La respiration cellulaire est le processus par lequel les organismes vivants tirent leur énergie des aliments. Il existe deux méthodes principales. La respiration aérobie – utilisée par toutes les formes de vie multicellulaires et certaines formes de vie unicellulaires – utilise l’oxygène dans l’atmosphère, ou dissous dans l’eau, dans le cadre d’un processus complexe qui libère et stocke de l’énergie. La respiration anaérobie est utilisée par une variété d’organismes unicellulaires et n’implique pas d’oxygène non combiné.
L’émergence de la respiration aérobie
Les premières formes de vie sur Terre ont vu le jour dans un monde dépourvu d’oxygène libre. Ils ont utilisé des processus anaérobies pour se fournir en énergie. À un moment donné, encore tôt dans l’histoire de la Terre, des organismes ont évolué en utilisant la photosynthèse pour produire des molécules de sucre en utilisant du dioxyde de carbone, obtenu à partir de l’atmosphère, et de l’eau. Le sucre servait de source d’énergie et le processus produisait de l’oxygène comme sous-produit. L’oxygène était toxique pour de nombreux organismes anaérobies, mais certains ont évolué pour l’utiliser dans un nouveau type de respiration qui fournissait en réalité beaucoup plus d’énergie que le processus anaérobie.
Les premières formes de vie étaient constituées de cellules qui n’avaient pas de noyau ou d’autres structures bien définies. Ceux-ci sont connus sous le nom de procaryotes et comprennent des organismes tels que des bactéries et des cyanobactéries, également connues sous le nom d’algues bleu-vert. Plus tard, des cellules avec des noyaux et d’autres structures ont émergé ; ceux-ci sont connus comme les eucaryotes. Ils comprennent certains organismes unicellulaires et tous les organismes multicellulaires, tels que les plantes et les animaux. Tous les eucaryotes et certains procaryotes utilisent la respiration aérobie.
Comment fonctionne la respiration aérobie
Les cellules stockent de l’énergie dans une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP). Ce composé contient trois groupes phosphate (PO4), mais peut libérer de l’énergie en perdant l’un d’entre eux pour former l’adénosine diphosphate (ADP). Inversement, l’ADP peut acquérir un groupe phosphate pour devenir de l’ATP, stockant ainsi de l’énergie.
Une autre molécule importante est le nicotinamide adénine dinucléotide. Il peut exister sous deux formes : le NAD+, qui peut accepter deux électrons et un ion hydrogène (H+) pour former le NADH, qui peut donner des électrons à d’autres molécules. Le composé est utilisé dans la respiration pour transporter des électrons d’un endroit à un autre.
Le point de départ de la respiration est le glucose (C6H12O6), l’un des glucides les plus simples. Des molécules de sucre plus complexes dans les aliments sont d’abord décomposées en ce composé. Le glucose est à son tour décomposé par un processus appelé glycolyse, qui a lieu dans le cytoplasme, ou liquide cellulaire, et est commun à la respiration anaérobie et aérobie.
Glycolyse
Le processus de glycolyse utilise deux molécules d’ATP pour convertir le glucose, qui a six atomes de carbone, en deux molécules à trois carbones d’un composé appelé pyruvate en une série d’étapes. À la fin de ce processus, quatre molécules d’ATP sont produites, de sorte qu’il y a un gain global de deux ATP, ce qui représente un gain d’énergie stockée. La glycolyse se traduit également par deux molécules de NAD+ prenant chacune deux électrons et un ion hydrogène du glucose pour former du NADH. Globalement donc, la glycolyse donne deux molécules de pyruvate, deux d’ATP et deux de NADH.
Dans les cellules eucaryotes, les étapes restantes de la respiration aérobie se déroulent dans des structures appelées mitochondries. On pense que ces minuscules organes étaient autrefois des organismes indépendants qui ont été incorporés dans les cellules à un moment donné dans un passé lointain. Chaque molécule de pyruvate est convertie, à l’aide de NAD+, en un composé appelé acétyl coA, perdant un carbone et deux atomes d’oxygène pour former du dioxyde de carbone comme déchet et former une autre molécule de NADH.
Le cycle de Krebs
L’étape suivante s’appelle le cycle de Krebs, également connu sous le nom de cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) ou de l’acide citrique. L’acétyl-coA du pyruvate se combine avec un composé appelé oxaolacétate pour produire du citrate, ou acide citrique, qui, dans une série d’étapes impliquant le NAD+, produit de l’ATP ainsi que du NADH et une autre molécule appelée FADH2, qui a une fonction similaire. Il en résulte que l’acide citrique est reconverti en oxaloacétate pour recommencer le cycle. Chaque cycle terminé produit deux molécules d’ATP, huit de NADH et deux de FADH2 à partir de deux molécules de pyruvate.
Phosphorylation du transport d’électrons
La dernière étape est connue sous le nom de phosphorylation par transport d’électrons ou phosphorylation oxydative. À ce stade du processus, les électrons transportés par NADH et FADH2 sont utilisés pour fournir l’énergie nécessaire pour attacher des groupes phosphate aux molécules d’ADP pour produire jusqu’à 32 molécules d’ATP. Cela se passe au niveau de la membrane mitochondriale via une série de cinq protéines, à travers lesquelles les électrons sont transportés. L’oxygène, qui accepte facilement les électrons, est nécessaire pour les éliminer à la fin du processus. L’oxygène se combine ensuite avec les ions hydrogène libérés par le NADH pour former de l’eau.
Économiques
Dans l’ensemble, le processus de respiration aérobie peut, en théorie, produire jusqu’à 36 molécules d’ATP stockant de l’énergie pour chaque molécule de glucose, contre seulement deux pour la respiration anaérobie, ce qui en fait un processus beaucoup plus économe en énergie. En pratique, cependant, on pense qu’environ 31 ou 32 molécules d’ATP sont généralement produites, car d’autres réactions peuvent avoir lieu dans les étapes finales. Bien que ce processus soit un moyen très efficace de produire et de stocker de l’énergie, il produit également de petites quantités de formes très réactives d’oxygène, appelées peroxydes et superoxydes. Ceux-ci sont potentiellement dommageables pour les cellules et certains scientifiques pensent qu’ils peuvent être impliqués dans le vieillissement et dans certaines maladies.