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RESPIRATION CELLULAIRE ET FERMENTATION

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La respiration cellulaire

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On sait que lors de la respiration il y a absorption de dioxygène (O2) et rejet de dioxyde de carbone (CO2) ainsi que d’un peu de vapeur d’eau. À l’échelle des cellules, on retrouve les mêmes échanges : afin de produire leur propre énergie, les cellules consomment du dioxygène apporté par la circulation sanguine et produisent comme déchets du dioxyde de carbone ainsi que de l’eau sous forme de vapeur d’eau.

Lorsqu’on met en culture des levures, qui sont des cellules eucaryotes (possédant un noyau), on peut en effet observer avec des sondes une consommation de dioxygène et un rejet de CO2.

 

 

Si on met en culture non plus des cellules de levure entières mais un de leur organite, les mitochondries décrites par le schéma ci-contre, on s’aperçoit que cette respiration cellulaire est effectuée par les mitochondries, mais que celles-ci nécessitent le substrat approprié. Alors qu’à l’échelle de la cellule levure, il fallait lui fournir du glucose pour qu’elle respire, à l’échelle de la mitochondrie, il lui faut du pyruvate (ou acide pyruvique). Par conséquent, il existe une étape préalable à la respiration cellulaire : la glycolyse.

Elle a lieu à l’extérieur de la mitochondrie, dans le cytoplasme (ou cytosol), et permet de transformer au préalable du glucose (sucre à 6 carbones) en pyruvate (sucre à 3 carbones). La glycolyse permet d’obtenir également un peu d’énergie sous forme d’ATP.

Le pyruvate, produit ainsi à l’extérieur de la mitochondrie dans le cytoplasme, est capable ensuite d’entrer dans la mitochondrie en traversant ses deux membranes (la mitochondrie est un organite à double membrane : externe + interne). Il se retrouve alors dans l’espace interne à la mitochondrie appelé la matrice. C’est dans la matrice que le pyruvate entre ensuite dans un cycle de réactions biochimiques appelé cycle de Krebs. Le cycle de Krebs permet de poursuivre l’oxydation des sucres. Ainsi, il y a une première oxydation dans le cytosol ou cytoplasme, puis une seconde dans la matrice mitochondriale.

 

 

Le cycle de Krebs s’accompagne de la formation de composés intermédiaires, notés R’, qui passent par réduction de l’état R’ à R’H2. Ces composés sont donc des accepteurs intermédiaires d’électrons et de protons H+.

Ces composés retournent ensuite à l’état oxydé R’, en cédant leurs électrons et leurs protons à une chaîne de transmetteurs d’électrons, appelée aussi chaîne respiratoire, qui de proche en proche se transmettent les électrons jusqu’à un accepteur final : le dioxygène. C’est à cette étape que le dioxygène de la respiration est consommé. Ce dioxygène en acceptant les protons et les électrons émet de l’eau qui est rejetée à l’échelle de l’individu. Cette chaîne respiratoire permet par ailleurs le fonctionnement d’une autre protéine de la membrane interne mitochondriale, l’ATP synthétase qui produit l’énergie pour la cellule.

 

Ainsi on peut écrire en bilan les trois équations suivantes :

 

Étape 1 : la glycolyse (dans le cytoplasme)

C6H12O6 + 2R' + 2ADP + 2Pi -> 2CH3COCOOH + 2R'H2 + 2ATP

 

Lors de la glycolyse, le glucose (C6H12O6) est oxydé en pyruvate (CH3COCOOH), une molécule de glucose donne deux molécules de pyruvate. Cette oxydation est incomplète, puisque à cette étape le carbone reste encore sous forme organique. L’oxydation ne sera complète que lorsqu’on obtient le déchet dioxyde de carbone (CO2) qui est rejeté par l’organisme. L’oxydation est par ailleurs couplée à la production d’un peu de composés réduits R’H2. On forme également de l’ATP.

 

Étape 2 : le cycle de Krebs (dans la matrice)

2CH3COCOOH + 10R' + 6H2O + 2ADP + 2Pi -> 6CO2 + 10R'H2 + 2ATP

 

Dans la matrice mitochondriale, le pyruvate subit une oxydation complète qui forme ainsi 6 molécules de CO2 à partir de 2 pyruvates. Cela s’accompagne encore une fois de la formation de composés réduits R’H2 et de la formation d’ATP.

 

Étape 3 : l’étape membranaire (dans les crêtes)

12R'H2 + 6CO2 -> 12R4 + 12H2O

 

Il s’agit de l’étape correspondant à la chaîne de transmetteurs d’électrons, dite chaîne respiratoire, au cours de laquelle les composés réduits sont réoxydés (redevenant ainsi des R’) et au cours de laquelle le dioxygène est consommé pour produire des molécules d’eau.

 

 

Au bilan, pour 1 molécule de glucose oxydée au cours de la respiration cellulaire, on consomme 6 molécules de dioxygène, on produit 6 molécules de CO2 et 6 molécules d’eau. Toutes ces molécules de carbone et d’eau sont rejetées au cours de la respiration de l’individu. La respiration cellulaire est également très productive en terme d’énergie puisque pour 1 glucose oxydé, on produit 36 molécules ATP lorsque l’oxydation est totale.