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La production d'ATP augmente-t-elle avec la disponibilité de l'oxygène ?

La production d'ATP augmente-t-elle avec la disponibilité de l'oxygène ?


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Je ne suis pas biologiste donc pardonnez toute ignorance de ma part. Je travaille sur un projet d'évolution spéculative et je cherche à comprendre comment la pression partielle d'oxygène affecte la performance aérobie maximale du muscle. Ce document donne le maximum performance aérobie de 100 Watts par KG de muscle. Cette limite est déclarée être observée à la fois pour les insectes et les vertébrés volants et est à son tour utilisée pour calculer les capacités de vol aérobie de divers animaux. L'article mentionne également que le tissu musculaire squamate peut atteindre 450 W/kg en anaérobie.

J'ai utilisé les équations énumérées dans l'article lié pour calculer les limites de taille de la faune de mon monde spéculatif. Le seul problème est que cela suppose une puissance aérobie de 100 W/kg de muscle. Je crois comprendre que la respiration aérobie dans les cellules musculaires est entraînée par la production d'ATP et que la production d'ATP dépend d'un approvisionnement constant en oxygène. Il semble logique que la puissance aérobie maximale soit plus élevée s'il y a plus d'oxygène disponible.

Pour le contexte, l'atmosphère de ce monde spéculatif contient 13,5% O2 à une pression de 12 atm. Cela équivaut à un pression partielle d'oxygène de 1,62 - approximativement ~8x plus élevé que notre atmosphère actuelle. Dans ces conditions, il y a 8 fois la quantité d'oxygène disponible pour la respiration. Si la disponibilité d'oxygène est le seul facteur dans la production d'ATP (donc la puissance musculaire aérobie), cela signifie que la puissance aérobie produite serait nette 800W/kg de muscle (en supposant que la biologie de ces créatures est la même que celle des animaux connus). C'est presque le double de ce que les lézards peuvent produire anaérobie ce qui semble peu probable.

Ma question est de savoir comment la production d'ATP évoluerait avec l'oxygène disponible ? Je suppose qu'il arrive un moment où les mitochondries ne peuvent tout simplement plus traiter l'ATP plus rapidement, ce qui impliquerait une puissance de sortie aérobie maximale. J'ai lu que certains athlètes respirent de l'air comprimé pour réduire la fatigue. Est-ce que plus d'oxygène équivaut à plus de puissance ou cela signifie-t-il simplement que les cellules musculaires ne se fatigueraient pas aussi rapidement ? Si j'ai fait des erreurs dans mon raisonnement, merci de les corriger. Merci.


Les facteurs limitant la production d'ATP sont le taux de métabolisme du carburant (glucose, graisses, acides aminés, etc.) et son efficacité (molécules d'ATP par molécule de carburant).

Il est possible de produire de l'ATP avec zéro oxygène par la voie glycolytique ; si ce n'était pas vrai, il n'y aurait pas d'organismes anaérobies sur Terre (ce qui est clairement le cas). Les muscles peuvent également le faire pendant de courtes périodes, produisant de l'acide lactique. En fait, de nombreux chercheurs pensent que cette voie peut produire de l'ATP la plus rapide de toutes les voies de consommation de glucose, même si elle est la moins efficace. En d'autres termes, le nombre d'ATP par glucose est faible (seulement 2), mais le glucose « circule » à travers cette voie si rapidement qu'il est toujours généré plus rapidement que par la respiration, qui produit 30-32 ATP par glucose, mais peut traiter beaucoup moins de molécules de glucose par seconde. Le taux réel de génération d'ATP par les mitchondries n'est limité que par la concentration en O2, au sens de la cinétique chimique, en hypoxie, c'est-à-dire lorsqu'un tissu n'a pas un apport sanguin adéquat, comme dans certaines tumeurs.

