Énergie et respiration

Les cellules ont besoin d'un apport constant d'énergie 能量, qu'elles obtiennent par la respiration 呼吸作用. L'énergie est nécessaire pour :

• le transport actif 主动运输 (mouvement de substances contre un gradient),
• le mouvement (par exemple la contraction musculaire),
• les réactions anaboliques 合成代谢 — la construction de grandes molécules, comme lors de la réplication de l'ADN et de la synthèse des protéines.

L'ATP est la molécule qui transporte l'énergie là où elle est nécessaire. Il est fabriqué à partir d'ADP et d'un groupe phosphate ; lorsqu'il perd ce phosphate, il libère une petite quantité d'énergie utilisable. L'ATP est particulièrement adapté à cette fonction, c'est pourquoi on l'appelle la monnaie énergétique universelle :

• il libère de l'énergie rapidement, en petites quantités correspondant aux besoins cellulaires.
• il est facilement re-synthétisé, encore et encore.
• il est petit et soluble, ce qui facilite son transport dans la cellule.

L'ATP est produit de deux manières : par transfert direct d'un groupe phosphate dans des réactions de phosphorylation 磷酸化, et par chimiosmose 化学渗透 à travers les membranes des mitochondries 线粒体 et des chloroplastes.

Un substrat respiratoire 呼吸底物 est une molécule dégradée pour libérer de l'énergie. Par gramme, les lipides dégagent le plus d'énergie (ils contiennent le plus d'hydrogène), les protéines viennent ensuite, et les glucides le moins.

Le quotient respiratoire 呼吸商 (RQ) compare les gaz échangés :

Vous pouvez calculer le quotient respiratoire à partir d'une équation de respiration. Les glucides donnent un QR d'environ 1.0, les lipides environ 0.7 et les protéines environ 0.9.

Exemple résolu. Trouver le RQ pour la respiration aérobie du glucose : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.

C'est pourquoi un RQ proche de $1.0$ suggère que l'organisme respire des glucides ; un RQ plus bas (environ $0.7$) indique qu'il utilise des lipides, ce qui nécessite plus d'oxygène par molécule de $\text{CO}_2$.

Un respiromètre 呼吸计 mesure l'oxygène 氧气 absorbé par des êtres vivants, tels que des graines germinantes 萌发 ou de petits invertébrés 无脊椎动物, et sert à déterminer leur RQ.

Aérobie 有氧 respiration (avec oxygène) comporte quatre étapes, chacune se déroulant dans un endroit précis de la cellule :

Glycolyse

Glucose 葡萄糖 (6 carbones) est d'abord phosphorylé, utilisant 2 ATP, pour former du fructose bisphosphate (6C). Cette molécule à 6C est scindée en deux molécules de phosphate de triose (3C chacune). Celles-ci sont ensuite oxydées 氧化 en pyruvate 丙酮酸 (3C). La glycolyse génère un gain net de 2 ATP et une certaine quantité de NAD réduit 还原 (le NAD est une coenzyme 辅酶, une molécule auxiliaire).

La réaction de liaison

En présence d'oxygène, le pyruvate pénètre dans la mitochondrie. Là, chaque pyruvate perd un dioxyde de carbone 二氧化碳 et se transforme en groupe acétylique 乙酰基 à 2 carbones. Ce groupe est transporté par la coenzyme A 辅酶A pour former de l'acétyl-coenzyme A. Une partie du dioxyde de carbone est libérée et le NAD est réduit.

Le cycle de Krebs

Le groupe acétylique 2C se lie à une molécule à 4 carbones, l'oxaloacétate 草酰乙酸, pour former une molécule à 6 carbones, le citrate 柠檬酸. Le citrate est ensuite reconverti en oxaloacétate au cours d'une série de petites étapes, prêt à accepter le prochain groupe acétylique. Au cours de ces étapes :

• la décarboxylation 脱羧 retire le carbone sous forme de dioxyde de carbone.
• la déshydrogénation 脱氢 retire l'hydrogène, ce qui réduit les coenzymes NAD et FAD.

Le NAD et le FAD réduits transportent alors l'hydrogène vers les transporteurs situés dans la membrane mitochondriale interne.

Phosphorylation oxydative

Cette étape produit la majeure partie de l'ATP :

1. les atomes d'hydrogène se scindent en protons 质子 et en électrons 电子 énergétiques.
2. les électrons traversent la chaîne de transport des électrons 电子传递链, libérant de l'énergie au passage.
3. cette énergie sert à pomper les protons à travers la membrane interne.
4. les protons retournent dans la matrice via un canal appelé ATP synthase ATP合酶. Ce flux fournit l'énergie nécessaire à la synthèse de l'ATP (c'est la chimiosmose).
5. l'oxygène est l'accepteur final d'électrons : il se lie aux électrons et aux protons pour former de l'eau.

La structure des mitochondries

La membrane interne est repliée en crêtes 嵴, offrant une grande surface pour la chaîne de transport des électrons et l'ATP synthase. La matrice intérieure contient les substances et les auxiliaires nécessaires à la réaction de liaison et au cycle de Krebs.

En l'absence d'oxygène, seule la glycolyse peut se poursuivre. Pour maintenir la glycolyse, la cellule doit épuiser le NAD réduit. Cela se fait par fermentation 发酵 :

• chez les mammifères, le pyruvate est converti en lactate 乳酸 (fermentation lactique). Le lactate sera ultérieurement dégradé lors du retour de l'oxygène.
• chez la levure 酵母, le pyruvate est converti en éthanol 乙醇 et en dioxyde de carbone (fermentation alcoolique).

Anaérobie 无氧 respiration fournit beaucoup moins d'énergie que la respiration aérobie. La respiration aérobie met également en œuvre le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative, qui libèrent beaucoup plus d'ATP, tandis que la respiration anaérobie ne permet qu'un petit gain provenant uniquement de la glycolyse.

Le riz peut pousser avec ses racines sous l'eau, là où il y a peu d'oxygène. Il s'y adapte de trois manières : il développe un parenchyme aérique 通气组织 (espaces remplis d'air) dans les racines pour transporter l'air vers le bas ; les racines utilisent la fermentation alcoolique pour continuer à produire un peu d'ATP ; et les tiges poussent plus vite pour atteindre l'air au-dessus de l'eau.

Un indicateur de redox tel que le DCPIP ou le bleu de méthylène perd sa couleur lorsqu'il capte l'hydrogène des respirant cellulaires. Plus la couleur disparaît rapidement, plus la levure respire vite, ce qui permet de tester l'effet de la température ou de la concentration du substrat. Un respiromètre peut également être utilisé pour mesurer comment la température modifie le taux de consommation d'oxygène.

• Indiquez où chaque étape a lieu et son rendement en ATP : glycolyse (cytoplasme), réaction de liaison + cycle de Krebs (matrice), phosphorylation oxydative (membrane interne, production maximale d'ATP).
• Expliquez les rôles du NAD/FAD (transport de l'hydrogène vers la chaîne de transport des électrons) et de l'oxygène (accepteur final d'électrons).
• RQ $=$ CO₂ produit $\div$ O₂ utilisé ($\approx 1.0$ glucides, $0.7$ lipides) ; savoir comment un respiromètre le mesure.
• La respiration anaérobie produit du lactate (animaux) ou de l'éthanol + CO₂ (levures/plantes) et bien moins d'ATP (seulement la glycolyse).