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La respiration cellulaire

Les cellules eucaryotes respirent : elles produisent de l'énergie sous forme d'ATP à partir du glucose. Cette respiration nécessite de l'oxygène et rejette du dioxyde de carbone, à l'échelle de la cellule. Elle se décompose en glycolyse, cycle de Krebs et chaîne respiratoire, qui se déroulent dans des compartiments cellulaires différents. En conditions anaérobies, certaines cellules sont capables de faire la fermentation, qui ne nécessite pas d'oxygène, mais a un bilan énergétique moins rentable. Il existe plusieurs types de fermentation dont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique.

I

Généralités sur la respiration

La respiration telle qu'on l'entend en biologie est la respiration cellulaire. La plupart des cellules eucaryotes respirent. Les cellules végétales respirent aussi, mais lorsque ces dernières sont éclairées, elles procèdent à la photosynthèse qui masque la respiration cellulaire.

L'équation bilan de la respiration est la suivante :

\(\displaystyle{\ce{C6H12O6}~+~\ce{6O2}~\ce{- \gt }~\ce{6CO2}~+~\ce{6H2O}~+~énergie~\left(=36~ATP\right)}\)

L'élément indispensable à la respiration cellulaire est la mitochondrie.

Respiration

La respiration consiste à oxyder totalement la matière organique en matière minérale, grâce au dioxygène, pour en tirer de l'énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule.

Toutes les cellules de l'être humain respirent.

La respiration, à partir du glucose, produit de l'énergie sous forme d'ATP. Ces molécules d'ATP peuvent être produites :

  • Soit directement, c'est-à-dire lors d'une réaction
  • Soit indirectement par la production d'un transporteur réduit, le RH2. Cette production a lieu lors d'une réaction, puis le RH2 est utilisé dans la chaîne respiratoire afin de former de l'ATP.

La respiration est composée de plusieurs étapes qui se déroulent dans différents compartiments cellulaires :

  • La glycolyse, qui a lieu dans le hyaloplasme (liquide du cytoplasme)
  • Le cycle de Krebs, dans la matrice mitochondriale
  • La chaîne respiratoire mitochondriale, dans la membrane interne des mitochondries

Hyaloplasme

Le hyaloplasme est le liquide dans lequel baignent les organites à l'intérieur de la cellule.

II

La glycolyse

La glycolyse, terme issu du grec glyco (= glucose) et lyse (= dégradation), correspond à la dégradation du glucose. Elle correspond à la première étape de la respiration cellulaire.

Glycolyse

La glycolyse est la réaction de dégradation du glucose dans le hyaloplasme de la cellule. C'est la première étape de la respiration cellulaire, cette étape est indispensable car les mitochondries ne peuvent utiliser directement le glucose.

La glycolyse est constituée de 10 réactions et se produit dans le hyaloplasme. Elle nécessite :

  • 1 glucose (\(\displaystyle{\ce{C6H12O6}}\))
  • 2 ATP
  • 4 ADP et 4 Pi
  • 2 R' (Le composé R' est chimiquement proche du composé R étudié lors de la photosynthèse.)

La glycolyse permet :

  • La dégradation d'un glucose en 2 pyruvates (\(\displaystyle{\ce{CH3-CO-COOH}}\))
  • La réduction de 2 R' en R'H2
  • La formation de 4 ATP. Cependant, la glycolyse nécessite l'utilisation de 2 ATP, son bilan global correspond donc à la formation de 2 ATP.

Le bilan de la glycolyse est :

-

La glycolyse permet d'obtenir 2 ATP et 2 R'H2

III

Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs, ou cycle des acides tricarboxyliques, se déroule dans la matrice mitochondriale. Il correspond à la deuxième étape de la respiration cellulaire.

Mitochondrie

La mitochondrie est un organite intracellulaire des cellules eucaryotes qui mesure 1 µm de longueur et qui possède son propre ADN. Elle est formée d'une membrane externe et d'une membrane interne, séparée par un espace inter-membranaire. La membrane interne possède des plis appelés crêtes mitochondriales, qui possèdent des protéines enzymatiques, les ATP synthase. Ces deux enveloppes limitent un compartiment interne, la matrice, à l'intérieur duquel s'effectue le cycle de Krebs.

-

Structure de la mitochondrie

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est une suite de réactions biochimiques qui se produisent dans la matrice mitochondriale. Elles conduisent à la production des composés R'H2, à partir des H+ libérées par la dégradation totale de l'acide pyruvique. Ces composés R'H2 permettent alors la production de molécules d'ATP par la chaîne respiratoire.

Au cours de la dégradation totale des pyruvates 6 molécules de \(\displaystyle{\ce{CO2}}\) sont aussi formées.

Pour une molécule de glucose initiale, le cycle de Krebs utilise :

  • 2 pyruvates issus de la glycolyse
  • 10 oxydants R'
  • 6 molécules d'eau
  • 2 ADP et 2 Pi
-

Le cycle de Krebs permet d'obtenir 2 ATP et 10R'H2 par la décarboxylation des 2 pyruvates

C'est au cours de ce cycle qu'est produit le \(\displaystyle{\ce{CO2}}\) rejeté par expiration.

