Le philosophe Bertrand Russell disait: « Tout être vivant est une sorte d'impérialiste, cherchant à transformer autant que possible de son environnement en lui-même. » Métaphores mises à part, la respiration cellulaire est la manière formelle par laquelle les êtres vivants cette. La respiration cellulaire prélève des substances captées dans l'environnement extérieur (sources d'air et de carbone) et les convertit en énergie pour construire plus de cellules et de tissus et pour mener à bien le maintien de la vie Activités. Il génère également des déchets et de l'eau. Cela ne doit pas être confondu avec « respiration » au sens courant du terme, qui signifie généralement la même chose que « respiration ». La respiration est comment les organismes acquièrent de l'oxygène, mais ce n'est pas la même chose que le traitement de l'oxygène, et la respiration ne peut pas fournir le carbone également nécessaire pour respiration; l'alimentation s'en occupe, au moins chez les animaux.
La respiration cellulaire se produit à la fois chez les plantes et les animaux, mais pas chez les procaryotes (p. mitochondries et autres organites et ne peuvent donc pas utiliser l'oxygène, les limitant à la glycolyse en tant qu'énergie la source. Les plantes sont peut-être plus souvent associées à la photosynthèse qu'à la respiration, mais la photosynthèse est le source d'oxygène pour la respiration des cellules végétales ainsi qu'une source d'oxygène qui sort de la plante qui peut être utilisée par animaux. Le sous-produit ultime dans les deux cas est l'ATP, ou adénosine triphosphate, le principal vecteur d'énergie chimique chez les êtres vivants.
L'équation de la respiration cellulaire
La respiration cellulaire, souvent appelée respiration aérobie, est la décomposition complète de la molécule de glucose en présence d'oxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau :
C6H12O6 + 6O2 + 38 ADP +38 P –> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP + 420 Kcal
Cette équation a une composante d'oxydation (C6H12O6 –> 6CO2), essentiellement une élimination d'électrons sous forme d'atomes d'hydrogène. Il a également une composante de réduction, 6O2 –> 6H2O, qui est l'addition d'électrons sous forme d'hydrogène.
Ce que l'équation dans son ensemble se traduit par le fait que l'énergie contenue dans les liaisons chimiques des réactifs est utilisé pour connecter l'adénosine diphosphate (ADP) aux atomes de phosphore libres (P) pour générer l'adénosine triphosphate (ATP).
Le processus dans son ensemble comporte plusieurs étapes: la glycolyse a lieu dans le cytoplasme, suivie par le Krebs cycle et la chaîne de transport d'électrons dans la matrice mitochondriale et sur la membrane mitochondriale respectivement.
Le processus de la glycolyse
La première étape de la dégradation du glucose chez les plantes et les animaux est une série de 10 réactions appelées glycolyse. Le glucose pénètre dans les cellules animales de l'extérieur, via les aliments qui sont décomposés en molécules de glucose qui circulent dans le sang et sont absorbés par les tissus où l'énergie est la plus nécessaire (y compris la cerveau). Les plantes, en revanche, synthétisent du glucose en absorbant le dioxyde de carbone de l'extérieur et en utilisant la photosynthèse pour convertir le CO2 au glucose. À ce stade, quelle que soit la façon dont elle y est arrivée, chaque molécule de glucose est engagée dans le même destin.
Au début de la glycolyse, la molécule de glucose à six carbones est phosphorylée pour la piéger à l'intérieur de la cellule; les phosphates sont chargés négativement et ne peuvent donc pas dériver à travers la membrane cellulaire comme le peuvent parfois les molécules non polaires et non chargées. Une deuxième molécule de phosphate est ajoutée, ce qui rend la molécule instable, et elle est bientôt clivée en deux composés à trois carbones non identiques. Ceux-ci prennent bientôt la forme chimique et se réarrangent en une série d'étapes pour finalement produire deux molécules de pyruvate. En chemin, deux molécules d'ATP sont consommées (elles fournissent les deux phosphates ajoutés au glucose très tôt) et quatre sont produits, deux par chaque processus à trois carbones, pour donner un réseau de deux molécules d'ATP par molécule de glucose.
