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Une introduction aux types de respiration

Une introduction aux types de respiration

Respiration est le processus par lequel les organismes échangent des gaz entre leurs cellules corporelles et l'environnement. Des bactéries procaryotes aux archéens en passant par les protistes eucaryotes, les champignons, les plantes et les animaux, tous les organismes vivants subissent une respiration. La respiration peut faire référence à l’un des trois éléments du processus.

Première, la respiration peut faire référence à la respiration externe ou au processus de respiration (inhalation et expiration), également appelé ventilation. Deuxièmement, la respiration peut désigner la respiration interne, qui est la diffusion des gaz entre les fluides corporels (sang et liquide interstitiel) et les tissus. finalement, 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 on le voit 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

  • 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.
  • Respiration externe est le processus de respiration. Cela implique l'inhalation et l'exhalation de gaz.
  • Respiration interne implique l'échange de gaz entre le sang et les cellules du corps.
  • Respiration cellulaire implique la conversion de la nourriture en énergie. Respiration aérobie est une respiration cellulaire qui nécessite de l'oxygène tout en respiration anaérobie ne fait pas.

Types de respiration: externe et interne

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 dans 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 des 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 se diffuse à travers l'épithélium fin des 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 circulatoire des capillaires pulmonaires aux cellules et tissus de l'organisme. Tandis que l'oxygène est déposé dans les cellules, le dioxyde de carbone est capté et transporté des cellules des tissus aux poumons.

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. Afin d'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 par le processus de digestion où la nourriture est décomposée et les nutriments sont absorbés dans 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 (CO2), eau (H2O), 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 liquide interstitiel entourant les cellules. À partir de là, CO2 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

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

Respiration cellulaire aérobie se compose de trois étapes: glycolyse, cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs) et transport d'électrons avec phosphorylation oxydative.

  • Glycolyse se produit dans le cytoplasme et implique l’oxydation ou la scission 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 CO2, des protons et des électrons supplémentaires, et les molécules de haute énergie NADH et FADH2. 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 les protons d'hydrogène hors de la matrice et dans l'espace intermembranaire.
  • La chaîne de transport d'électrons est une série de complexes protéiques porteurs d'électrons dans la membrane interne de la mitochondrie. NADH et FADH2 générés dans le 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, 38 molécules d'ATP sont produites par les procaryotes 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

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 ni dans la chaîne de transport d'électrons sans oxygène, il peut toujours être utilisé pour générer un ATP supplémentaire par fermentation. Fermentation est un autre type de respiration cellulaire, un processus chimique permettant de décomposer les glucides en 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 à la fois la fermentation (lorsque l'oxygène est faible ou inexistant) 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, le NADH, le pyruvate et l'ATP sont produits par glycolyse. NADH est ensuite converti en sa forme à faible énergie NAD+tandis que le pyruvate est converti en lactate. NAD+ est recyclé dans la glycolyse pour générer plus de pyruvate et d’ATP. La fermentation de l'acide lactique est généralement effectuée par les cellules musculaires lorsque les niveaux d'oxygène s'épuisent. 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 flux sanguin aide à fournir de l'oxygène à et à éliminer l'acide lactique des cellules musculaires.

Fermentation Alcoolique

En fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol et en CO2. NAD+ est également généré lors de la conversion et est recyclé dans la glycolyse pour produire plus 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

Les bifidobactéries sont des bactéries anaérobies à Gram positif qui vivent dans le tractus gastro-intestinal. KATERYNA KON / Photothèque de sciences / Getty Images

Comment des extrémophiles, comme certaines bactéries et archaéens, survivent-ils 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 conduit à la production d'un certain nombre de 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.

Sources

  • "Comment fonctionnent les poumons." Institut national du poumon et du sang du coeurDépartement américain de la santé et des services sociaux ,.
  • Lodish, Harvey. "Transport d'électrons et phosphorylation oxydative." Rapports actuels sur la neurologie et les neurosciences, Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis, 1er janvier 1970,.
  • Oren, Aharon. "Respiration anaérobie." La revue canadienne de génie chimiqueWiley-Blackwell, 15 septembre 2009.