RESPIRATION AÉROBIE: CARACTÉRISTIQUES, STADES ET ORGANISMES - LA BIOLOGIE - 2025

La respiration aérobie ou aérobie est un processus biologique qui consiste à obtenir l'énergie de molécules organiques - principalement du glucose - par une série de réactions d'oxydation, où l'accepteur d'électrons final est l'oxygène.

Ce processus est présent dans la grande majorité des êtres organiques, en particulier les eucaryotes. Tous les animaux, plantes et champignons respirent de manière aérobie. De plus, certaines bactéries présentent également un métabolisme aérobie.

Chez les eucaryotes, la machinerie de la respiration cellulaire est située dans les mitochondries.

Source: Institut national de recherche sur le génome humain (NHGRI) de Bethesda, MD, États-Unis, via Wikimedia Commons

En général, le processus d'obtention d'énergie à partir de la molécule de glucose est divisé en glycolyse (cette étape est courante dans les voies aérobie et anaérobie), le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons.

Le concept de respiration aérobie s'oppose à la respiration anaérobie. Dans ce dernier, l'accepteur final des électrons est une autre substance inorganique, différente de l'oxygène. C'est typique de certains procaryotes.

Qu'est-ce que l'oxygène?

Avant de discuter du processus de respiration aérobie, il est nécessaire de connaître certains aspects de la molécule d'oxygène.

C'est un élément chimique représenté dans le tableau périodique par la lettre O et le numéro atomique 8. Dans des conditions standard de température et de pression, l'oxygène a tendance à se lier par paires, donnant naissance à la molécule de dioxygène.

Ce gaz, composé de deux atomes d'oxygène, n'a ni couleur, ni odeur, ni goût, et est représenté par la formule O ₂. Dans l'atmosphère, c'est un élément important et nécessaire pour soutenir la plupart des formes de vie sur terre.

Grâce à la nature gazeuse de l'oxygène, la molécule est capable de traverser librement les membranes cellulaires - à la fois la membrane externe qui sépare la cellule de l'environnement extracellulaire et les membranes des compartiments subcellulaires, y compris les mitochondries.

Caractéristiques respiratoires

Les cellules utilisent les molécules que nous ingérons dans notre alimentation comme une sorte de «carburant» respiratoire.

La respiration cellulaire est le processus générateur d'énergie, sous forme de molécules d'ATP, où les molécules à dégrader subissent une oxydation et l'accepteur final des électrons est, dans la plupart des cas, une molécule inorganique.

Une caractéristique essentielle qui permet aux processus de respiration d'avoir lieu est la présence d'une chaîne de transport d'électrons. Dans la respiration aérobie, l'accepteur final des électrons est la molécule d'oxygène.

Dans des conditions normales, ces «carburants» sont des glucides ou des glucides et des graisses ou des lipides. Le corps se trouvant dans des conditions précaires par manque de nourriture, il recourt à l'utilisation de protéines pour tenter de satisfaire ses besoins énergétiques.

Le mot respiration fait partie de notre vocabulaire au quotidien. L'acte de prendre de l'air dans nos poumons, dans des cycles continus d'exhalations et d'inhalations, nous appelons la respiration.

Cependant, dans le contexte formel des sciences de la vie, une telle action est désignée par le terme ventilation. Ainsi, le terme respiration est utilisé pour désigner les processus qui ont lieu au niveau cellulaire.

Processus (étapes)

Les étapes de la respiration aérobie impliquent les étapes nécessaires pour extraire l'énergie des molécules organiques - dans ce cas nous décrirons le cas de la molécule de glucose comme carburant respiratoire - jusqu'à ce qu'elle atteigne l'accepteur d'oxygène.

Cette voie métabolique complexe est divisée en glycolyse, cycle de Krebs et chaîne de transport d'électrons:

Glycolyse

Figure 1: glycolyse vs gluconéogenèse. Réactions et enzymes impliquées.

La première étape de la dégradation du monomère de glucose est la glycolyse, également appelée glycolyse. Cette étape ne nécessite pas directement d'oxygène et elle est présente dans pratiquement tous les êtres vivants.

L'objectif de cette voie métabolique est le clivage du glucose en deux molécules d'acide pyruvique, l'obtention de deux molécules d'énergie nette (ATP) et la réduction de deux molécules de NAD ⁺.

En présence d'oxygène, la voie peut continuer vers le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons. En cas d'absence d'oxygène, les molécules suivraient la voie de fermentation. En d'autres termes, la glycolyse est une voie métabolique courante pour la respiration aérobie et anaérobie.

Avant le cycle de Krebs, une décarboxylation oxydative de l'acide pyruvique doit avoir lieu. Cette étape est médiée par un complexe enzymatique très important, appelé pyruvate déshydrogénase, qui réalise la réaction susmentionnée.

Ainsi, le pyruvate devient un radical acétyle qui est ensuite capturé par la coenzyme A, qui est responsable de son transport vers le cycle de Krebs.

