3 types de respiration (introduction aux types de respiration)

3 types de respiration (introduction aux types de respiration)

3 types de respirationLa respiration est le processus par lequel les organismes échangent des gaz entre leurs cellules corporelles et l'environnement. De bactéries procaryotes et archaeans à eucaryotes protistes , les champignons , les plantes et les animaux , tous les organismes vivants subissent la respiration. La respiration peut faire référence à l’un des trois éléments du processus.
Premièrement , la respiration peut faire référence à la respiration externe ou au processus de respiration (inhalation et expiration), également appelé ventilation. Deuxièmement , la respiration peut faire référence à la respiration interne, qui est la diffusion des gaz entre les fluides corporels ( sang et liquide interstitiel) et les tissus. Enfin , la respiration peut faire référence aux processus métaboliques de conversion de l’énergie stockée dans les molécules biologiques en énergie utilisable sous forme d’ATP. Ce processus peut impliquer la consommation d'oxygène et la production de dioxyde de carbone, comme observé dans la respiration cellulaire aérobie , ou peut ne pas impliquer la consommation d'oxygène, comme dans le cas de la respiration anaérobie.

Points à retenir: Types de respiration

  • La respiration est le processus d'échange de gaz entre l'air et les cellules d'un organisme.
  • Trois types de respiration incluent la respiration interne, externe et cellulaire.
  • La respiration externe est le processus de respiration. Cela implique l'inhalation et l'exhalation de gaz.
  • La respiration interne implique un échange de gaz entre le sang et les cellules du corps. 
  • La respiration cellulaire implique la conversion de la nourriture en énergie. La respiration aérobie nécessite de l'oxygène, contrairement à la respiration anaérobie .

Types de respiration: externe et interne

Diagramme de respiration
 Lors de l'inhalation, le diaphragme se contracte et les poumons se dilatent, poussant la poitrine vers le haut. Lorsque vous expirez, le diaphragme se détend et les poumons se contractent, faisant redescendre la poitrine.
 wetcake / Vecteurs DigitalVision / Getty Images

Respiration externe

Une méthode permettant d'obtenir l'oxygène de l'environnement consiste à utiliser la respiration externe ou la respiration. Chez les organismes animaux, le processus de respiration externe est effectué de différentes manières. Les animaux dépourvus d' organes spécialisés pour la respiration dépendent de la diffusion à travers les tissus externes pour obtenir de l'oxygène. D'autres ont soit des organes spécialisés dans les échanges gazeux, soit un système respiratoire complet . Dans les organismes tels que les nématodes (vers ronds), les gaz et les nutriments sont échangés avec l'environnement extérieur par diffusion à la surface du corps de l'animal. Les insectes et les araignées ont des organes respiratoires appelés trachées, tandis que les poissons ont des branchies pour les échanges gazeux.
Les humains et les autres mammifères ont un système respiratoire avec des organes respiratoires spécialisés ( poumons ) et des tissus. Dans le corps humain, l'oxygène est aspiré dans les poumons par inhalation et le dioxyde de carbone est expulsé des poumons par exhalation. La respiration externe chez les mammifères englobe les processus mécaniques liés à la respiration. Cela comprend la contraction et la relaxation du diaphragme et des muscles accessoires , ainsi que le rythme respiratoire.

Respiration interne

Les processus respiratoires externes expliquent comment l'oxygène est obtenu, mais comment l'oxygène parvient-il aux cellules du corps ? La respiration interne implique le transport de gaz entre le sang et les tissus corporels. L'oxygène dans les poumons sediffuse à travers l' épithélium mince d'alvéoles pulmonaires (sacs aériens) dans les capillaires environnants contenant du sang appauvri en oxygène. Dans le même temps, le dioxyde de carbone diffuse dans le sens opposé (du sang aux alvéoles pulmonaires) et est expulsé. Le sang riche en oxygène est transporté par le système circulatoiredes capillaires pulmonaires aux cellules et tissus de l'organisme. Tandis que l'oxygène est rejeté au niveau des cellules, le dioxyde de carbone est capté et transporté des cellules des tissus aux poumons.