Chez les bactéries, la glycolyse à elle seule suffit aux besoins énergétiques de la cellule – et donc de l'organisme tout entier. Mais chez les plantes et les animaux, ce n'est pas le cas, et avec le pyruvate, le destin ultime du glucose a à peine commencé. Il convient de noter que la glycolyse elle-même ne nécessite pas d'oxygène, mais l'oxygène est généralement inclus dans discussions sur la respiration aérobie et donc la respiration cellulaire car elle est nécessaire pour synthétiser pyruvate.
Mitochondries vs. Chloroplastes
Une idée fausse commune parmi les passionnés de biologie est que les chloroplastes remplissent la même fonction chez les plantes que les mitochondries chez les animaux, et que chaque type d'organisme n'a que l'un ou l'autre. Ce n'est pas le cas. Les plantes ont à la fois des chloroplastes et des mitochondries, alors que les animaux n'ont que des mitochondries. Les plantes utilisent des chloroplastes comme générateurs - elles utilisent une petite source de carbone (CO2) pour en construire un plus grand (glucose). Les cellules animales obtiennent leur glucose en décomposant des macromolécules telles que les glucides, les protéines et les graisses, et n'ont donc pas besoin de créer du glucose de l'intérieur. Cela peut sembler étrange et inefficace dans le cas des plantes, mais les plantes ont développé une caractéristique que les animaux n'ont pas: la capacité d'exploiter la lumière du soleil pour une utilisation directe dans les fonctions métaboliques. Cela permet aux plantes de faire littéralement leur propre nourriture.
On pense que les mitochondries étaient une sorte de bactérie autonome il y a plusieurs centaines de millions d'années, une théorie soutenue par leur ressemblance structurelle remarquable avec les bactéries ainsi que leur machinerie métabolique et la présence de leur propre ADN et organites appelés ribosomes. Les eucaryotes sont apparus il y a plus d'un milliard d'années lorsqu'une cellule a réussi à en engloutir une autre (hypothèse des endosymbiotes), conduisant à un arrangement qui était très bénéfique pour l'engouffrant dans cet arrangement en raison de l'expansion de la production d'énergie capacités. Les mitochondries sont constituées d'une double membrane plasmique, comme les cellules elles-mêmes; la membrane interne comprend des plis appelés crêtes. La partie interne des mitochondries est connue sous le nom de matrice et est analogue au cytoplasme des cellules entières.
Les chloroplastes, comme les mitochondries, ont des membranes externes et internes et leur propre ADN. À l'intérieur de l'espace délimité par une membrane interne se trouve un assortiment de poches membraneuses interconnectées, stratifiées et remplies de liquide appelées thylakoïdes. Chaque "pile" de thylakoïdes forme un granum (pluriel: grana). Le fluide contenu dans la membrane interne qui entoure le grana est appelé stroma.
Les chloroplastes contiennent un pigment appelé chlorophylle qui donne aux plantes leur coloration verte et sert de collecteur de lumière solaire pour la photosynthèse. L'équation de la photosynthèse est exactement l'inverse de celle de la respiration cellulaire, mais les étapes individuelles pour le dioxyde de carbone en glucose ne ressemble en rien aux réactions inverses de la chaîne de transport d'électrons, du cycle de Krebs et glycolyse.
Le cycle de Krebs
Dans ce processus, également appelé cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) ou cycle de l'acide citrique, les molécules de pyruvate sont d'abord converties en molécules à deux carbones appelées acétyl coenzyme A (acétyl CoA). Cela libère une molécule de CO2. Les molécules d'acétyl CoA pénètrent ensuite dans la matrice mitochondriale, où chacune d'elles se combine avec une molécule d'oxaloacétate à quatre carbones pour former de l'acide citrique. Ainsi, si vous faites une comptabilité minutieuse, une molécule de glucose donne deux molécules d'acide citrique au début du cycle de Krebs.
