redresse=2|vignette|Schéma de principe de la phosphorylation oxydative dans une mitochondrie illustrant l'intégration du cycle de Krebs avec la chaîne respiratoire, et le couplage de celle-ci avec l'ATP synthase au moyen d'un gradient électrochimique issu d'un gradient de concentration de protons à travers la membrane mitochondriale interne.
La respiration cellulaire est l'ensemble des processus du métabolisme cellulaire convertissant l'énergie chimique contenue dans le glucose en adénosine triphosphate (ATP).
La respiration cellulaire repose sur :
Un ensemble de réactions métaboliques produisant par oxydoréduction des coenzymes réduits essentiellement NADH et un peu de FADH2 Une chaine respiratoire, ensemble de réactions d’oxydo-réduction utilisant les coenzymes réduits se terminant sur un « accepteur d’électrons » (oxydant ou comburant) très généralement minéral (dioxygène, nitrates, sulfates…). L’énergie des réactions sert à transférer des protons entre deux compartiments cellulaires (matrice mitochondriale vers espace intermembranaire chez les eucaryotes, matrice cellulaire vers milieu extracellulaire chez les eubactéries) créant un gradient électrochimique. L’utilisation de ce gradient électrochimique pour réaliser la synthèse endothermique d’ATP grâce au couplage avec l’ATP Synthase.
Ces réactions sont exothermiques. L’énergie produite par la respiration est donc d’une part transférée à l’ATP, dont la synthèse est endothermique (30 kJ au minimum nécessaires par mole) d’ATP et d’autre part libérée sous forme de chaleur. On peut apparenter ce mécanisme à une combustion.
Ces réactions appartiennent au catabolisme. Certaines de ces réactions sont communes aux respirations cellulaires et aux fermentations comme par exemple la glycolyse. Une part importante de coenzymes réduits provient de l'oxydation des acides gras (β-oxydation). centré|vignette|Schéma simplifié présentant la respiration aérobie
La photosynthèse permet, par un mécanisme différent, de produire de l’ATP et du NADPH en captant l’énergie lumineuse.
La respiration cellulaire est l'une des voies essentielles permettant aux cellules de produire de l'énergie métabolique pour leur développement et leur activité. Parmi les nutriments réducteurs utilisés par les cellules des êtres vivants, on compte les glucides (ose, oside…), les peptides (acides aminés) et les lipides (acides gras), tandis que l'oxydant le plus fréquent dans les systèmes biologiques est l'oxygène moléculaire O2.
L'énergie biochimique récupérée sous forme d'ATP peut ensuite être utilisée par des processus qui consomment de l'énergie tels que les biosynthèses, la locomotion ou encore le transport actif de substances chimiques à travers les membranes biologiques. centré|vignette|500x500px|Schéma simplifié de la production d'ATP et de son utilisation cellulaire
Respiration aérobie
★ Respiration aérobie du glucose L'oxydation totale du glucose produit 2800 kJ.
L'équation est la suivante : C₆H₁₂O₆ (s) + 6 O₂ (g) ⟶ 6 CO₂ (g) + 6 H₂O (l)
La respiration aérobie requiert du dioxygène pour produire de l'ATP. C'est la voie prépondérante de dégradation du pyruvate, issu de la glycolyse. Celle-ci se déroule dans le cytosol, mais le pyruvate doit pénétrer dans les mitochondries pour y être entièrement oxydé par le cycle de Krebs, lequel se déroule dans la matrice mitochondriale. Le cycle de Krebs convertit le pyruvate en dioxyde de carbone et en coenzymes réduites (NADH et FAD), coenzymes dont les électrons à haut potentiel de transfert contiennent l'essentiel de l'énergie chimique des molécules dégradées. Ces coenzymes réduites sont alors oxydées par la chaîne respiratoire dans la membrane mitochondriale interne. L'énergie des électrons à haut potentiel de transfert permet de pomper des protons hors de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Il s'établit un gradient de concentration de protons à travers la membrane interne, lequel génère un gradient électrochimique suffisant pour actionner l'ATP synthase, une enzyme capable de phosphoryler l'ADP en ATP grâce à l'énergie emmagasinée dans ce gradient électrochimique. On appelle phosphorylation oxydative l'ensemble formé par la chaîne respiratoire et l'ATP synthase couplés par gradient électrochimique.
