou d'une autre à la respiration aérobie. Nous décrirons ci-dessous les principales adaptations des mitochondries :

• Lamembrane mitochondriale externe permet l'établissement de l'espace intermembranaire.
• L'espace intermembranaire permet aux mitochondries de retenir les protons qui sont pompés hors de la matrice par la chaîne de transport d'électrons, ce qui est une caractéristique de la phosphorylation oxydative.
• La membrane mitochondriale interne organise la chaîne de transport d'électrons et contient l'ATP synthase qui aide à convertir l'ADP en ATP.
• Les cristae désignent les replis de la membrane interne. La structure repliée des cristae permet d'étendre la surface de la membrane mitochondriale interne, ce qui signifie qu'elle peut produire de l'ATP plus efficacement.
• Lamatrice est le site de la synthèse de l'ATP et c'est également là que se déroule le cycle de Krebs.

Quelles sont les différences entre la respiration aérobie et la respiration anaérobie ?

Bien que la respiration aérobie soit plus efficace que la respiration anaérobie, il est important de pouvoir produire de l'énergie en l'absence d'oxygène. Elle permet aux organismes et aux cellules de survivre dans des conditions sous-optimales ou de s'adapter à des environnements à faible teneur en oxygène.