Respiration cellulaire chez l'homme

définition

La respiration cellulaire, également appelée aérobie (du grec ancien «aer» - air), décrit la dégradation de nutriments tels que le glucose ou les acides gras chez l'homme en utilisant l'oxygène (O2) pour générer de l'énergie, nécessaire à la survie des cellules. Dans le processus, les nutriments sont oxydés, c'est-à-dire qu'ils émettent des électrons, tandis que l'oxygène est réduit, ce qui signifie qu'il accepte des électrons. Les produits finaux qui proviennent de l'oxygène et des nutriments sont le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O).

Fonction et tâches de la respiration cellulaire

Tous les processus du corps humain nécessitent de l'énergie. L'exercice, la fonction cérébrale, les battements du cœur, la salive ou la fabrication des cheveux et même la digestion nécessitent tous de l'énergie pour fonctionner.

De plus, le corps a besoin d'oxygène pour survivre. La respiration cellulaire est ici d'une importance particulière. Avec l'aide de cela et de l'oxygène gazeux, il est possible pour le corps de brûler des substances riches en énergie et d'en obtenir l'énergie nécessaire. L'oxygène lui-même ne nous fournit aucune énergie, mais il est nécessaire pour mener à bien les processus de combustion chimique dans le corps et est donc essentiel à notre survie.

Le corps connaît de nombreux types de vecteurs d'énergie:

• Le glucose (sucre) est le principal vecteur énergétique et élément constitutif de base ainsi que le produit final séparé de tous les féculents
• Les acides gras et la glycérine sont les produits finaux de la dégradation des graisses et peuvent également être utilisés dans la production d'énergie
• Le dernier groupe de vecteurs d'énergie est constitué des acides aminés, qui restent en tant que produit de la dégradation des protéines. Après une certaine transformation dans le corps, ceux-ci peuvent également être utilisés dans la respiration cellulaire et donc pour la génération d'énergie.

En savoir plus à ce sujet sous Exercice et combustion des graisses

La source d'énergie la plus couramment utilisée par le corps humain est le glucose. Il y a une chaîne de réactions qui aboutissent finalement aux produits CO2 et H2O avec la consommation d'oxygène. Ce processus comprend le Glycolyse, alors le Fractionnement du glucose et le transfert du produit, le Pyruvate via l'étape intermédiaire du Acétyl-CoA dans le Le cycle de l'acide citrique (Synonyme: cycle de l'acide citrique ou cycle de Krebs). Les produits de dégradation d'autres nutriments tels que les acides aminés ou les acides gras entrent également dans ce cycle. Le processus dans lequel les acides gras sont «décomposés» afin qu'ils puissent également s'écouler dans le cycle de l'acide citrique est appelé Oxydation bêta.

Le cycle de l'acide citrique est donc une sorte de point d'entrée où toutes les sources d'énergie peuvent être introduites dans le métabolisme énergétique. Le cycle se déroule dans le Mitochondries au lieu de cela, les «centrales énergétiques» des cellules humaines.

Au cours de tous ces processus, une partie de l'énergie est consommée sous forme d'ATP, mais elle a déjà été obtenue, comme c'est le cas par exemple en glycolyse. En outre, il existe principalement d'autres réserves d'énergie intermédiaires (par exemple NADH, FADH2) qui remplissent uniquement leur fonction de réserves d'énergie intermédiaires pendant la production d'énergie. Ces molécules intermédiaires de stockage s'écoulent ensuite dans la dernière étape de la respiration cellulaire, à savoir l'étape de phosphorylation oxydative, également appelée chaîne respiratoire. C'est le pas vers lequel tous les processus ont travaillé jusqu'à présent. La chaîne respiratoire, qui a également lieu dans les mitochondries, se compose également de plusieurs étapes, dans lesquelles le vecteur d'énergie polyvalent ATP est ensuite obtenu à partir des molécules de stockage intermédiaires riches en énergie. Au total, la décomposition d'une molécule de glucose aboutit à un total de 32 molécules d'ATP.

