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RÉACTIONS MÉTABOLIQUES DE DÉGRADATION DE LA MATIÈRE ORGANIQUE DANS LA CELLULE VIVANTE

 RÉACTIONS D'OXYDORÉDUCTIONS

Réduction des transporteurs d'Hydrogène

Réduction du dioxygène 

Réaction globale de la glycolyse 

Réaction de formation de l'Acéthyl-CoA

Réaction globale de la matrice (dégradation complète du pyruvate)

R' = (NAD+ et FAD)

R'H2 = (NADH,H+ et FADH2)

Réaction de fermentation alcoolique 

CH3-CO-COOH + NADH,H+   

BILAN ÉNERGÉTIQUE ET RENDEMENET ENERGÉTIQUE

 Bilan énergétique : Correspond à la quantité d'énergie utilisable par la cellule sous forme de molécules énergétiques, à utilisation directe, 38 ATP ou 36 ATP dans le cas d'une respiration cellulaire et 2 ATP dans le cas d'une fermentation. 

Chaque molécule d'ATP emmagasine une quantité d'énergie, de l'ordre de 30,5 KJ, qui sera libérée lors de son hydrolyse.

ATP + H2O  ➡ ADP + Pi + E (30,5 KJ)

Rendement énergétique (R) : Correspond au pourcentage de l'énergie utilisable par la cellule lors de la dégradation d'une mole de glucose. Il est calculé selon la formule suivante : 

R = E' / E x 100

Dans le cas de la respiration cellulaire le rendement est :

E' : quantité d'énergie utilisable = 38 x 30,5 KJ = 1159  KJ

E : quantité d'énergie globale contenue dans une mole de glucose

Dans le cas d'une fermentation le rendement est de :

Grace à la dégradation complète du glucose, le rendement énergétique de la respiration cellulaire est bien supérieur à celui de la fermentation. 

CHAINE RESPIRATOIRE ET PHOSPHORYLATION OXYDATIVE

 La chaine respiratoire : correspond à un ensemble de protéines, de la membrane mitochondriale interne, jouant les rôles d'enzymes intervenant dans les réactions d'oxydo-réduction tout en assurant le transfert des  électrons et la conduction de protons H+  à l'origine  du gradient H+.

Gradient de protons H+ : C'est une différence de concentration des protons H+ de part et d'autre de la membrane mitochondriale interne, élevée dans l'espace inter-membranaire et faible dans la matrice. Ce gradient électrochimique est créé suite au transfert des électrons le long de la chaine respiratoire.

Du fait que la membrane interne est imperméable aux protons H+, le transport de ces derniers est unidirectionnelle, de la matrice vers l'espace intermembranaire. 

Le transfert des électrons : il se fait selon un gradient croissant du potentiel rédox, du potentiel rédox le plus faible vers le potentiel rédox le plus élevé qui est celui du dioxygène, accepteur final.

La phosphorylation oxydative : est un processus biologique qui permet, sous l'intervention du sphère pédonculée, la fixation d'un groupement phosphate sur l'ADP qui se transforme en ATP. La sphère pédonculée joue un rôle d'ATP synthase, enzyme dont l'activation est associée à l'énergie du gradient H+ qui assure le retour des protons H+ à la matrice. 

DÉGRADATION DE LA MATIÈRE ORGANIQUE ET FLUX D'ÉNERGIE

La cellule, plus petite unité d'un être vivant, a besoin d'énergie pour assurer ses fonctions vitales. Pour se procurer cette énergie, la cellule dégrade la matière organique, source énergétique, et extrait une énergie, directement utilisable, sous forme de molécules d'ATP (Adénosine triphosphate). 

La cellule vivante utilise deux voies différentes de dégradation de la matière organique : 

• une voie aérobie ou respiration cellulaire : ensemble de réactions biochimiques nécessitant la présence du dioxygene et qui permet une dégradation totale de la matière organique avec libération du CO2 et H2O. La dégradation totale d'une molécule de glucose permet à la cellule d'obtenir entre 36 et 38 molécules d'ATP. 
• une voie anaérobie ou fermentation : ensemble de réactions biochimiques ne nécessitant pas la présence du dioxygene et qui permet une dégradation partielle de la matière organique. Cette voie permet à la cellule, suite à la dégradation d'une molécule de glucose, d'obtenir seulement 2 ATP. 

La glycolyse : C'est la première étape de dégradation du glucose qui se déroule dans l'hyaloplasme (ou cytosol). C'est une étape commune à la respiration cellulaire et à la fermentation.  Le glucose se transforme en deux molécules d'acide pyruvique (pyruvate).     

                                                         

                                                               Schéma simplifié de la glycolyse 

La réaction globale de la glycolyse

C6H12O6  +  2NAD+  +2ADP + 2 Pi     →  2CH3COCOOH  +  2 NADH,H+ + 2 ATP 

Glucose                                                                      Pyruvate

La suite des réactions de dégradation du pyruvate se déroule dans la mitochondrie pour la respiration cellulaire alors qu'elle continue dans l'hyaloplasme pour la fermentation. 

