Structure et fonction cellulaires spécialisées : respiration cellulaire

Respiration cellulaire

Structure et fonction cellulaires spécialisées

  • introduction
  • Modifications et fonctions adaptatives
  • Respiration cellulaire
  • Synthèse des protéines

La respiration cellulaire récupère l'énergie créée lors de la photosynthèse à travers une série de réactions biochimiques :



  • Glycolyse
  • Le cycle de Kreb
  • Chaîne de transport d'électrons
  • Fermentation
Bionote

Historiquement, on pense que la glycolyse a été la première méthode de génération d'énergie par les organismes de la Terre primitive en raison de la disponibilité du glucose et du manque d'un environnement d'oxygène.

Glycolyse

Les cellules récoltent l'énergie contenue dans les liaisons chimiques du glucose dans une série de réactions très contrôlées, étape par étape, qui libèrent de petites quantités d'énergie au cours de chaque réaction biochimique. Glycolyse est la première étape de la respiration cellulaire, où une molécule de glucose est divisée pour libérer de l'énergie.

Le processus de glycolyse est une réaction en quatre étapes contrôlée par une enzyme qui se produit dans le cytoplasme des cellules :

  1. De l'énergie est nécessaire pour démarrer le processus, de sorte qu'une molécule de glucose accepte deux groupes phosphate à haute énergie provenant de deux molécules d'ATP.
  2. La molécule intermédiaire résultante se divise immédiatement en deux molécules à trois carbones appelées PGAL, chacune contenant un groupe phosphate à haute énergie.
  3. Un deuxième groupe phosphate à haute énergie est ajouté à la molécule de PGAL à trois carbones et deux molécules de NADH sont produites.
  4. Enfin, les molécules de PGAL à trois carbones donnent leur phosphate à haute énergie pour créer de l'ATP et les formes de pyruvate à trois carbones comme produits finaux.

Référez-vous à l'illustration Glycolyse pour visualiser l'action des composés intermédiaires et des molécules énergétiques.

Glycolyse.

Les groupes phosphate à haute énergie ajoutés aux étapes 1 et 3 sont supprimés à l'étape 4 pour créer quatre ATP (deux de l'étape 1 et deux de l'étape 3) à partir de quatre ADP. Parce que deux molécules d'ATP étaient nécessaires pour commencer la glycolyse et quatre ont été produites dans l'étape finale, le gain net est de deux molécules d'ATP. Bien que l'ATP soit produit, la glycolyse ne produit pas assez d'énergie pour soutenir les cycles de vie des formes de vie complexes. Par conséquent, le but principal de la glycolyse est de produire des électrons de haute énergie à utiliser dans la chaîne de transport d'électrons. Le produit final, le pyruvate ou l'acide pyruvique, contient encore de l'énergie qui peut être récupérée de deux manières en fonction de la disponibilité de l'oxygène.

Le cycle de Kreb

Si de l'oxygène est présent, le pyruvate subit respiration aérobie , qui se compose de deux parties : le cycle de Kreb (également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique) et la chaîne de transport d'électrons. Après la glycolyse, le pyruvate se déplace du cytoplasme vers les mitochondries et réagit avec une coenzyme pour créer la molécule à deux carbones, l'acétyl coenzyme A (acétyl CoA) en perdant une molécule de dioxyde de carbone. Neuf réactions contrôlées enzymatiquement sont condensées et présentées selon les cinq étapes suivantes :

Le cycle de Kreb.
  1. L'acétyl CoA donne le groupe acétyle à deux carbones à un composé intermédiaire à quatre carbones, l'acide oxaloacétique, pour créer la molécule d'acide citrique à six carbones.
  2. Les électrons à haute énergie sont oxydés pour créer la molécule de NADH riche en énergie lorsque le composé à six carbones perd une molécule de dioxyde de carbone pour devenir une molécule à cinq carbones.
  3. Une deuxième molécule de NADH et une molécule d'ATP sont produites lorsqu'une autre molécule de dioxyde de carbone est libérée de la molécule à cinq carbones, qui se dégrade ensuite en une nouvelle molécule à quatre carbones.
  4. La molécule à quatre carbones est encore oxydée pour transférer des électrons à haute énergie pour créer le composé à haute énergie, FADH2, et plus de NADH.
  5. Les enzymes réorganisent la liaison au sein de la molécule à quatre carbones pour devenir de l'acide oxaloacétique, qui se combine avec l'acétyl CoA pour redémarrer le cycle de Kreb.

Référez-vous à l'illustration Le cycle de Kreb pour voir la décomposition des molécules contenant de l'énergie.

En résumé, le cycle de Kreb élimine progressivement les molécules de dioxyde de carbone du glucose pour libérer de l'énergie, mais comme la glycolyse, l'objectif principal est de créer les porteurs d'électrons à haute énergie NADH et FADH.2. Le dioxyde de carbone expulsé dans le processus est un déchet et doit être éliminé du système. Par exemple, c'est pourquoi vous expirez.

Biotermes

Le chaîne de transport d'électrons est une série de molécules appelées cytochrome et des enzymes associées qui transmettent des électrons à haute énergie d'une molécule à l'autre, éliminant l'énergie par un mécanisme par étapes. Le dernier accepteur de l'électron maintenant appauvri en énergie est l'oxygène, qui se combine ensuite avec les ions hydrogène en excès du cytoplasme pour créer de l'eau. C'est pourquoi vous inspirez.