Pour ceux qui sont particulièrement intéressés

La chaîne respiratoire contient divers complexes protéiques qui jouent ici un rôle très intéressant. Ils fonctionnent comme des pompes qui pompent des protons (ions H +) dans la cavité de la double membrane mitochondriale tout en consommant les molécules de stockage intermédiaires, de sorte qu'il y a une forte concentration de protons. Cela provoque un gradient de concentration entre l'espace intermembranaire et la matrice mitochondriale. Avec l'aide de ce gradient, il y a finalement une molécule de protéine qui fonctionne de manière similaire à un type de turbine à eau. Poussée par ce gradient de protons, la protéine synthétise une molécule d'ATP à partir d'un ADP et d'un groupement phosphate.

Vous pouvez trouver plus d'informations ici: Quelle est la chaîne respiratoire?

ATP

le L'adénosine triphosphate (ATP) est le vecteur d'énergie du corps humain. Toute l'énergie issue de la respiration cellulaire est initialement stockée sous forme d'ATP. Le corps ne peut utiliser l'énergie que si elle est sous la forme de la molécule d'ATP.

Si l'énergie de la molécule d'ATP est épuisée, l'adénosine diphosphate (ADP) est créée à partir de l'ATP, de sorte qu'un groupe phosphate de la molécule est séparé et de l'énergie est libérée. La respiration cellulaire ou la génération d'énergie sert à régénérer en permanence l'ATP à partir du soi-disant ADP afin que le corps puisse l'utiliser à nouveau.

Équation de réaction

Du fait que les acides gras sont de longueurs différentes et que les acides aminés ont également des structures très différentes, il n'est pas possible de mettre en place une équation simple pour ces deux groupes pour caractériser précisément leur rendement énergétique dans la respiration cellulaire. Parce que chaque changement structurel peut déterminer à quelle étape du cycle du citrate les acides aminés s'écoulent.
La dégradation des acides gras dans la soi-disant oxydation bêta dépend de leur longueur. Plus les acides gras sont longs, plus ils peuvent en tirer de l'énergie. Cela varie entre les acides gras saturés et insaturés, les acides gras insaturés fournissant un minimum d'énergie, à condition qu'ils aient la même quantité.

Pour les raisons déjà mentionnées, une équation peut être mieux décrite pour la dégradation du glucose. Une molécule de glucose (C6H12O6) et 6 molécules d'oxygène (O2) donnent un total de 6 molécules de dioxyde de carbone (CO2) et 6 molécules d'eau (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 devient 6 CO2 + 6 H2O

Qu'est-ce que la glycolyse?

La glycolyse décrit la dégradation du glucose, c'est-à-dire du sucre de raisin. Cette voie métabolique a lieu dans les cellules humaines ainsi que dans d'autres, par exemple la levure pendant la fermentation. L'endroit où les cellules effectuent la glycolyse est dans le cytoplasme. Ici, des enzymes sont présentes qui accélèrent les réactions de glycolyse afin à la fois de synthétiser directement l'ATP et de fournir les substrats pour le cycle de l'acide citrique. Ce processus crée de l'énergie sous la forme de deux molécules d'ATP et de deux molécules de NADH + H +. La glycolyse, ainsi que le cycle de l'acide citrique et la chaîne respiratoire, tous deux situés dans la mitochondrie, représentent la voie de dégradation du sucre simple glucose en le vecteur d'énergie universel ATP. La glycolyse a lieu dans le cytosol de toutes les cellules animales et végétales. . Le produit final de la glycolyse est le pyruvate, qui peut ensuite être introduit dans le cycle de l'acide citrique via une étape intermédiaire.

Au total, 2 ATP sont utilisés par molécule de glucose en glycolyse afin de pouvoir réaliser les réactions. Cependant, 4 ATP sont obtenus, de sorte qu'il y a effectivement un gain net de 2 molécules d'ATP.