Le principal effet de la disponibilité de l'oxygène est probablement la mise à l'échelle de la taille - si vous avez plus d'O2, vous pouvez le faire passer plus facilement à travers un corps plus grand. Ce n'est pas que les cellules musculaires elles-mêmes génèrent plus d'énergie, c'est que vous pouvez fournir plus de fibres musculaires qui sont plus éloignées des poumons/ouïes/autre. C'est pourquoi à l'époque carbonifère sur Terre, où il y avait beaucoup plus d'O2, de nombreux animaux (en particulier les invertébrés) étaient beaucoup plus gros qu'ils ne le sont aujourd'hui.


RESPIRATION CELLULAIRE

La respiration cellulaire est l'ensemble des réactions et processus métaboliques qui se déroulent dans les cellules des organismes pour convertir l'énergie biochimique des nutriments en adénosine triphosphate (ATP), puis libérer des déchets. Les réactions impliquées dans la respiration sont des réactions cataboliques, qui brisent les grosses molécules en plus petites, libérant de l'énergie au cours du processus, car les liaisons faibles, dites à haute énergie, sont remplacées par des liaisons plus fortes dans les produits. La respiration est l'un des principaux moyens par lesquels une cellule acquiert de l'énergie utile pour alimenter l'activité cellulaire. La respiration cellulaire est considérée comme une réaction redox exothermique. La réaction globale est divisée en de nombreuses réactions plus petites lorsqu'elle se produit dans le corps, dont la plupart sont des réactions redox elles-mêmes. Bien que techniquement, la respiration cellulaire soit une réaction de combustion, elle n'y ressemble clairement pas lorsqu'elle se produit dans une cellule vivante. Cette différence est due au fait qu'elle se produit en plusieurs étapes distinctes. Alors que la réaction globale est une réaction de combustion, aucune réaction unique qui la comprend n'est une réaction de combustion.

Les nutriments couramment utilisés par les cellules animales et végétales dans la respiration comprennent le sucre, les acides aminés et les acides gras, et un agent oxydant commun (accepteur d'électrons) est l'oxygène moléculaire (O2). L'énergie stockée dans l'ATP (son troisième groupe phosphate est faiblement lié au reste de la molécule et est cassé à moindre coût, ce qui permet la formation de liaisons plus fortes, transférant ainsi de l'énergie à utiliser par la cellule) peut ensuite être utilisée pour entraîner des processus nécessitant de l'énergie, y compris la biosynthèse. , la locomotion ou le transport de molécules à travers les membranes cellulaires.

Respiration aérobie

La respiration aérobie nécessite de l'oxygène pour générer de l'ATP. Bien que les glucides, les graisses et les protéines puissent tous être transformés et consommés en tant que réactifs, c'est la méthode préférée de dégradation du pyruvate dans la glycolyse et nécessite que le pyruvate pénètre dans la mitochondrie afin d'être complètement oxydé par le cycle de Krebs. Le produit de ce processus est du dioxyde de carbone et de l'eau, mais l'énergie transférée est utilisée pour rompre des liaisons fortes dans l'ADP car le troisième groupe phosphate est ajouté pour former de l'ATP (adénosine triphosphate), par phosphorylation au niveau du substrat, NADH et FADH2.

La respiration aérobie (flèches rouges) est le principal moyen par lequel les champignons et les plantes utilisent l'énergie sous forme de composés organiques qui étaient auparavant créés par la photosynthèse (flèche verte).

Réaction simplifiée : C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + chaleur
ΔG = -2880 kJ par mole de C6H12O6

Le ΔG négatif indique que la réaction peut se produire spontanément.