Chaque molécule de glucose entièrement oxydée par la respiration cellulaire est susceptible de produire d'ATP : issus de la glycolyse, issus du cycle de Krebs, et issus de la chaîne respiratoire. Ce rendement nominal n'est cependant jamais atteint en raison des pertes par dissipation du gradient électrochimique à travers la membrane interne des mitochondries ainsi qu'en raison du coût énergétique du transport actif du pyruvate depuis le cytosol jusqu'à la matrice mitochondriale, de sorte que les estimations actuelles s'établissent autour de d'ATP formées par molécules de glucose oxydée. Le rendement peut être estimé à 32 à 38 % selon le nombre d'ATP produits.
La respiration aérobie est jusqu'à plus efficace que la respiration anaérobie, qui produit seulement par molécule de glucose oxydée. Cependant, certains organismes anaérobies, comme les archées méthanogènes, sont capables d'accroître ce rendement en utilisant d'autres accepteurs d'électrons finaux que l'oxygène.
Respiration aérobie du glucose
Glycolyse
La glycolyse est une voie métabolique qui se déroule dans le cytosol des cellules de pratiquement tous les êtres vivants. Elle peut fonctionner de manière aérobie ou anaérobie, c'est-à-dire respectivement en présence ou en l'absence d'oxygène. Chez l'homme, elle conduit au pyruvate en conditions aérobies et au lactate en conditions anaérobies.
En conditions aérobies, ce processus convertit une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate, avec production concomitante de deux molécules d'ATP. Plus précisément, il commence par consommer deux molécules d'ATP pour accroître la réactivité du glucose en vue de son clivage par l'aldolase puis en produit quatre par phosphorylation au niveau du substrat, avec production de deux molécules de NADH. La réaction globale de la glycolyse peut s'écrire :
glucose + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 + chaleur.
La première étape de la glycolyse est la formation de glucose-6-phosphate, à partir de glucose sous l'action de l'hexokinase, ou de glycogène sous l'action successive de la glycogène phosphorylase et de la phosphoglucomutase en passant par le glucose-1-phosphate. Le glucose-6-phosphate est ensuite isomérisé en fructose-6-phosphate par la glucose-6-phosphate isomérase et une seconde molécule d'ATP est utilisée pour phosphoryler ce dernier en fructose-1,6-bisphosphate par la phosphofructokinase-1. C'est le fructose-1,6-bisphosphate qui est clivé en deux molécules à trois atomes de carbone, qui sont chacune converties en pyruvate.
Décarboxylation du pyruvate
Le pyruvate est oxydé en acétyl-CoA et NADH avec libération de à travers une décarboxylation oxydative catalysée par le complexe pyruvate déshydrogénase. Il s'agit d'un complexe de trois enzymes différentes situé dans la matrice mitochondriale des eucaryotes et dans le cytosol des procaryotes.
Cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique)
En milieu anaérobie (absence d'oxygène ), le pyruvate issu de la glycolyse subit une fermentation, tandis que, en milieu aérobie (présence d'), le pyruvate issu de la glycolyse est converti en acétyl-CoA, à partir duquel il est dégradé par le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale pour donner deux molécules de et permettant la formation de trois molécules de NADH, une molécule de FAD et une molécule de GTP, équivalent à une molécule d'ATP. Le NADH et le FAD peuvent être oxydés par la chaîne respiratoire pour produire davantage d'ATP.
