Le but de la respiration cellulaire est de convertir le glucose des aliments en énergie.
Les cellules décomposent le glucose dans une série de réactions chimiques complexes et combinent les produits de réaction avec de l'oxygène pour stocker de l'énergie dans l'adénosine triphosphate molécules (ATP). Les molécules d'ATP sont utilisées pour alimenter les activités cellulaires et agissent comme source d'énergie universelle pour les organismes vivants.
Un aperçu rapide
Respiration cellulaire chez l'homme commence dans les systèmes digestif et respiratoire. Les aliments sont digérés dans les intestins et convertis en glucose. L'oxygène est absorbé dans les poumons et stocké dans les globules rouges. Le glucose et l'oxygène pénètrent dans le corps par le système circulatoire pour atteindre les cellules qui ont besoin d'énergie.
Les cellules utilisent le glucose et l'oxygène du système circulatoire pour la production d'énergie. Ils renvoient le déchet, le dioxyde de carbone, aux globules rouges et le dioxyde de carbone est libéré dans l'atmosphère par les poumons.
Alors que les systèmes digestif, respiratoire et circulatoire jouent un rôle majeur dans la respiration humaine, la respiration au niveau cellulaire a lieu à l'intérieur des cellules et dans le mitochondries des cellules. Le processus peut être décomposé en trois étapes distinctes :
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Glycolyse : La cellule sépare la molécule de glucose dans le cytosol cellulaire.
- Cycle de Krebs (ou cycle de l'acide citrique) : Une série de réactions cycliques produit les donneurs d'électrons utilisés dans l'étape suivante et se déroule dans les mitochondries.
- La chaîne de transport d'électrons : La dernière série de réactions qui utilise l'oxygène pour produire des molécules d'ATP a lieu sur la membrane interne des mitochondries.
Dans la réaction globale de respiration cellulaire, chaque molécule de glucose produit 36 ou 38 molécules d'ATP, selon le type de cellule. La respiration cellulaire chez l'homme est un processus continu et nécessite un apport continu d'oxygène. En l'absence d'oxygène, le processus de respiration cellulaire s'arrête à la glycolyse.
L'énergie est stockée dans les liaisons phosphate ATP
Le but de la respiration cellulaire est de produire des molécules d'ATP par le biais de la oxydation de glucose.
Par exemple, la formule de respiration cellulaire pour la production de 36 molécules d'ATP à partir d'une molécule de glucose est C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + énergie (36 molécules d'ATP). Les molécules d'ATP stockent de l'énergie dans leurs trois liaisons du groupe phosphate.
L'énergie produite par la cellule est stockée dans la liaison du troisième groupe phosphate, qui est ajoutée aux molécules d'ATP au cours du processus de respiration cellulaire. Lorsque l'énergie est nécessaire, la troisième liaison phosphate est rompue et utilisée pour les réactions chimiques cellulaires. Un adénosine diphosphate molécule (ADP) avec deux groupes phosphate est laissé.
Pendant la respiration cellulaire, l'énergie du processus d'oxydation est utilisée pour changer la molécule d'ADP en ATP en ajoutant un troisième groupe phosphate. La molécule d'ATP est alors à nouveau prête à rompre cette troisième liaison pour libérer de l'énergie à utiliser par la cellule.
La glycolyse prépare la voie à l'oxydation
Dans la glycolyse, une molécule de glucose à six carbones est divisée en deux parties pour former deux pyruvate molécules dans une série de réactions. Une fois que la molécule de glucose est entrée dans la cellule, ses deux moitiés à trois carbones reçoivent chacune deux groupes phosphate en deux étapes distinctes.
Premièrement, deux molécules d'ATP phosphoryler les deux moitiés de la molécule de glucose en ajoutant un groupe phosphate à chacune. Ensuite, les enzymes ajoutent un groupe phosphate supplémentaire à chacune des moitiés de la molécule de glucose, ce qui donne deux moitiés de molécule à trois carbones, chacune avec deux groupes phosphate.
Dans deux séries de réactions finales et parallèles, les deux moitiés phosphorylées à trois carbones de la molécule de glucose d'origine perdent leurs groupes phosphate pour former les deux molécules de pyruvate. La division finale de la molécule de glucose libère de l'énergie qui est utilisée pour ajouter les groupes phosphate aux molécules d'ADP et former de l'ATP.
Chaque moitié de la molécule de glucose perd ses deux groupes phosphate et produit la molécule de pyruvate et deux molécules d'ATP.