Glycolyse dix étapes de réaction jusqu'à ce qu'un sucre avec 6 atomes de carbone se transforme en deux molécules de pyruvate, chacune composée de trois atomes de carbone. Dans les quatre premières étapes de réaction, le sucre est converti en fructose-1,6-bisphosphate à l'aide de deux phosphates et d'un réarrangement. Ce sucre activé est maintenant divisé en deux molécules de trois atomes de carbone chacune. D'autres réarrangements et l'élimination des deux groupes phosphate aboutissent finalement à deux pyruvates. Si l'oxygène (O2) est maintenant disponible, le pyruvate peut être davantage métabolisé en acétyl-CoA et introduit dans le cycle de l'acide citrique. Globalement, la glycolyse avec deux molécules d'ATP et deux molécules de NADH + H + a un rendement énergétique relativement faible. Cependant, il jette les bases de la dégradation ultérieure du sucre et est donc essentiel pour la production d'ATP dans la respiration cellulaire.

À ce stade, il est logique de séparer la glycolyse aérobie et anaérobie. La glycolyse aérobie conduit au pyruvate décrit ci-dessus, qui peut ensuite être utilisé pour générer de l'énergie.
En revanche, la glycolyse anaérobie, qui a lieu dans des conditions de carence en oxygène, le pyruvate ne peut plus être utilisé car le cycle de l'acide citrique nécessite de l'oxygène. Dans le cadre de la glycolyse, la molécule intermédiaire de stockage NADH est également créée, elle-même riche en énergie et qui coulerait également dans le cycle de Krebs en conditions aérobies. Cependant, la molécule mère NAD + est nécessaire pour maintenir la glycolyse. C'est pourquoi le corps «mord» ici la «pomme aigre» et reconvertit cette molécule à haute énergie dans sa forme originale. Le pyruvate est utilisé pour effectuer la réaction. Le soi-disant lactate ou acide lactique est formé à partir du pyruvate.

En savoir plus à ce sujet sous

• Lactate
• Seuil anaérobie

Quelle est la chaîne respiratoire?

La chaîne respiratoire est la dernière partie du chemin de dégradation du glucose. Après que le sucre a été métabolisé dans la glycolyse et le cycle de l'acide citrique, la chaîne respiratoire a pour fonction de régénérer les équivalents de réduction (NADH + H + et FADH2) qui sont créés. Cela crée le vecteur d'énergie universel ATP (adénosine triphosphate). Tout comme le cycle de l'acide citrique, la chaîne respiratoire se situe dans les mitochondries, qui sont donc également appelées «centrales électriques de la cellule». La chaîne respiratoire est constituée de cinq complexes enzymatiques intégrés dans la membrane mitochondriale interne. Les deux premiers complexes enzymatiques régénèrent chacun NADH + H + (ou FADH2) en NAD + (ou FAD). Lors de l'oxydation du NADH + H +, quatre protons sont transportés de l'espace matriciel vers l'espace intermembranaire. Deux protons sont également pompés dans l'espace intermembranaire dans chacun des trois complexes enzymatiques suivants. Cela crée un gradient de concentration utilisé pour produire de l'ATP. À cette fin, les protons s'écoulent de l'espace intermembranaire à travers une ATP synthase dans l'espace matriciel. L'énergie libérée est utilisée pour finalement produire de l'ATP à partir d'ADP (adénosine diphosphate) et de phosphate. Une autre tâche de la chaîne respiratoire est d'intercepter les électrons générés par l'oxydation des équivalents de réduction. Cela se fait en transférant les électrons en oxygène. En réunissant électrons, protons et oxygène, de l'eau normale est créée dans le quatrième complexe enzymatique (cytochrome c oxydase). Cela explique également pourquoi la chaîne respiratoire ne peut avoir lieu que lorsqu'il y a suffisamment d'oxygène.

Quelles sont les tâches des mitochondries dans la respiration cellulaire?

Les mitochondries sont des organites que l'on ne trouve que dans les cellules eucaryotes. On les appelle également les «centrales électriques de la cellule», car c'est en elles que la respiration cellulaire a lieu. Le produit final de la respiration cellulaire est l'ATP (adénosine triphosphate). C'est un vecteur d'énergie universel qui est nécessaire dans tout l'organisme humain. La compartimentation des mitochondries est une condition préalable à la respiration cellulaire. Cela signifie qu'il existe des espaces de réaction séparés dans la mitochondrie. Ceci est réalisé par une membrane interne et externe, de sorte qu'il y ait un espace intermembranaire et un espace interne de matrice.

