La respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation sont des méthodes permettant aux cellules vivantes de produire de l'énergie à partir de sources alimentaires. Alors que tous les organismes vivants mènent un ou plusieurs de ces processus, seul un groupe restreint d'organismes est capable de photosynthèse ce qui leur permet de produire de la nourriture à partir du soleil. Cependant, même dans ces organismes, la nourriture produit par photosynthèse est convertie en énergie cellulaire par la respiration cellulaire.
Une caractéristique distinctive de la respiration aérobie par rapport aux voies de fermentation est la condition préalable à l'oxygène et le rendement beaucoup plus élevé d'énergie par molécule de glucose.
Glycolyse
La glycolyse est une voie de départ universelle menée dans le cytoplasme des cellules pour décomposer le glucose en énergie chimique. L'énergie libérée par chaque molécule de glucose est utilisée pour attacher un phosphate à chacune des quatre molécules de l'adénosine diphosphate (ADP) pour produire deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP) et une molécule supplémentaire de NADH.
L'énergie stockée dans la liaison phosphate est utilisée dans d'autres réactions cellulaires et est souvent considérée comme la "monnaie" énergétique de la cellule. Cependant, étant donné que la glycolyse nécessite l'apport d'énergie à partir de deux molécules d'ATP, le rendement net de la glycolyse n'est que de deux molécules d'ATP par molécule de glucose. Le glucose lui-même est décomposé en pyruvate lors de la glycolyse.
Respiration aérobie
La respiration aérobie se produit dans les mitochondries en présence d'oxygène et fournit la majorité de l'énergie aux organismes capables de le faire. Le pyruvate est déplacé dans les mitochondries et converti en acétyl CoA, qui est ensuite combiné avec de l'oxaloacétate pour produire de l'acide citrique dans la première étape de la le cycle de l'acide citrique.
La série suivante reconvertit l'acide citrique en oxaloacétate et produit des molécules porteuses d'énergie ainsi que des voies appelées NADH et FADH.2.
Chaque tour du cycle de Krebs est capable de produire une molécule d'ATP et 17 molécules supplémentaires d'ATP à travers la chaîne de transport d'électrons. Étant donné que la glycolyse produit deux molécules de pyruvate à utiliser dans le cycle de Krebs, le rendement total pour la respiration aérobie est de 36 ATP par molécule de glucose en plus des deux ATP produits pendant glycolyse.
L'accepteur terminal des électrons au cours de la chaîne de transport d'électrons est l'oxygène.
Fermentation
A ne pas confondre avec respiration anaérobie, la fermentation se produit en l'absence d'oxygène dans le cytoplasme des cellules et convertit le pyruvate en un déchet pour produire les molécules porteuses d'énergie nécessaires à la poursuite de la glycolyse. Étant donné que la seule énergie produite pendant la fermentation est la glycolyse, le rendement total par molécule de glucose est de deux ATP.
Alors que la production d'énergie est sensiblement inférieure à celle de la respiration aérobie, la fermentation permet à la conversion du carburant en énergie de se poursuivre en l'absence d'oxygène. Des exemples de fermentation comprennent la fermentation de l'acide lactique chez l'homme et d'autres animaux et fermentation à l'éthanol par la levure. Les déchets sont soit recyclés lorsque l'organisme rentre dans un état aérobie, soit retirés de l'organisme.
Respiration anaérobie
Présente chez certains procaryotes, la respiration anaérobie utilise une chaîne de transport d'électrons autant que respiration aérobie, mais au lieu d'utiliser l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons, d'autres éléments sont utilisé. Ces accepteurs alternatifs comprennent le nitrate, le sulfate, le soufre, le dioxyde de carbone et d'autres molécules.
Ces processus contribuent de manière importante au cycle des nutriments dans les sols et permettent à ces organismes de coloniser des zones inhabitables par d'autres organismes.
Photosynthèse
Contrairement aux différentes voies de respiration cellulaire, la photosynthèse est utilisée par les plantes, les algues et certaines bactéries pour produire la nourriture nécessaire au métabolisme. Chez les plantes, la photosynthèse se produit dans des structures spécialisées appelées chloroplastes, tandis que les bactéries photosynthétiques effectuent généralement la photosynthèse le long des extensions membranaires de la membrane plasmique.
La photosynthèse peut être divisée en deux étapes: la réactions dépendantes de la lumière et le réactions indépendantes de la lumière.
Pendant le réactions dépendantes de la lumière, l'énergie lumineuse est utilisée pour dynamiser les électrons retirés de l'eau et produire un gradient de protons qui à son tour produit des molécules à haute énergie qui alimentent les réactions indépendantes de la lumière. Au fur et à mesure que les électrons sont retirés des molécules d'eau, les molécules d'eau sont décomposées en oxygène et en protons.
Les protons contribuent au gradient de protons mais l'oxygène est libéré. Au cours des réactions indépendantes de la lumière, l'énergie produite lors des réactions lumineuses est utilisée pour produire des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone via un processus appelé le cycle de Calvin.
Le cycle de Calvin produit une molécule de sucre pour six molécules de dioxyde de carbone. Combiné avec les molécules d'eau utilisées dans les réactions dépendantes de la lumière, la formule générale de la photosynthèse est 6 heures2O + 6 CO2 + lumière → C6H12O6 + 6O2.