Le potentiel réducteur du NADH et du FADH2 est converti en plus d'ATP via une chaîne de transport d'électrons avec de l'oxygène comme « accepteur d'électrons terminal ». La plupart de l'ATP produit par la respiration cellulaire aérobie est fabriqué par phosphorylation oxydative. Cela fonctionne grâce à l'énergie libérée lors de la consommation de pyruvate utilisée pour créer un potentiel chimiosmotique en pompant des protons à travers une membrane. Ce potentiel est ensuite utilisé pour piloter l'ATP synthase et produire de l'ATP à partir d'ADP et d'un groupe phosphate. Les manuels de biologie indiquent souvent que 38 molécules d'ATP peuvent être fabriquées par molécule de glucose oxydée pendant la respiration cellulaire (2 à partir de la glycolyse, 2 à partir du cycle de Krebs et environ 34 à partir du système de transport d'électrons). Cependant, ce rendement maximal n'est jamais tout à fait atteint en raison des pertes (membranes qui fuient) ainsi que du coût de déplacement du pyruvate et de l'ADP dans la matrice des mitochondries et les estimations actuelles se situent autour de 29 à 30 ATP par glucose.

Le métabolisme aérobie est jusqu'à 15 fois plus efficace que le métabolisme anaérobie (qui produit 2 molécules d'ATP pour 1 molécule de glucose). Cependant, certains organismes anaérobies, tels que le méthanogène, sont capables de poursuivre la respiration anaérobie, produisant plus d'ATP en utilisant d'autres molécules inorganiques (pas l'oxygène) comme accepteur final d'électrons dans la chaîne de transport d'électrons. Ils partagent la voie initiale de la glycolyse mais le métabolisme aérobie se poursuit avec le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative. Les réactions post glycolytiques ont lieu dans les mitochondries des cellules eucaryotes et dans le cytoplasme des cellules procaryotes.


Fatigue musculaire

La fatigue musculaire survient après une période d'activité soutenue.

Objectifs d'apprentissage

Décrire les facteurs impliqués dans la fatigue musculaire métabolique

Points clés à retenir

Points clés

  • La fatigue musculaire fait référence à la baisse de la force musculaire générée au fil du temps.
  • Plusieurs facteurs contribuent à la fatigue musculaire, le plus important étant l'accumulation d'acide lactique.
  • Avec suffisamment d'exercice, l'apparition de la fatigue musculaire peut être retardée.

Mots clés

  • Acide lactique: Un sous-produit de la respiration anaérobie qui contribue fortement à la fatigue musculaire.

La fatigue musculaire fait référence à la baisse de la force musculaire générée sur des périodes d'activité prolongées ou en raison de problèmes pathologiques. La fatigue musculaire a un certain nombre de causes possibles, notamment une altération du flux sanguin, un déséquilibre ionique dans le muscle, une fatigue nerveuse, une perte de désir de continuer et, plus important encore, l'accumulation d'acide lactique dans le muscle.

Accumulation d'acide lactique

L'utilisation musculaire à long terme nécessite l'apport d'oxygène et de glucose à la fibre musculaire pour permettre la respiration aérobie, produisant l'ATP nécessaire à la contraction musculaire. Si le système respiratoire ou circulatoire ne peut pas répondre à la demande, alors l'énergie sera générée par la respiration anaérobie beaucoup moins efficace.

Dans la respiration aérobie, le pyruvate produit par la glycolyse est converti en molécules d'ATP supplémentaires dans les mitochondries via le cycle de Krebs. Avec un manque d'oxygène, le pyruvate ne peut pas entrer dans le cycle de Krebs et s'accumule à la place dans la fibre musculaire. Le pyruvate est continuellement transformé en acide lactique. Avec l'accumulation de pyruvate, la production d'acide lactique est également augmentée. Cette accumulation d'acide lactique dans le tissu musculaire réduit le pH, le rendant plus acide et produisant une sensation de picotement dans les muscles lors de l'exercice. Cela inhibe davantage la respiration anaérobie, induisant de la fatigue.

L'acide lactique peut être reconverti en pyruvate dans les cellules musculaires bien oxygénées, cependant, pendant l'exercice, l'accent est mis sur le maintien de l'activité musculaire. L'acide lactique est transporté vers le foie où il peut être stocké avant la conversion en glucose en présence d'oxygène via le cycle de Cori. La quantité d'oxygène nécessaire pour rétablir l'équilibre en acide lactique est souvent appelée dette d'oxygène.

