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La respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation sont les méthodes permettant aux cellules vivantes de produire de l'énergie à partir de sources alimentaires. Alors que tous les organismes vivants effectuent un ou plusieurs de ces processus de production d'énergie, seul un groupe sélectionné d'organismes est capable de produire de la nourriture par photosynthèse à partir de la lumière du soleil. Cependant, même dans ces organismes, la nourriture produite est convertie en énergie cellulaire, par la respiration cellulaire. Une caractéristique distinctive de la respiration aérobie via les voies de fermentation est la condition préalable à l'oxygène et à un rendement énergétique beaucoup plus élevé par molécule de glucose. La fermentation et la respiration anaérobie partagent l'absence d'oxygène, mais la respiration anaérobie utilise une chaîne de transport d'électrons pour la production d'énergie, tout comme la respiration aérobie, tandis que la fermentation fournit simplement les molécules nécessaires à la glycolyse continue, sans aucune production d'énergie. Additionnel.
Glycolyse
La glycolyse est une voie universelle initiée dans le cytoplasme des cellules pour décomposer le glucose en énergie chimique. L'énergie libérée par chaque molécule de glucose est utilisée pour connecter un phosphate à chacune des quatre molécules d'adénosine diphosphate (ADP) pour produire deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP) et une molécule supplémentaire de NADH. L'énergie stockée dans la liaison phosphate est utilisée dans d'autres réactions cellulaires et est souvent considérée comme l'énergie «monétaire» de la cellule. Cependant, comme la glycolyse nécessite l'apport d'énergie à partir de deux molécules d'ATP, le rendement net de la glycolyse n'est que de deux molécules d'ATP par molécule de glucose. Le glucose lui-même est décomposé lors de la glycolyse, devenant du pyruvate. D'autres sources de carburant, telles que les graisses, sont métabolisées par d'autres processus, par exemple, l'acide gras en spirale, dans le cas des acides gras, pour produire des molécules de carburant qui peuvent pénétrer dans les voies respiratoires à divers points pendant la respiration.
Respiration aérobie
La respiration aérobie se produit en présence d'oxygène et produit la plupart de l'énergie pour les organismes qui effectuent ce processus. Dans ce processus, le pyruvate produit pendant la glycolyse est converti en acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA) avant d'entrer dans le cycle de l'acide citrique, également connu sous le nom de cycle de Krebs. L'acétyl-CoA est combiné avec l'oxalacétate pour produire de l'acide citrique au début du cycle de l'acide citrique. La série suivante convertit l'acide citrique en oxalacétate et produit de l'énergie de transport pour les molécules appelées NADH et FADH2. Ces molécules d'énergie sont détournées vers la chaîne de transport d'électrons, ou phosphorylation oxydative, où elles produisent la plupart de l'ATP produit pendant la respiration cellulaire aérobie. Le dioxyde de carbone est produit comme déchet pendant le cycle de Krebs, tandis que l'oxalacétate produit par un cycle du cycle de Krebs est combiné avec un autre acétyl-CoA pour redémarrer le processus. Dans les organismes eucaryotes, tels que les plantes et les animaux, le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons se produisent dans une structure spécialisée appelée mitochondries tandis que les bactéries capables de respiration aérobie conduisent ces processus le long de la membrane plasmique, car elles n'ont pas le organites spécialisés trouvés dans les cellules eucaryotes. Chaque tour du cycle de Krebs est capable de produire une molécule de guanine triphosphate (GTP), qui est facilement convertie en ATP, et 17 molécules supplémentaires d'ATP à travers la chaîne de transport d'électrons. Puisque la glycolyse produit deux molécules de pyruvate à utiliser dans le cycle de Krebs, le rendement total pour la respiration aérobie est de 36 ATP par molécule de glucose, en plus des deux ATP produits pendant la glycolyse. L'accepteur terminal des électrons au cours de la chaîne de transport d'électrons est l'oxygène.
Fermentation
À ne pas confondre avec la respiration anaérobie, la fermentation se produit en l'absence d'oxygène dans le cytoplasme des cellules et transforme le pyruvate en un déchet, produisant de l'énergie pour charger les molécules nécessaires à la poursuite de la glycolyse. Puisque l'énergie n'est produite que pendant la fermentation par glycolyse, le rendement total par molécule de glucose est de deux ATP. Bien que la production d'énergie soit nettement inférieure à la respiration aérobie, la fermentation permet à la conversion du carburant en énergie de se poursuivre en l'absence d'oxygène. Des exemples de fermentation comprennent la fermentation de l'acide lactique, chez l'homme et d'autres animaux, et la fermentation de l'éthanol par la levure. Les déchets sont recyclés lorsque l'organisme entre à nouveau dans un état aérobie ou est retiré de l'organisme.
Respiration anaérobie
Trouvé chez certains procaryotes, la respiration anaérobie utilise une chaîne de transport d'électrons tout comme la respiration aérobie, mais au lieu d'utiliser l'oxygène comme accepteur d'électrons terminal, d'autres éléments sont utilisés. Ces récepteurs alternatifs comprennent le nitrate, le sulfate, le soufre, le dioxyde de carbone et d'autres molécules. Ces processus contribuent grandement au cycle des nutriments dans les sols et permettent à ces organismes de coloniser des zones inhabitables par d'autres organismes. Ces organismes peuvent être des anaérobies obligatoires, capables de réaliser ces processus uniquement en l'absence d'oxygène, ou des anaérobies facultatifs, capables de produire de l'énergie en présence ou en l'absence d'oxygène. La respiration anaérobie produit moins d'énergie que la respiration aérobie, car ces accepteurs d'électrons alternatifs ne sont pas aussi efficaces que l'oxygène.
Photosynthèse
Contrairement aux différentes voies de respiration cellulaire, la photosynthèse est utilisée par les plantes, les algues et certaines bactéries pour produire la nourriture nécessaire au métabolisme. Chez les plantes, la photosynthèse se produit dans des structures spécialisées appelées chloroplastes, tandis que les bactéries photosynthétiques effectuent généralement la photosynthèse le long des extensions membranaires de la membrane plasmique. La photosynthèse peut être divisée en deux étapes: les réactions dépendant de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière. Au cours des réactions dépendant de la lumière, l'énergie lumineuse est utilisée pour dynamiser les électrons retirés de l'eau et produire un gradient de protons, qui à leur tour produisent des molécules à haute énergie qui alimentent des réactions lumineuses indépendantes. Lorsque les électrons sont extraits des molécules d'eau, ils sont décomposés en oxygène et en protons. Les protons contribuent au gradient de protons, mais de l'oxygène est libéré. Lors de réactions lumineuses indépendantes, l'énergie produite lors des réactions lumineuses est utilisée pour produire des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone par le biais d'un processus appelé cycle de Calvin. Le cycle Calvin produit une molécule de sucre pour six molécules de dioxyde de carbone. Combinée aux molécules d'eau utilisées dans les réactions dépendant de la lumière, la formule générale de la photosynthèse est 6 H2O + 6 CO2 + lumière -> C6H12O6 + 6 O2.