Respiration cellulaire

Respiration cellulaire
 Les trois processus de production d'ATP ou de respiration cellulaire comprennent la glycolyse, le cycle de l'acide tricarboxylique et la phosphorylation par oxydation. Crédit: Encyclopédie Britannica / UIG / Getty Images
L'oxygène provenant de la respiration interne est utilisé par les cellules dans la respiration cellulaire . Pour accéder à l'énergie stockée dans les aliments que nous mangeons, les molécules biologiques composant les aliments ( glucides , protéines , etc.) doivent être décomposées en des formes utilisables par l'organisme. Ceci est accompli au cours du processus de digestion, au cours duquel la nourriture est décomposée et les nutriments absorbés par le sang. À mesure que le sang circule dans tout le corps, les nutriments sont transportés vers les cellules du corps. Dans la respiration cellulaire, le glucose issu de la digestion est scindé en ses éléments constitutifs pour la production d'énergie. En une série d’étapes, le glucose et l’oxygène sont convertis en dioxyde de carbone (CO 2), l’eau (H 2 O) et l’adénosine triphosphate (ATP), une molécule à haute énergie. Le dioxyde de carbone et l'eau formés au cours du processus se diffusent dans le fluide interstitiel entourant les cellules. De là, le CO 2 se diffuse dans le plasma sanguin et les globules rouges . L'ATP généré au cours du processus fournit l'énergie nécessaire à l'exécution de fonctions cellulaires normales, telles que la synthèse de macromolécules, la contraction musculaire, le mouvement des cils et des flagelles et la division cellulaire .

Respiration aérobie

Respiration cellulaire aérobie
 Ceci est un diagramme de la respiration cellulaire aérobie comprenant la glycolyse, le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique) et la chaîne de transport d'électrons. RegisFrey / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
La respiration cellulaire aérobie comprend trois étapes: la glycolyse , le cycle de l'acide citrique ( cycle de Krebs) et le transport des électrons avec phosphorylation oxydative.
  • La glycolyse se produit dans le cytoplasme et implique l’oxydation ou le fractionnement du glucose en pyruvate. Deux molécules d'ATP et deux molécules du NADH à haute énergie sont également produites lors de la glycolyse. En présence d'oxygène, le pyruvate pénètre dans la matrice interne des mitochondries cellulaires et subit une oxydation supplémentaire dans le cycle de Krebs.
  • Cycle de Krebs : Deux molécules supplémentaires d'ATP sont produites dans ce cycle avec le CO 2 , des protons et des électrons supplémentaires, ainsi que les molécules de haute énergie NADH et FADH 2 . Les électrons générés dans le cycle de Krebs se déplacent à travers les plis de la membrane interne (crêtes) qui séparent la matrice mitochondriale (compartiment interne) de l'espace intermembranaire (compartiment externe). Cela crée un gradient électrique qui aide la chaîne de transport d'électrons à pomper des protons d'hydrogène hors de la matrice et dans l'espace intermembranaire.
  • La chaîne de transport d'électrons est une série de complexes de protéines porteuses d'électrons au sein de la membrane interne de la mitochondrie. NADH et FADH 2 générés au cours du cycle de Krebs transfèrent leur énergie dans la chaîne de transport d'électrons pour transporter des protons et des électrons dans l'espace intermembranaire. La concentration élevée de protons d'hydrogène dans l'espace intermembranaire est utilisée par le complexe protéique ATP synthase pour ramener les protons dans la matrice. Cela fournit l'énergie nécessaire à la phosphorylation de l'ADP en ATP. Le transport d'électrons et la phosphorylation par oxydation expliquent la formation de 34 molécules d'ATP.
Au total, les procaryotes produisent 38 molécules d'ATP lors de l'oxydation d'une seule molécule de glucose. Ce nombre est réduit à 36 molécules d'ATP chez les eucaryotes, deux ATP étant consommés lors du transfert de NADH vers les mitochondries.