L'acide citrique, une molécule à six carbones, est réarrangé en isocitrate, puis un atome de carbone est éliminé pour former du cétoglutarate, avec un CO2 sortie du cycle. Le kétoglutarate à son tour est dépouillé d'un autre atome de carbone, générant un autre CO2 et succinate et formant également une molécule d'ATP. De là, la molécule de succinate à quatre carbones est transformée séquentiellement en fumarate, malate et oxaloacétate. Ces réactions voient les ions hydrogène retirés de ces molécules et collés sur les porteurs d'électrons à haute énergie NAD+ et FAD+ pour former NADH et FADH2 respectivement, qui est essentiellement une "création" d'énergie déguisée, comme vous le verrez bientôt. A la fin du cycle de Krebs, la molécule de glucose originelle a donné naissance à 10 NADH et deux FADH2 molécules.
Les réactions du cycle de Krebs ne produisent que deux molécules d'ATP par molécule de glucose d'origine, une pour chaque "tour" du cycle. Cela signifie qu'en plus des deux ATP produits dans la glycolyse, après le cycle de Krebs, le résultat est un total de quatre ATP. Mais les vrais résultats de la respiration aérobie ne se sont pas encore révélés à ce stade.
La chaîne de transport d'électrons
La chaîne de transport d'électrons, qui se produit sur les crêtes de la membrane mitochondriale interne, est la première étape de la respiration cellulaire qui repose explicitement sur l'oxygène. La NADH et la FADH2 produites dans le cycle de Krebs sont maintenant prêtes à contribuer à la libération d'énergie de manière majeure.
La façon dont cela se produit est que les ions hydrogène stockés sur ces molécules porteuses d'électrons (un ion hydrogène peut, par fins actuelles, être considéré comme une paire d'électrons en termes de sa contribution à cette partie de la respiration) sont utilisés pour créer un gradient chimiosmotique. Vous avez peut-être entendu parler d'un gradient de concentration, dans lequel les molécules s'écoulent des régions de concentration plus élevée vers zones de concentration plus faible, comme un cube de sucre se dissolvant dans l'eau et les particules de sucre se dispersent tout au long de. Dans un gradient chimiosmotique, cependant, les électrons de NADH et FADH2 finissent par être transmises par des protéines intégrées dans la membrane et servant de systèmes de transfert d'électrons. L'énergie libérée dans ce processus est utilisée pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane et créer un gradient de concentration à travers elle. Cela conduit à un flux net d'atomes d'hydrogène dans une direction, et ce flux est utilisé pour alimenter une enzyme appelée ATP synthase, qui fabrique l'ATP à partir d'ADP et de P. Pensez à la chaîne de transport d'électrons comme quelque chose qui met un grand poids d'eau derrière une roue hydraulique, dont la rotation ultérieure est utilisée pour construire des choses.
Ceci, non par hasard, est le même processus utilisé dans les chloroplastes pour alimenter la synthèse du glucose. La source d'énergie pour créer un gradient à travers la membrane chloroplastique n'est dans ce cas pas NADH et FADH2, mais la lumière du soleil. Le flux ultérieur d'ions hydrogène dans le sens d'une concentration plus faible en ions H+ est utilisé pour alimenter la synthèse de molécules de carbone plus grosses à partir de plus petites, en commençant par CO.2 et se terminant par C6H12O6.
L'énergie qui découle du gradient chimiosmotique est utilisée pour alimenter non seulement la production d'ATP, mais également d'autres processus cellulaires vitaux, tels que la synthèse des protéines. Si la chaîne de transport d'électrons est interrompue (comme dans le cas d'une privation prolongée d'oxygène), ce gradient de protons ne peut pas être maintenu et la production d'énergie cellulaire s'arrête, tout comme une roue hydraulique cesse de couler lorsque l'eau qui l'entoure n'a plus de débit de pression pente.
Parce qu'il a été démontré expérimentalement que chaque molécule de NADH produit environ trois molécules d'ATP et chaque FADH2 produit deux molécules d'ATP, l'énergie totale libérée par la réaction en chaîne de transport d'électrons est (en se référant à la section précédente) 10 fois 3 (pour NADH) plus 2 fois 2 (pour FADH2) pour un total de 34 ATP. Ajoutez ceci au 2 ATP de la glycolyse et au 2 du cycle de Krebs, et c'est de là que vient le chiffre 38 ATP dans l'équation de la respiration aérobie.