La respiration cellulaire : Est une étape de dégradation complète du pyruvate à l'intérieur de la mitochondrie (organite ultramicroscopique de la cellule) sous l'action d'enzymes spécifiques.

La dégradation du pyruvate dans la matrice mitochondriale se fait grâce a l'intervention des enzymes décarboxylases et déhydrogenases. le pyruvate est d'abord transformé en acethyl-CoA suite à une décarboxylation et une déhydrogénation. l'acethyl-CoA entre dans un cycle de réactions appelé cycle de Krebs au cours duquel la décarboxylation et la déhydrogénation sont couplées à la réduction des transporteurs NAD+ en NADH,H+ et FAD en FADH2. 

Les enzymes décarboxylases enlèvent le carbone, de la matière organique, qui sera dégagé

 sous forme de CO2 alors que les enzymes déhydogénases enlèvent l'hydrogène qui sera libéré sous forme d'H2O, suite aux réactions d'oxydoréductions de la chaine respiratoire.

La chaine respiratoire et la phosphorylation oxydative : 

La chaine respiratoire : est un ensemble de protéines de la membrane mitchondriale interne, qui jouent le rôle d'enzymes spécifiques dans les réactions d'oxydoréductions, entrainant l'oxydation des transporteurs réduits (R'H2 = NADH,H+ et FADH2) etla réduction du dioxygène en H2O. 

La phosphorylation oxydative : Il s'agit ici de l'étape finale de la respiration cellulaire. Elle correspond à un processus biologique, qui dépend de l'activité d'une protéine spécifique, de la membrane mitochondriale interne, nommée ATP synthase. Celle-ci utilise l'énergie du transfert des électrons, résultant de l'oxydation des transporteurs R'H2 et du gradient H+, pour assurer la phosphorylation de l'ADP en ATP. 

Lors de la phosphorylation oxydative :

- chaque transporteur NDH,H+ oxydé permet la phosphorylation de 3 ADP en 3 ATP

- chaque transporteur FADH2  oxydé permet la phosphorylation de 2 ADP en 2 ATP

Bilan énergétique de la respiration cellulaire : Correspond au nombre total de molécules d'ATP produites lors des réactions de dégradation de la matière organique. Ainsi la dégradation complète d'une molécule de glucose permet la production : 

- lors de l'étape de la glycolyse de 2 ATP 

- lors des réactions de dégradation dans la matrice de 2 ATP

- lors de la phosphorylation oxydative dans la membrane interne de 34 ATP ou 32 ATP

  Le bilan total = 36 ATP ou 38 ATP. 

La réaction globale de la respiration cellulaire : 

C6H12O6  +  6O2     →    6CO2    +    6H2O  +  Energie (38ATP + Q)

Glucose           Dioxygène        Dioxyde de carbone           Eau

La fermentation : Est l'étape de dégradation partielle du pyruvate à l'intérieur du cytosol, il s'agit d'un ensemble de réactions anaérobies, ne demandant pas une consommation d'O2, catalysées par des enzymes spécifiques du cytosol. 

Dans le cas d'une fermentation alcoolique le pyruvate est transformé en alcool (éthanol) et dans le cas d'une fermentation lactique il est transformé en acide lactique. Mais dans les deux cas, les produits de la dégradation emmagasinent encore une partie de l'énergie et le bilan énergétique de la dégradation partielle d'une molécule de glucose est de 2 ATP. 

La réaction globale de la fermentation alcoolique

C6H12O6  →      2CO2    +    CH3-CH2-OH  +  Energie (2 ATP + Q)

Glucose                     Dioxyde de carbone             Ethanol

La réaction globale de la fermentation lactique

C6H12O6  +      →    2 CH3-CHOH-COOH   +   Energie (2 ATP + Q)

Glucose                                                 Acide lactique           

Le rendement énergétique : Correspond au % de l'énergie utilisée par la cellule lors de la dégradation d'une mole de glucose. Il est calculé selon la formule suivante : 

R = (énergie du bilan énergétique) / (énergie totale d'une mole de glucose) x 100

Dans le cas de la respiration cellulaire le rendement est : 

Dans le cas de la fermentation le rendement est : 

Le rendement énergétique de la respiration cellulaire est bien supérieur à celui de la fermentation.

Définition de la respiration cellulaire et fermentation

 La respiration cellulaire : est un processus biologique de dégradation totale de la matière organique dans la cellule vivante en utilisant le dioxygène du milieu. Elle permet à la cellule de se procurer de l'énergie sous forme de molécules d'ATP. Les réactions aérobies de ce processus se déroulent à l'intérieur de la mitochondrie, organite ultramicroscopique de la cellule animale et végétale, bordée de deux membranes interne et externe. Les produits de la dégradation (CO2 et H2O) sont de nature minérale sans valeur énergétique. Le rendement énergétique de la respiration cellulaire est très élevée.