Le bilan du cycle de Krebs est :
\(\displaystyle{\ce{2CH3-CO-COOH}~+~\ce{10R'}~+~\ce{6H2O}~+~2ADP~+~\ce{2Pi}~\ce{- \gt }~\ce{6CO2}~+~\ce{10R'H2}~+~2ATP}\)

-

Le cycle de Krebs

IV

La chaîne respiratoire

La chaîne respiratoire, ou chaîne de phosphorylation oxydative, est la troisième étape de la respiration cellulaire.

Chaîne respiratoire

La chaîne respiratoire, dans la membrane interne de la mitochondrie, est un ensemble de réactions qui permettent, à partir des composés R'H2 produits par la glycolyse et le cycle de Krebs, de produire les molécules d'ATP, énergétiques, nécessaires au fonctionnement de la cellule.

La chaîne respiratoire est composée de molécules présentes dans la membrane interne de la mitochondrie. Une première molécule récupère les électrons des atomes d'hydrogène présents dans le R'H2. Ces électrons sont ensuite transférés, de complexe en complexe, jusqu'à leur accepteur final qui est l' \(\displaystyle{\ce{O2}}\) : il y a alors formation d' \(\displaystyle{\ce{H2O}}\). Le transfert des électrons permet le passage des ions H+ dans l'espace intermembranaire, ce qui créé une force proton motrice qui permet, lors de son passage au travers de l'ATP synthase, de reformer de l'ATP à partir d'ADP + Pi.

La chaîne respiratoire nécessite :

  • 12 R'H2 (2 issus de la glycolyse et 10 du cycle de Krebs)
  • 32 ADP et 32 Pi
  • 6 \(\displaystyle{\ce{O2}}\) issus de l'inspiration

Cette chaîne permet, à l'aide de l'ATP synthase, la production de 32 ATP grâce à l'énergie contenue dans les molécules R'H2 produites par les étapes précédentes de la respiration. Les ATP vont permettre de donner l'énergie nécessaire aux réactions chimiques permettant le fonctionnement de la cellule.

-

La chaîne respiratoire permet d'obtenir 32 ATP et 12R'

-

La chaîne respiratoire mitochondriale

V

Bilan énergétique de la respiration

La respiration permet à terme, à partir d'une molécule de glucose, la production de 36 ATP chez les eucaryotes (2 lors de la glycolyse, 2 lors du cycle de Krebs et 32 lors de la chaîne respiratoire). Ces ATP serviront ensuite à fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule.

VI

La fermentation

A

Généralités sur la fermentation

La respiration cellulaire nécessite de l'oxygène. Or certaines espèces ou certaines cellules sont capables de vivre en milieu anaérobie.

Milieu anaérobie

Un milieu anaérobie est un milieu dépourvu d'oxygène. Les organismes ou cellules capables d'y vivre ont un métabolisme anaérobie.

Les organismes anaérobies ou aérobies-anaérobies (capables d'avoir les deux métabolismes) sont responsables de la fermentation en milieux dépourvus d'oxygène.

La fermentation commence par la glycolyse, exactement la même réaction que dans la respiration. Mais les deux pyruvates produits par la glycolyse vont être dégradés partiellement dans une réaction qui ne nécessite pas d'oxygène.

Il existe plusieurs types de fermentations, dont :

  • La fermentation alcoolique
  • La fermentation lactique
B

La fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique, aussi dite éthanolique, réalisée par les levures consiste en :

  • La glycolyse : production de 2 pyruvates, de 2 ATP et de 2 R'H2.
  • La transformation des deux pyruvates en 2 éthanols et 2 CO2 grâce à l'utilisation des composés R'H2 produits par la glycolyse.

La fermentation alcoolique permet ainsi de produire 2 ATP pour un glucose, au lieu de 36 ATP pour la respiration :

\(\displaystyle{\ce{C6H12O6 }~+~2ADP~+~\ce{2Pi}~\ce{- \gt }~\ce{2C2H6O }~+~\ce{2CO2}~+~2ATP}\)

-

La fermentation alcoolique

Ce procédé est notamment utilisé dans la vinification.

C

La fermentation lactique

La fermentation lactique réalisée, par les cellules musculaires ou les bactéries du yaourt, consiste en :

  • La glycolyse : production de 2 pyruvates, de 2 ATP et de 2 R'H2.
  • La transformation des deux pyruvates en 2 lactates grâce aux composés R'H2 produits par la glycolyse.

La fermentation lactique permet ainsi de produire 2 ATP pour un glucose, au lieu de 36 ATP pour la respiration :

\(\displaystyle{\ce{C6H12O6 }~+~2ADP~+~\ce{2Pi}~\ce{- \gt }~\ce{2C3H6O3 }~+~2ATP}\)

-

La fermentation lactique

La fermentation lactique est utilisée par exemple pour la fabrication de la choucroute.

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