Déséquilibre ionique

La contraction d'un muscle nécessite que les ions Ca + interagissent avec la troponine, exposant le site de liaison de l'actine à la tête de myosine. Avec un exercice intensif, les molécules osmotiquement actives à l'extérieur du muscle sont perdues par la transpiration. Cette perte modifie le gradient osmotique, ce qui rend plus difficile la délivrance des ions Ca + nécessaires à la fibre musculaire. Dans les cas extrêmes, cela peut entraîner un maintien prolongé et douloureux de la contraction musculaire ou des crampes.

Fatigue nerveuse et perte de désir

Les nerfs sont chargés de contrôler la contraction des muscles, de déterminer le nombre, la séquence et la force des contractions musculaires. La plupart des mouvements nécessitent une force bien inférieure à ce qu'un muscle pourrait potentiellement générer, et sauf en cas de maladie, la fatigue nerveuse est rarement un problème. Cependant, la perte du désir de faire de l'exercice face à l'augmentation des douleurs musculaires, de la respiration et de la fréquence cardiaque peut avoir un impact négatif puissant sur l'activité musculaire.

Fatigue métabolique

L'épuisement des substrats nécessaires tels que l'ATP ou le glycogène dans un muscle entraîne une fatigue car le muscle n'est pas capable de générer de l'énergie pour alimenter les contractions. L'accumulation de métabolites issus de ces réactions autres que l'acide lactique, tels que les ions Mg 2+ ou les espèces réactives de l'oxygène, peut également induire de la fatigue en interférant avec la libération d'ions Ca + du réticulum sarcoplasmique ou en réduisant la sensibilité de la troponine au Ca + .

Exercice et vieillissement

Avec un entraînement suffisant, la capacité métabolique d'un muscle peut changer, retardant l'apparition de la fatigue musculaire. Les muscles spécifiés pour les exercices anaérobies de haute intensité synthétiseront plus d'enzymes glycolytiques, tandis que les muscles pour les exercices aérobies de longue endurance développeront plus de capillaires et de mitochondries. De plus, avec l'exercice, des améliorations des systèmes circulatoire et respiratoire peuvent faciliter une meilleure livraison d'oxygène et de glucose au muscle.

Avec le vieillissement, les niveaux d'ATP, de CTP et de myoglobine commencent à diminuer, réduisant la capacité des muscles à fonctionner. Les fibres musculaires rétrécissent ou se perdent et le tissu conjonctif environnant se durcit, rendant la contraction musculaire plus lente et plus difficile. L'exercice tout au long de la vie peut aider à réduire l'impact du vieillissement en maintenant un apport sain d'oxygène au muscle.


Qu'est-ce que l'ATP ?

« Qu'est-ce que l'ATP ? » est une question importante dans l'entraînement sportif car toute la production d'énergie est alimentée par ce composé. Les programmes d'entraînement que vous concevez pour vos athlètes cibleront leur capacité à produire de l'énergie pour la puissance et/ou l'endurance.

L'ATP est souvent désigné comme la monnaie énergétique de la vie. Les cellules du corps utilisent une forme spéciale d'énergie appelée adénosine triphosphate (ATP) pour alimenter presque toutes leurs activités, telles que la contraction musculaire, la construction de protéines, le transport de substrats, la communication avec d'autres cellules, l'activation des mécanismes de contrôle de la chaleur et le démantèlement des structures endommagées et inutilisées. .

Chaque cellule a une petite réserve d'ATP hautement chargée située dans le cytoplasme. L'ATP est composé d'adénosine et de trois groupes phosphate inorganique (Pi) liés ensemble en séquence. Chacune des liaisons phosphate stocke l'énergie que la cellule peut utiliser. La liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate contient l'énergie la plus accessible.