Le cycle de Kreb produit 10 molécules d'ATP et génère les molécules d'énergie NADH et FADH2, qui sont récoltés plus tard dans le chaîne de transport d'électrons .

À la fin du cycle de Kreb, la molécule de glucose d'origine est complètement oxydée, de sorte que la majeure partie de l'énergie réside maintenant dans les électrons à haute énergie retirés des liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène qui ont créé les porteurs d'électrons NADH et FADH2. Les électrons de haute énergie contenus dans NADH et FADH2sont donnés aux molécules accepteurs d'électrons situées sur les longs plis de crêtes sur la membrane interne des mitochondries. Ils commencent le processus de formation d'ATP dans la chaîne de transport d'électrons.

Chaîne de transport d'électrons

La chaîne de transport d'électrons est l'endroit où la plupart de l'énergie est libérée dans la respiration cellulaire. Le mécanisme de la chaîne de transport d'électrons peut être décrit en cinq étapes :

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  1. Électrons de haute énergie de NADH et FADH2pénètrent dans la chaîne de transport d'électrons et passent d'une molécule à l'autre, perdant de l'énergie de manière contrôlée par étapes.
  2. L'énergie perdue par les électrons est utilisée pour pomper les ions hydrogène du compartiment mitochondrial interne vers le compartiment mitochondrial externe à travers la membrane mitochondriale. Cela crée une zone de concentration élevée en ions hydrogène d'un côté de la membrane mitochondriale et une faible concentration en ions hydrogène de l'autre côté de la membrane. Le résultat est un gradient de concentration à travers la membrane interne créant une source d'énergie potentielle, qui est à nouveau comparable à l'énergie potentielle de l'eau retenue par un barrage géant.
  3. Le gradient de concentration est utilisé comme source d'énergie potentielle pour chimiosmotique synthèse d'ATP.
  4. Une protéine porteuse aide les ions hydrogène à se diffuser à travers une ouverture de protéine de canal dans la membrane. Au fur et à mesure que les ions hydrogène diffusent de la zone de concentration élevée à la zone de faible concentration, la protéine porteuse exploite l'énergie cinétique de l'ion hydrogène pour ajouter un groupe phosphate à haute énergie à l'ADP formant l'ATP, avec l'aide de l'enzyme ATP synthétase.
  5. L'électron de haute énergie est passé le long de la chaîne de transport d'électrons jusqu'à ce que l'excès d'énergie soit éliminé, puis il est combiné avec les ions hydrogène et l'oxygène en excès pour former de l'eau, qui devient alors un déchet et doit être éliminé du système. Par exemple, c'est pourquoi vous urinez.

En résumé, l'oxydation du glucose est efficace à environ 37 % et produit toute l'énergie requise pour presque tous les types de cellules. La respiration aérobie complète de 1 molécule de glucose crée un rendement maximum de 36 molécules d'ATP, comme suit :

  • Glycolyse = 4 molécules d'ATP
  • Cycle de Kreb = 10 ATP
  • Chaîne de transport d'électrons = 22 ATP

Fermentation

Si l'oxygène n'est pas présent après la glycolyse, la chaîne de transport d'électrons ne peut pas fonctionner car il n'y a pas d'oxygène présent pour servir d'accepteur d'électrons final. Ainsi, le pyruvate est converti par certaines cellules spécialisées en d'autres composés dans un processus appelé fermentation . La fermentation ne produit pas d'ATP supplémentaire, mais elle régénère le NAD+, qui peut alors participer à la glycolyse pour fabriquer plus d'ATP. Le NADH est converti en NAD+en ajoutant l'électron de haute énergie supplémentaire dans le NADH à une molécule organique intermédiaire. Le total combiné de la glycolyse et de la fermentation produit 2 molécules d'ATP pour chaque glucose, contre 36 ATP via la respiration aérobie. Bien qu'il existe plusieurs voies de fermentation, les deux plus courantes produisent de l'acide lactique et de l'éthanol.

Dans le catalysé enzymatique acide lactique fermentation, le pyruvate à trois carbones est réarrangé en une molécule de lactate à trois carbones, alias acide lactique. Dans le processus, le NADH est oxydé en NAD+, qui est ensuite disponible pour une utilisation dans la glycolyse, tandis que le pyruvate est réduit en lactate. Ce processus est familier aux athlètes car l'accumulation excessive d'acide lactique due à un exercice anaérobie (ne recevant pas suffisamment d'oxygène) provoque des zones douloureuses dans les muscles touchés.

La fermentation alcoolique produit éthanol , également connu sous le nom d'alcool éthylique, la composante alcoolique des boissons alcoolisées pour adultes. Ce processus en deux étapes commence lorsque le pyruvate perd une molécule de dioxyde de carbone pour devenir une molécule intermédiaire à deux carbones. À l'étape 2, les ions hydrogène du NADH sont ajoutés pour créer de l'alcool éthylique et régénérer le NAD+.

Extrait de The Complete Idiot's Guide to Biology 2004 par Glen E. Moulton, Ed.D.. Tous droits réservés, y compris le droit de reproduction en tout ou en partie sous quelque forme que ce soit. Utilisé en accord avec Livres Alpha , membre de Penguin Group (USA) Inc.

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