RESPIRATION CELLULAIRE: PROCESSUS, TYPES ET FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

La respiration cellulaire est un processus qui génère de l'énergie sous forme d'ATP (adénosine triphosphate). Plus tard, cette énergie est dirigée vers d'autres processus cellulaires. Lors de ce phénomène, les molécules subissent une oxydation et l'accepteur final des électrons est, dans la plupart des cas, une molécule inorganique.

La nature de l'accepteur d'électrons final dépend du type de respiration de l'organisme étudié. Dans les aérobies - comme Homo sapiens - l'accepteur d'électrons final est l'oxygène. En revanche, pour les respirateurs anaérobies, l'oxygène peut être toxique. Dans ce dernier cas, l'accepteur final est une molécule inorganique autre que l'oxygène.

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La respiration aérobie a été largement étudiée par les biochimistes et se compose de deux étapes: le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons.

Chez les organismes eucaryotes, toutes les machines nécessaires à la respiration se trouvent dans les mitochondries, à la fois dans la matrice mitochondriale et dans le système membranaire de cet organite.

La machinerie se compose d'enzymes qui catalysent les réactions du processus. La lignée procaryote est caractérisée par l'absence d'organites; Pour cette raison, la respiration se produit dans des régions spécifiques de la membrane plasmique qui simulent un environnement très similaire à celui des mitochondries.

Terminologie

Dans le domaine de la physiologie, le terme «respiration» a deux définitions: la respiration pulmonaire et la respiration cellulaire. Lorsque nous utilisons le mot souffle dans la vie de tous les jours, nous nous référons au premier type.

La respiration pulmonaire comprend l'action d'inspirer et d'expirer, ce processus se traduit par l'échange de gaz: oxygène et dioxyde de carbone. Le terme correct pour ce phénomène est «ventilation».

En revanche, la respiration cellulaire se produit - comme son nom l'indique - à l'intérieur des cellules et est le processus chargé de générer de l'énergie à travers une chaîne de transport d'électrons. Ce dernier processus est celui qui sera abordé dans cet article.

Où se produit la respiration cellulaire?

Localisation de la respiration chez les eucaryotes

Mitochondries

La respiration cellulaire a lieu dans un organite complexe appelé les mitochondries. Structurellement, les mitochondries mesurent 1,5 microns de large et 2 à 8 microns de long. Ils se caractérisent par leur propre matériel génétique et par la division par fission binaire - caractéristiques résiduelles de leur origine endosymbiotique.

Ils ont deux membranes, une lisse et une interne avec des plis qui forment les crêtes. Plus les mitochondries sont actives, plus elles ont de crêtes.

L'intérieur de la mitochondrie est appelé la matrice mitochondriale. Dans ce compartiment se trouvent les enzymes, les coenzymes, l'eau et les phosphates nécessaires aux réactions respiratoires.

La membrane externe permet le passage de la plupart des petites molécules. Cependant, c'est la membrane interne qui restreint en fait le passage à travers des transporteurs très spécifiques. La perméabilité de cette structure joue un rôle fondamental dans la production d'ATP.

Nombre de mitochondries

Les enzymes et autres composants nécessaires à la respiration cellulaire se trouvent ancrés dans les membranes et libres dans la matrice mitochondriale.

Par conséquent, les cellules qui nécessitent une plus grande quantité d'énergie se caractérisent par un nombre élevé de mitochondries, contrairement aux cellules dont les besoins en énergie sont plus faibles.

Par exemple, les cellules hépatiques ont en moyenne 2500 mitochondries, tandis qu'une cellule musculaire (très métaboliquement active) en contient un nombre beaucoup plus élevé et que les mitochondries de ce type cellulaire sont plus grandes.

De plus, ceux-ci sont situés dans des régions spécifiques où de l'énergie est nécessaire, par exemple autour du flagelle du sperme.

Localisation de la respiration procaryote

Logiquement, les organismes procaryotes ont besoin de respirer et ils n'ont pas de mitochondries - ni d'organites complexes caractéristiques des eucaryotes. Pour cette raison, le processus respiratoire se déroule dans de petites invaginations de la membrane plasmique, de manière analogue à la façon dont il se produit dans les mitochondries.