Lorsqu'une enzyme sépare le troisième groupe phosphate du deuxième groupe phosphate, l'énergie est libérée afin que la cellule puisse l'utiliser. Lorsque cela se produit, l'ATP devient un adénosine diphosphate (ADP) déficient en énergie. C'est-à-dire qu'il n'y a que deux groupes phosphate liés en séquence plutôt que trois.

Afin de rattacher le troisième groupe phosphate sur le deuxième groupe phosphate (dans le processus de reconversion de l'ADP déficient en énergie en ATP à haute énergie), une source de carburant contenant de l'énergie est nécessaire. Cette source de carburant provient de la nourriture que nous mangeons.

Le soleil est la source originale du carburant que le corps utilise pour reconvertir l'ADP déficient en énergie en ATP à haute énergie. Les plantes convertissent l'énergie solaire en glucides, lipides et protéines. Les humains mangent les plantes et ils mangent aussi d'autres animaux qui mangent également les plantes.

Le système digestif décompose les aliments ingérés en minuscules unités appelées acides aminés (protéines), glucose (glucides) et acides gras (graisses). Ces minuscules unités sont absorbées dans la circulation sanguine et transportées dans les cellules. La cellule peut utiliser les minuscules unités comme combustible pour convertir l'ADP en ATP et pour construire et renforcer toutes ses structures. Sans la possibilité de refaire de l'ATP, la cellule manquerait de son approvisionnement en ATP après quelques secondes.

Les mécanismes responsables de la reconnexion du groupe phosphate sur l'ADP appauvri en énergie pour reformer l'ATP chargé sont appelés systèmes énergétiques ou voies énergétiques du corps. Un mécanisme de production d'ATP (constitué de deux stratégies différentes) peut recréer de l'ATP sans utiliser d'oxygène et est donc appelé le système d'énergie anaérobie.

L'autre mécanisme de production d'ATP a besoin d'oxygène et pour cette raison est appelé le système d'énergie aérobie. Dès que le groupe phosphate est séparé d'un ATP pour libérer l'énergie, ces deux grands mécanismes entrent en action pour reconnecter le troisième groupe phosphate à l'ADP appauvri en énergie pour reconstituer l'ATP à haute énergie. La cellule protège sa réserve d'ATP et ne la laissera pas descendre en dessous de 60 %. Le rechargement de l'ADP dans l'ATP est un processus continu.

Les informations et illustrations sur « Qu'est-ce que l'ATP ? sont une gracieuseté du Dr Christine Brooks. Pour en savoir plus sur l'entraînement des systèmes énergétiques de vos athlètes pour des performances optimales, voir Entraîner des athlètes de haute performance .


La phosphorylation oxydative

Vous venez de lire sur deux voies du catabolisme du glucose et de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique qui génèrent de l'ATP. Cependant, la plupart de l'ATP généré pendant le catabolisme aérobie du glucose n'est pas généré directement à partir de ces voies. Il dérive plutôt d'un processus qui commence par le passage des électrons à travers une série de réactions chimiques jusqu'à un accepteur d'électrons final, l'oxygène. Ces réactions ont lieu dans des complexes protéiques spécialisés situés dans la membrane interne des mitochondries des organismes eucaryotes et sur la partie interne de la membrane cellulaire des organismes procaryotes. L'énergie des électrons est récoltée et utilisée pour générer un gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale interne. L'énergie potentielle de ce gradient est utilisée pour générer de l'ATP. L'ensemble de ce processus est appelé phosphorylation oxydative.