Emplacement
La glycolyse a lieu dans le cytosol cellulaire, mais le reste du processus de respiration cellulaire se déplace dans le mitochondries. La glycolyse ne nécessite pas d'oxygène, mais une fois que le pyruvate s'est déplacé dans les mitochondries, l'oxygène est nécessaire pour toutes les étapes ultérieures.
Les mitochondries sont les usines d'énergie qui laissent entrer l'oxygène et le pyruvate à travers leur membrane externe et laissez ensuite les produits de réaction dioxyde de carbone et ATP retourner dans la cellule et continuer dans le système circulatoire système.
Le cycle de l'acide citrique de Krebs produit des donneurs d'électrons
le le cycle de l'acide citrique est une série de réactions chimiques circulaires qui génère du NADH et du FADH2 molécules. Ces deux composés entrent dans l'étape suivante de la respiration cellulaire, la chaîne de transport d'électrons, et faire don des électrons initiaux utilisés dans la chaîne. Le NAD résultant+ et les composés FAD sont renvoyés dans le cycle de l'acide citrique pour être ramenés à leur NADH et FADH d'origine2 formes et recyclées.
Lorsque les molécules de pyruvate à trois carbones pénètrent dans les mitochondries, elles perdent une de leurs molécules de carbone pour former du dioxyde de carbone et un composé à deux carbones. Ce produit de réaction est ensuite oxydé et joint à coenzyme A former deux acétyl-CoA molécules. Au cours du cycle de l'acide citrique, les composés carbonés sont liés à un composé à quatre carbones pour produire un citrate à six carbones.
Dans une série de réactions, le citrate libère deux atomes de carbone sous forme de dioxyde de carbone et produit 3 NADH, 1 ATP et 1 FADH2 molécules. À la fin du processus, le cycle reconstitue le composé à quatre carbones d'origine et recommence. Les réactions ont lieu à l'intérieur des mitochondries, et le NADH et le FADH2 les molécules participent alors à la chaîne de transport d'électrons sur la membrane interne des mitochondries.
La chaîne de transport d'électrons produit la plupart des molécules d'ATP
La chaîne de transport d'électrons est composée de quatre complexes protéiques situé sur la membrane interne des mitochondries. NADH donne des électrons au premier complexe protéique tandis que FADH2 donne ses électrons au deuxième complexe protéique. Les complexes protéiques transmettent les électrons le long de la chaîne de transport dans une série de réduction-oxydation ou redox réactions.
L'énergie est libérée à chaque étape d'oxydoréduction et chaque complexe protéique l'utilise pour pomper protons à travers la membrane mitochondriale dans l'espace inter-membranaire entre les membranes interne et externe. Les électrons passent au quatrième et dernier complexe protéique où les molécules d'oxygène agissent comme les accepteurs d'électrons finaux. Deux atomes d'hydrogène se combinent avec un atome d'oxygène pour former des molécules d'eau.
À mesure que la concentration de protons à l'extérieur de la membrane interne augmente, une gradient d'énergie est établie, tendant à attirer les protons à travers la membrane vers le côté qui a la concentration en protons la plus faible. Une enzyme de la membrane interne appelée ATP synthase offre aux protons un retour à travers la membrane interne.
Lorsque les protons traversent l'ATP synthase, l'enzyme utilise l'énergie protonique pour transformer l'ADP en ATP, stockant l'énergie protonique de la chaîne de transport d'électrons dans les molécules d'ATP.
La respiration cellulaire chez l'homme est un concept simple avec des processus complexes
Les processus biologiques et chimiques complexes qui composent la respiration au niveau cellulaire impliquent des enzymes, des pompes à protons et des protéines qui interagissent au niveau moléculaire de manière très compliquée. Alors que les apports de glucose et d'oxygène sont des substances simples, les enzymes et les protéines ne le sont pas.
Un aperçu de glycolyse, le cycle de Krebs ou de l'acide citrique et la chaîne de transfert d'électrons aident à démontrer comment la respiration cellulaire fonctionne à un niveau basique, mais le fonctionnement réel de ces étapes est beaucoup plus complexe.
Décrire le processus de la respiration cellulaire est plus simple sur le plan conceptuel. Le corps absorbe les nutriments et l'oxygène et distribue le glucose dans les aliments et l'oxygène aux cellules individuelles selon les besoins. Les cellules oxydent les molécules de glucose pour produire de l'énergie chimique, du dioxyde de carbone et de l'eau.
L'énergie est utilisée pour ajouter un troisième groupe phosphate à une molécule d'ADP pour former de l'ATP, et le dioxyde de carbone est éliminé par les poumons. L'énergie ATP de la troisième liaison phosphate est utilisée pour alimenter d'autres fonctions cellulaires. C'est ainsi que la respiration cellulaire constitue la base de toutes les autres activités humaines.