Le cycle de Krebs est un processus en dix étapes impliquant huit enzymes et diverses coenzymes. L'acétyl-CoA (composé à deux atomes de carbone, c'est-à-dire en C2) est condensé avec l'oxaloacétate (composé en C4) pour former du citrate (composé en C6), lequel est réarrangé en isocitrate, plus réactif, qui donne de l'α-cétoglutarate (composé en C5). Ce dernier donne ensuite de la succinyl-CoA (groupe en C4) puis successivement du succinate, du fumarate, du malate et, finalement, à nouveau de l'oxaloacétate.
Phosphorylation oxydative
Chez les eucaryotes, la phosphorylation oxydative se déroule dans la membrane mitochondriale interne, plus précisément au niveau des crêtes de cette membrane (cristae). Elle comprend la chaîne respiratoire, qui assure l'oxydation des coenzymes réduites par le cycle de Krebs, et l'ATP synthase, enzyme capable de phosphoryler l'ADP en ATP à partir de l'énergie libérée par la chaîne respiratoire au cours de l'oxydation des coenzymes. Cette énergie est emmagasinée sous forme de gradient électrochimique à travers la membrane interne de la mitochondrie sous l'effet de pompes à protons qui génèrent un gradient de concentration de protons au cours de la circulation des électrons le long de la chaîne respiratoire. L'étape finale de cette dernière est la réduction d'une molécule d'oxygène par quatre électrons pour former deux molécules d'eau en fixant quatre protons.
Rendement énergétique de la respiration aérobie Le tableau ci-dessous résume les étapes qui produisent de l'ATP et des coenzymes réduites lors de l'oxydation complète d'une molécule de glucose en et .
Étape Coenzymes produites ATP produits Source d'ATP Phase préparatoire de la glycolyse −2 La conversion du glucose en fructose-1,6-bisphosphate consomme deux molécules d'ATP du cytoplasme Phase finale de la glycolyse 4 Phosphorylation au niveau du substrat 2 NADH 6 Phosphorylation oxydative : chaque molécule de NADH donne d'ATP et non en raison du transport actif du NADH jusqu'à la matrice mitochondriale. Décarboxylation du pyruvate 2 NADH 6 Phosphorylation oxydative Cycle de Krebs 2 Phosphorylation au niveau du substrat 6 NADH 18 Phosphorylation oxydative2 FAD4 Phosphorylation oxydativeProduction totale38 ATPPar oxydation complète d'une molécule de glucose en dioxyde de carbone et oxydation de toutes les coenzymes réduites jusqu'à formation d'eau.
Le rendement théorique de l'oxydation complète d'une molécule de glucose au cours de la respiration cellulaire est de d'ATP mais est rarement atteint en raison de différentes pertes d'énergie telles que le transport actif du pyruvate produit dans le cytosol par la glycolyse jusque dans la matrice mitochondriale pour être dégradé par le cycle de Krebs après décarboxylation en acétyl-CoA, ou encore : par le transport actif du phosphate dans la mitochondrie par la protéine , qui fonctionne comme un antiport échangeant des ions phosphate − contre des ions hydroxyde OH− ou comme un symport avec les protons H+ en utilisant la force proton-motrice générée par la chaîne respiratoire. par le transport actif de l'ADP et de l'Adénosine triphosphate à travers la membrane mitochondriale interne par la translocase ATP/ADP, un antiport qui utilise également la force proton-motrice par le fait que l'ATP possède une charge électrique de –4 tandis que l'ADP n'a qu'une charge électrique de –3 : l'ATP sort de la mitochondrie en dissipant le gradient électrochimique généré par la chaîne respiratoire.
Le résultat de ces différents processus de transport actif utilisant la force proton-motrice et le gradient électrochimique générés par la chaîne respiratoire est que plus de trois protons sont nécessaires pour produire une molécule d'ATP par phosphorylation oxydative. C'est la raison pour laquelle la production maximum d'ATP par molécule de glucose entièrement oxydée ne dépasse pas .
En pratique, ce rendement peut même être encore réduit en raison de fuites de protons à travers la membrane mitochondriale interne.