Fermentation

Fermentation
 Processus de fermentation alcoolique et lactate. Vtvu / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
La respiration aérobie ne se produit qu'en présence d'oxygène. Lorsque l'apport en oxygène est faible, seule une petite quantité d'ATP peut être générée dans le cytoplasme cellulaire par glycolyse. Bien que le pyruvate ne puisse entrer dans le cycle de Krebs ou la chaîne de transport d'électrons sans oxygène, il peut toujours être utilisé pour générer un ATP supplémentaire par fermentation. La fermentation est un processus chimique pour la décomposition des glucidesen composés plus petits pour la production d'ATP. Par rapport à la respiration aérobie, seule une petite quantité d'ATP est produite lors de la fermentation. En effet, le glucose n’est que partiellement décomposé. Certains organismes sont des anaérobies facultatifs et peuvent utiliser la fermentation (lorsque l'oxygène est faible ou non disponible) et la respiration aérobie (lorsque l'oxygène est disponible). Les deux types de fermentation les plus courants sont la fermentation à l'acide lactique et la fermentation alcoolique (à l'éthanol). La glycolyse est la première étape de chaque processus.
Fermentation de l'acide lactique
Dans la fermentation de l'acide lactique, la NADH, le pyruvate et l'ATP sont produits par glycolyse. Le NADH est ensuite converti en sa forme à faible énergie NAD + , tandis que le pyruvate est converti en lactate. Le NAD + est recyclé dans la glycolyse pour générer plus de pyruvate et d'ATP. La fermentation de l'acide lactique est généralement effectuée par le musclecellules lorsque les niveaux d'oxygène sont épuisés. Le lactate est converti en acide lactique qui peut s'accumuler à des niveaux élevés dans les cellules musculaires pendant l'exercice. L'acide lactique augmente l'acidité musculaire et provoque une sensation de brûlure qui se produit lors d'efforts extrêmes. Une fois que les niveaux normaux d’oxygène sont rétablis, le pyruvate peut entrer dans la respiration aérobie et beaucoup plus d’énergie peut être générée pour favoriser la récupération. L'augmentation du débit sanguin aide à acheminer l'oxygène vers les cellules musculaires et à en éliminer l'acide lactique.
Fermentation Alcoolique
Dans la fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol et en CO 2 . Le NAD + est également généré lors de la conversion et est recyclé en glycolyse pour produire davantage de molécules d'ATP. La fermentation alcoolique est effectuée par les plantes , la levure et certaines espèces de bactéries. Ce procédé est utilisé dans la production de boissons alcoolisées, de carburant et de produits de boulangerie.

Respiration anaérobie

Bifidobacterium
 Les bifidobactéries sont des bactéries anaérobies à Gram positif vivant dans le tractus gastro-intestinal. KATERYNA KON / Photothèque de sciences / Getty Images
Comment les extrémophiles aiment-ils certaines bactéries et certains archaéens?survivre dans des environnements sans oxygène? La réponse est par la respiration anaérobie. Ce type de respiration se produit sans oxygène et implique la consommation d'une autre molécule (nitrate, soufre, fer, dioxyde de carbone, etc.) au lieu d'oxygène. Contrairement à la fermentation, la respiration anaérobie implique la formation d'un gradient électrochimique par un système de transport d'électrons, ce qui entraîne la production de plusieurs molécules d'ATP. Contrairement à la respiration aérobie, le récepteur d'électrons final est une molécule autre que l'oxygène. De nombreux organismes anaérobies sont des anaérobies obligatoires; ils n'effectuent pas de phosphorylation oxydative et meurent en présence d'oxygène. D'autres sont des anaérobies facultatifs et peuvent également effectuer une respiration aérobie lorsque de l'oxygène est disponible.

Chaîne de transport d'électrons et production d'énergie expliquées

Chaîne de transport d'électrons et production d'énergie expliquéesEn biologie cellulaire, la chaîne de transport d'électrons est l'une des étapes des processus de votre cellule qui produisent de l'énergie à partir des aliments que vous mangez. 
C'est la troisième étape de la respiration cellulaire aérobie . La respiration cellulaire est le terme utilisé pour décrire comment les cellules de votre corps produisent de l'énergie à partir de la nourriture consommée. La chaîne de transport d'électrons est l'endroit où la plupart des cellules énergétiques sont générées. Cette "chaîne" est en fait une série de complexes protéiques et de molécules porteuses d'électrons au sein de la membrane interne des mitochondries cellulaires , également appelée centrale de la cellule.
L'oxygène est nécessaire à  la respiration aérobie  car la chaîne se termine par le don d'électrons à l'oxygène. 