Les types

Il existe deux types fondamentaux de respiration, selon la molécule qui a agi comme l'accepteur final des électrons. Dans la respiration aérobie, l'accepteur est l'oxygène, tandis que dans l'anaérobie, c'est une molécule inorganique - bien que dans quelques cas spécifiques, l'accepteur soit une molécule organique. Nous décrirons chacun d'eux en détail ci-dessous:

Respiration aérobie

Dans les organismes de respiration aérobie, l'accepteur final des électrons est l'oxygène. Les étapes qui se produisent sont divisées en cycle de Krebs et en chaîne de transport d'électrons.

L'explication détaillée des réactions qui ont lieu dans ces voies biochimiques sera développée dans la section suivante.

Respiration anérobie

L'accepteur final est constitué d'une molécule autre que l'oxygène. La quantité d'ATP générée par la respiration anaérobie dépend de plusieurs facteurs, dont l'organisme à l'étude et la voie utilisée.

Cependant, la production d'énergie est toujours plus élevée dans la respiration aérobie, car le cycle de Krebs ne fonctionne que partiellement et toutes les molécules de transport de la chaîne ne participent pas à la respiration.

Pour cette raison, la croissance et le développement des individus anaérobies sont nettement inférieurs à ceux des individus aérobies.

Exemples d'organismes anaérobies

Dans certains organismes, l'oxygène est toxique et ils sont appelés anaérobies stricts. L'exemple le plus connu est celui de la bactérie responsable du tétanos et du botulisme: Clostridium.

De plus, il existe d'autres organismes qui peuvent alterner entre la respiration aérobie et anaérobie, appelés anaérobies facultatifs. En d'autres termes, ils utilisent l'oxygène quand cela leur convient et en l'absence de celui-ci ils ont recours à la respiration anaérobie. Par exemple, la bactérie bien connue Escherichia coli possède ce métabolisme.

Certaines bactéries peuvent utiliser l'ion nitrate (NO ₃ ^-) comme accepteur d'électrons final, comme les genres Pseudomonas et Bacillus. Ledit ion peut être réduit en ion nitrite, protoxyde d'azote ou azote gazeux.

Dans d'autres cas, l'accepteur final est constitué de l'ion sulfate (SO ₄ ^2-) qui donne naissance au sulfure d'hydrogène et utilise le carbonate pour former du méthane. Le genre de bactérie Desulfovibrio est un exemple de ce type d'accepteur.

Cette réception d'électrons dans les molécules de nitrate et de sulfate est cruciale dans les cycles biogéochimiques de ces composés - azote et soufre.

Processus

La glycolyse est une voie antérieure à la respiration cellulaire. Cela commence par une molécule de glucose et le produit final est le pyruvate, une molécule à trois carbones. La glycolyse a lieu dans le cytoplasme de la cellule. Cette molécule doit pouvoir pénétrer dans les mitochondries pour continuer sa dégradation.

Le pyruvate peut diffuser à travers des gradients de concentration dans l'organite, à travers les pores de la membrane. La destination finale sera la matrice des mitochondries.

Avant d'entrer dans la première étape de la respiration cellulaire, la molécule de pyruvate subit certaines modifications.

Tout d'abord, il réagit avec une molécule appelée coenzyme A. Chaque pyruvate se divise en dioxyde de carbone et en groupe acétyle, qui se lie à la coenzyme A, donnant naissance au complexe acéyl coenzyme A.

Dans cette réaction, deux électrons et un ion hydrogène sont transférés vers NADP ⁺, donnant du NADH et il est catalysé par le complexe enzymatique pyruvate déshydrogénase. La réaction nécessite une série de cofacteurs.

Après cette modification, les deux étapes de la respiration commencent: le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons.

Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est l'une des réactions cycliques les plus importantes en biochimie. Il est également connu dans la littérature sous le nom de cycle de l'acide citrique ou cycle de l'acide tricarboxylique (TCA).

Il porte le nom de son découvreur: le biochimiste allemand Hans Krebs. En 1953, Krebs a reçu le prix Nobel pour cette découverte qui a marqué le domaine de la biochimie.

L'objectif du cycle est la libération progressive de l'énergie contenue dans l'acétyl coenzyme A. Il consiste en une série de réactions d'oxydation et de réduction qui transfèrent l'énergie à différentes molécules, principalement le NAD ⁺.

Pour chaque deux molécules d'acétyl coenzyme A qui entrent dans le cycle, quatre molécules de dioxyde de carbone sont libérées, six molécules de NADH et deux de FADH ₂ sont générées. Le CO ₂ est rejeté dans l'atmosphère en tant que déchet du processus. GTP est également généré.