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs, également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique ou cycle de l'acide tricarboxylique, consiste en une série de réactions biochimiques catalysées par des enzymes spécifiques qui cherchent à libérer progressivement l'énergie chimique stockée dans l'acétyl coenzyme A.

C'est une voie qui oxyde complètement la molécule de pyruvate et se produit dans la matrice des mitochondries.

Ce cycle est basé sur une série de réactions d'oxydation et de réduction qui transfèrent l'énergie potentielle sous forme d'électrons à des éléments qui les acceptent, en particulier la molécule NAD ⁺.

Résumé du cycle de Krebs

Chaque molécule d'acide pyruvique se décompose en dioxyde de carbone et en une molécule à deux carbones, connue sous le nom de groupe acétyle. Avec l'union à la coenzyme A (mentionnée dans la section précédente), le complexe acétyl coenzyme A est formé.

Les deux carbones de l'acide pyruvique entrent dans le cycle, se condensent avec l'oxaloacétate et forment une molécule de citrate à six carbones. Ainsi, des réactions d'étape oxydative se produisent. Le citrate redevient oxaloacétate avec une production théorique de 2 moles de dioxyde de carbone, 3 moles de NADH, 1 de FADH ₂ et 1 mole de GTP.

Puisque deux molécules de pyruvate sont formées lors de la glycolyse, une molécule de glucose implique deux révolutions du cycle de Krebs.

Chaîne de transport d'électrons

Une chaîne de transport d'électrons est constituée d'une séquence de protéines qui ont la capacité d'effectuer des réactions d'oxydation et de réduction.

Le passage d'électrons à travers ces complexes protéiques se traduit par une libération progressive d'énergie qui est ensuite utilisée dans la génération d'ATP par la chimiosmotique. Il est important de noter que la dernière réaction en chaîne est de type irréversible.

Dans les organismes eucaryotes, qui ont des compartiments subcellulaires, les éléments de la chaîne de transport sont ancrés à la membrane des mitochondries. Chez les procaryotes, dépourvus de ces compartiments, les éléments de la chaîne sont situés dans la membrane plasmique de la cellule.

Les réactions de cette chaîne conduisent à la formation d'ATP, grâce à l'énergie obtenue par le déplacement de l'hydrogène à travers les transporteurs, jusqu'à ce qu'il atteigne l'accepteur final: l'oxygène, une réaction qui produit de l'eau.

Classes de molécules porteuses

La chaîne est composée de trois variantes de convoyeurs. La première classe sont les flavoprotéines, caractérisées par la présence de flavine. Ce type de transporteur peut effectuer deux types de réactions, à la fois réduction et oxydation, en variante.

Le deuxième type est constitué de cytochromes. Ces protéines ont un groupe hème (comme celui de l'hémoglobine), qui peut présenter différents états d'oxydation.

La dernière classe de transporteur est l'ubiquinone, également connue sous le nom de coenzyme Q. Ces molécules ne sont pas de nature protéique.

Organismes avec respiration aérobie

La plupart des organismes vivants ont une respiration de type aérobie. Il est typique des organismes eucaryotes (êtres avec un vrai noyau dans leurs cellules, délimité par une membrane). Tous les animaux, plantes et champignons respirent de manière aérobie.

Les animaux et les champignons sont des organismes hétérotrophes, ce qui signifie que le «carburant» qui sera utilisé dans la voie métabolique de la respiration doit être activement consommé dans l'alimentation. Contrairement aux plantes, qui ont la capacité de produire leur propre nourriture via la photosynthèse.

Certains genres de procaryotes ont également besoin d'oxygène pour leur respiration. Plus précisément, il existe des bactéries aérobies strictes, c'est-à-dire qu'elles ne poussent que dans des environnements riches en oxygène, tels que les pseudomonas.

D'autres genres de bactéries ont la capacité de changer leur métabolisme d'aérobie à anaérobie en fonction des conditions environnementales, comme les salmonelles. Chez les procaryotes, être aérobie ou anaérobie est une caractéristique importante pour leur classification.

Différences avec la respiration anaérobie

Le processus opposé à la respiration aérobie est le mode anaérobie. La différence la plus évidente entre les deux est l'utilisation de l'oxygène comme accepteur d'électrons final. La respiration anaérobie utilise d'autres molécules inorganiques comme accepteurs.

De plus, dans la respiration anaérobie, le produit final des réactions est une molécule qui a encore le potentiel de continuer à s'oxyder. Par exemple, de l'acide lactique s'est formé dans les muscles pendant la fermentation. En revanche, les produits finaux de la respiration aérobie sont le dioxyde de carbone et l'eau.

Il existe également des différences d'un point de vue énergétique. Dans la voie anaérobie, seules deux molécules d'ATP sont produites (correspondant à la voie glycolytique), tandis que dans la respiration aérobie, le produit final est généralement d'environ 38 molécules d'ATP - ce qui est une différence significative.

Références

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