Comment l'énergie est faite

Lorsque les électrons se déplacent le long d'une chaîne, le mouvement ou l'impulsion sert à créer de l'  adénosine triphosphate (ATP) . L'ATP est la principale source d'énergie pour de nombreux processus cellulaires, notamment la contraction musculaire et la division cellulaire .
L'énergie est libérée pendant le métabolisme cellulaire lorsque l'hydrate de triphosphate d'adénosine est hydrolysé. Cela se produit lorsque des électrons passent d'un complexe protéique à un autre le long de la chaîne, jusqu'à ce qu'ils soient donnés à de l'eau formant de l'oxygène. L'ATP se décompose chimiquement en adénosine diphosphate (ADP) en réagissant avec de l'eau. ADP est à son tour utilisé pour synthétiser l'ATP.
Plus en détail, lorsque des électrons passent d’une chaîne de protéines à une autre, l’énergie est libérée et les ions hydrogène (H +) sont pompés hors de la matrice mitochondriale (compartiment situé dans la membrane interne  ) et dans membranes interne et externe). Toute cette activité crée à la fois un gradient chimique (différence de concentration de la solution) et un gradient électrique (différence de charge) à travers la membrane interne. À mesure que davantage d'ions H + sont pompés dans l'espace intermembranaire, la concentration plus élevée d'atomes d'hydrogène s'accumule et retourne à la matrice, alimentant simultanément la production d'ATP ou d'ATP synthase.
L'ATP synthase utilise l'énergie générée par le mouvement des ions H + dans la matrice pour la conversion de l'ADP en ATP. Ce processus d'oxydation de molécules afin de générer de l'énergie pour la production d'ATP est appelé phosphorylation oxydative.

Les premières étapes de la respiration cellulaire

La première étape de la respiration cellulaire est la glycolyse . La glycolyse se produit dans le cytoplasme et implique la scission d'une molécule de glucose en deux molécules du composé chimique pyruvate. Au total, deux molécules d'ATP et deux molécules de NADH (molécule porteuse d'électrons à haute énergie) sont générées.
La deuxième étape, appelée cycle de l'acide citrique ou cycle de Krebs, consiste à transporter le pyruvate à travers les membranes mitochondriales externe et interne dans la matrice mitochondriale. Le pyruvate est ensuite oxydé dans le cycle de Krebs produire deux molécules d'ATP, ainsi que NADH et FADH 2 molécules. Les électrons de NADH et de FADH 2 sont transférés à la troisième étape de la respiration cellulaire, la chaîne de transport d'électrons.

Complexes de protéines dans la chaîne

Il existe quatre complexes protéiques  faisant partie de la chaîne de transport d'électrons qui permettent de faire passer des électrons dans la chaîne. Un cinquième complexe protéique sert à transporter les ions hydrogène dans la matrice. Ces complexes sont intégrés à la membrane mitochondriale interne. 

Complexe I

NADH transfère deux électrons au complexe I, ce qui entraîne le pompage de quatre ions H + à travers la membrane interne. Le NADH est oxydé en NAD + , qui est recyclé dans le cycle de Krebs . Les électrons sont transférés du complexe I vers une molécule porteuse, l'ubiquinone (Q), qui est réduite à l'ubiquinol (QH2). Ubiquinol porte les électrons au complexe III.

Complexe II

FADH 2 transfère les électrons au complexe II et les électrons sont transmis à l'ubiquinone (Q). Q est réduit à l'ubiquinol (QH2), qui transporte les électrons jusqu'au complexe III. Dans ce processus, aucun ion H + n'est transporté dans l'espace intermembranaire.

Complexe III

Le passage des électrons au complexe III entraîne le transport de quatre autres ions H + à travers la membrane interne. QH2 est oxydé et les électrons sont transmis à un autre cytochrome C, une protéine porteuse d’électrons.

Complexe IV

Le cytochrome C transmet les électrons au complexe protéique final de la chaîne, le complexe IV. Deux ions H + sont pompés à travers la membrane interne. Les électrons passent ensuite du complexe IV à une molécule d' oxygène (O 2 ), provoquant la scission de la molécule. Les atomes d'oxygène obtenus capturent rapidement les ions H + pour former deux molécules d'eau.

ATP Synthase

L'ATP synthase ramène dans la matrice les ions H + pompés hors de la matrice par la chaîne de transport d'électrons. L'énergie provenant de l'afflux de protons dans la matrice est utilisée pour générer de l'ATP par phosphorylation (addition d'un phosphate) de l'ADP. Le mouvement des ions à travers la membrane mitochondriale sélectivement perméable et le long de leur gradient électrochimique est appelé chimiosmose.
NADH génère plus d'ATP que FADH 2 . Pour chaque molécule de NADH oxydée, 10 ions H + sont pompés dans l'espace intermembranaire. Cela donne environ trois molécules d'ATP. Comme FADH 2 entre dans la chaîne à un stade ultérieur (complexe II), seuls six ions H + sont transférés dans l'espace intermembranaire. Cela représente environ deux molécules d'ATP. Au total, 32 molécules d’ATP sont générées lors du transport d’électrons et de la phosphorylation par oxydation.
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