Comme cette voie participe à la fois aux processus anaboliques (synthèse des molécules) et cataboliques (dégradation des molécules), elle est appelée «amphibolique».

Réactions du cycle de Krebs

Le cycle commence par la fusion d'une molécule d'acétyl coenzyme A avec une molécule d'oxaloacétate. Cette union donne naissance à une molécule à six carbones: le citrate. Ainsi, la coenzyme A est libérée, elle est en fait réutilisée plusieurs fois. S'il y a trop d'ATP dans la cellule, cette étape est inhibée.

La réaction ci-dessus nécessite de l'énergie et l'obtient en rompant la liaison à haute énergie entre le groupe acétyle et la coenzyme A.

Le citrate est converti en aconitate cis, et est converti en isocitrate par l'enzyme aconitase. L'étape suivante est la conversion de l'isocitrate en alpha cétoglutarate par isocitrate déshydrogéné. Cette étape est pertinente car elle conduit à la réduction du NADH et libère du dioxyde de carbone.

L'alpha cétoglutarate est converti en succinyl coenzyme A par l'alpha cétoglutarate déshydrogénase, qui utilise les mêmes cofacteurs que la pyruvate kinase. Le NADH est également généré dans cette étape et, comme étape initiale, est inhibé par un excès d'ATP.

Le produit suivant est le succinate. Dans sa production, la formation de GTP se produit. Le succinate se transforme en fumarate. Cette réaction donne FADH. Le fumarate, à son tour, devient malate et finalement oxaloacétate.

La chaîne de transport d'électrons

Le but de la chaîne de transport d'électrons est de prélever les électrons des composés générés dans les étapes précédentes, tels que le NADH et le FADH ₂, qui sont à un niveau d'énergie élevé, et de les conduire à un niveau d'énergie inférieur.

Cette diminution d'énergie se fait étape par étape, c'est-à-dire qu'elle ne se produit pas brusquement. Il se compose d'une série d'étapes où se produisent des réactions redox.

Les principaux composants de la chaîne sont des complexes formés par des protéines et des enzymes couplées à des cytochromes: les métalloporphyrines de type hème.

Les cytochromes sont assez similaires en termes de structure, bien que chacun ait une particularité qui lui permet de remplir sa fonction spécifique au sein de la chaîne, chantant des électrons à différents niveaux d'énergie.

Le mouvement des électrons à travers la chaîne respiratoire vers des niveaux inférieurs produit la libération d'énergie. Cette énergie peut être utilisée dans les mitochondries pour synthétiser l'ATP, dans un processus connu sous le nom de phosphorylation oxydative.

Couplage chimiosmotique

Pendant longtemps, le mécanisme de formation d'ATP dans la chaîne était une énigme, jusqu'à ce que le biochimiste Peter Mitchell propose un couplage chimiosmotique.

Dans ce phénomène, un gradient de protons est établi à travers la membrane mitochondriale interne. L'énergie contenue dans ce système est libérée et utilisée pour synthétiser l'ATP.

Quantité d'ATP formée

Comme nous l'avons vu, l'ATP ne se forme pas directement dans le cycle de Krebs, mais dans la chaîne de transport d'électrons. Pour chaque deux électrons qui passent du NADH à l'oxygène, la synthèse de trois molécules d'ATP se produit. Cette estimation peut varier quelque peu selon la littérature consultée.

De même, pour deux électrons qui passent de FADH ₂, deux molécules d'ATP sont formées.

Caractéristiques

La fonction principale de la respiration cellulaire est la génération d'énergie sous forme d'ATP pour pouvoir la diriger vers les fonctions de la cellule.

Les animaux et les plantes ont besoin d'extraire l'énergie chimique contenue dans les molécules organiques qu'ils utilisent pour se nourrir. Dans le cas des végétaux, ces molécules sont les sucres que la plante elle-même synthétise avec l'utilisation de l'énergie solaire dans le célèbre processus de photosynthèse.

Les animaux, par contre, ne sont pas capables de synthétiser leur propre nourriture. Ainsi, les hétérotrophes consomment de la nourriture dans l'alimentation - comme nous, par exemple. Le processus d'oxydation est chargé d'extraire l'énergie des aliments.

Il ne faut pas confondre les fonctions de la photosynthèse avec celles de la respiration. Les plantes, comme les animaux, respirent aussi. Les deux processus sont complémentaires et maintiennent la dynamique du monde vivant.

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