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).
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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.
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