Au cours de la chaîne respiratoire, les protons (ions hydrogène, H +) sont transportés dans l'espace intermembranaire, de sorte qu'une différence de concentration en protons se produit. Ces protons proviennent de divers équivalents de réduction, tels que NADH + H + et FADH2, qui sont ainsi régénérés en NAD + et FAD.

L'ATP synthase est la dernière enzyme de la chaîne respiratoire, où l'ATP est finalement produit. Poussés par la différence de concentration, les protons s'écoulent de l'espace intermembranaire à travers l'ATP synthase dans l'espace matriciel. Ce flux de charge positive libère de l'énergie qui est utilisée pour produire de l'ATP à partir d'ADP (adénosine diphosphate) et de phosphate. Les mitochondries sont particulièrement adaptées à la chaîne respiratoire, car elles ont deux espaces de réaction dus à la double membrane. De plus, de nombreuses voies métaboliques (glycolyse, cycle de l'acide citrique), qui fournissent les matières premières (NADH + H +, FADH2) pour la chaîne respiratoire, ont lieu dans la mitochondrie. Cette proximité spatiale est un autre avantage et fait des mitochondries le lieu idéal pour la respiration cellulaire.

Ici vous pouvez tout savoir sur le thème de la chaîne respiratoire

Bilan énergétique

Le bilan énergétique de la respiration cellulaire dans le cas du glucose peut se résumer comme suit, avec la formation de 32 molécules d'ATP par glucose:

C6H12O6 + 6 O2 devient 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Par souci de clarté, l'ADP et le résidu phosphate Pi ont été omis des éduits)

Dans des conditions anaérobies, c'est-à-dire en cas de manque d'oxygène, le cycle de l'acide citrique ne peut pas fonctionner et l'énergie ne peut être obtenue que par glycolyse aérobie:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP deviennent 2 lactate + 2 ATP. + 2 H2O. Ainsi, seulement environ 6% de la proportion est obtenue par molécule de glucose, comme ce serait le cas avec la glycolyse aérobie.

Maladies liées à la respiration cellulaire

le La respiration cellulaire est essentielle à la survie, c'est-à-dire que de nombreuses mutations dans les gènes qui codent pour les protéines de la respiration cellulaire, par exemple les enzymes de glycolyse, sont mortelles (fatal) sont. Cependant, des maladies génétiques de la respiration cellulaire se produisent. Ceux-ci peuvent provenir de l'ADN nucléaire ainsi que de l'ADN mitochondrial. Les mitochondries elles-mêmes contiennent leur propre matériel génétique, nécessaire à la respiration cellulaire. Cependant, ces maladies présentent des symptômes similaires, car elles ont toutes un point commun: elles interviennent dans la respiration cellulaire et la perturbent.

Les maladies respiratoires cellulaires présentent souvent des symptômes cliniques similaires. C'est particulièrement important ici Troubles des tissus, qui a besoin de beaucoup d'énergie. Ceux-ci comprennent en particulier les cellules nerveuses, musculaires, cardiaques, rénales et hépatiques. Des symptômes tels qu'une faiblesse musculaire ou des signes de lésions cérébrales apparaissent souvent même à un jeune âge, sinon au moment de la naissance. Parle aussi un prononcé Acidose lactique (Une suracidification du corps avec du lactate, qui s'accumule car le pyruvate ne peut pas être suffisamment dégradé dans le cycle de l'acide citrique). Les organes internes peuvent également mal fonctionner.

Le diagnostic et le traitement des maladies de la respiration cellulaire doivent être pris en charge par des spécialistes, car le tableau clinique peut s'avérer très diversifié et différent. À partir d'aujourd'hui, il est toujours pas de thérapie causale et curative donne. Les maladies ne peuvent être traitées que de manière symptomatique.

Étant donné que l'ADN mitochondrial est transmis de la mère aux enfants de manière très compliquée, les femmes qui souffrent d'une maladie de la respiration cellulaire doivent contacter un spécialiste si elles veulent avoir des enfants, car elles seules peuvent estimer la probabilité d'hérédité.