La chaîne de transport d'électrons (figure 2a) est le dernier composant de la respiration aérobie et est la seule partie du métabolisme qui utilise l'oxygène atmosphérique. L'oxygène diffuse en continu dans les plantes à cet effet. Chez les animaux, l'oxygène pénètre dans le corps par le système respiratoire. Le transport d'électrons est une série de réactions chimiques qui ressemble à une brigade de seau en ce sens que les électrons sont passés rapidement d'un composant à l'autre, jusqu'au point final de la chaîne où l'oxygène est l'accepteur d'électrons final et l'eau est produite. Il existe quatre complexes composés de protéines, étiquetées I à IV sur la figure 2c, et l'agrégation de ces quatre complexes, ainsi que des porteurs d'électrons mobiles et accessoires associés, est appelée chaîne de transport d'électrons. La chaîne de transport d'électrons est présente en plusieurs exemplaires dans la membrane mitochondriale interne des eucaryotes et dans la membrane plasmique des procaryotes. Dans chaque transfert d'un électron à travers la chaîne de transport d'électrons, l'électron perd de l'énergie, mais avec certains transferts, l'énergie est stockée sous forme d'énergie potentielle en l'utilisant pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane mitochondriale interne dans l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique .

Figure 2. (a) La chaîne de transport d'électrons est un ensemble de molécules qui supporte une série de réactions d'oxydoréduction. (b) L'ATP synthase est une machine moléculaire complexe qui utilise un gradient H+ pour régénérer l'ATP à partir de l'ADP. (c) La chimiosmose repose sur l'énergie potentielle fournie par le gradient H + à travers la membrane.

Le cyanure inhibe la cytochrome c oxydase, un composant de la chaîne de transport d'électrons. En cas d'empoisonnement au cyanure, vous attendriez-vous à ce que le pH de l'espace intermembranaire augmente ou diminue ? Quel effet le cyanure aurait-il sur la synthèse d'ATP ?

[practice-area rows=&rdquo4&Prime][/practice-area]
[reveal-answer q=&rdquo208600&Prime]Afficher la réponse[/reveal-answer]
[hidden-answer a=&rdquo208600&Prime]Après un empoisonnement au cyanure, la chaîne de transport d'électrons ne peut plus pomper des électrons dans l'espace intermembranaire. Le pH de l'espace intermembranaire augmenterait et la synthèse d'ATP s'arrêterait.[/hidden-answer]

Électrons de NADH et FADH2 sont transmis à des complexes protéiques dans la chaîne de transport d'électrons. Lorsqu'ils passent d'un complexe à un autre (il y en a quatre au total), les électrons perdent de l'énergie, et une partie de cette énergie est utilisée pour pomper les ions hydrogène de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Dans le quatrième complexe protéique, les électrons sont acceptés par l'oxygène, l'accepteur terminal. L'oxygène avec ses électrons supplémentaires se combine ensuite avec deux ions hydrogène, améliorant encore le gradient électrochimique, pour former de l'eau. S'il n'y avait pas d'oxygène dans la mitochondrie, les électrons ne pourraient pas être retirés du système et toute la chaîne de transport d'électrons reculerait et s'arrêterait. Les mitochondries seraient incapables de générer un nouvel ATP de cette manière et la cellule mourrait finalement par manque d'énergie. C'est la raison pour laquelle nous devons respirer pour aspirer de l'oxygène neuf.

Dans la chaîne de transport d'électrons, l'énergie libre de la série de réactions que nous venons de décrire est utilisée pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane. La répartition inégale des ions H + à travers la membrane établit un gradient électrochimique, en raison de la charge positive des ions H + et de leur concentration plus élevée d'un côté de la membrane.

Les ions hydrogène diffusent à travers la membrane interne à travers une protéine membranaire intégrale appelée ATP synthase (Figure 2b). Cette protéine complexe agit comme un minuscule générateur, transformé par la force des ions hydrogène qui la traversent, le long de leur gradient électrochimique depuis l'espace intermembranaire, où il y a beaucoup d'ions hydrogène qui se repoussent mutuellement vers la matrice, où il y en a peu. La rotation des pièces de cette machine moléculaire régénère l'ATP à partir de l'ADP. Ce flux d'ions hydrogène à travers la membrane à travers l'ATP synthase est appelé chimiosmose.

La chimiosmose (figure 2c) est utilisée pour générer 90 pour cent de l'ATP produit pendant le catabolisme aérobie du glucose. Le résultat des réactions est la production d'ATP à partir de l'énergie des électrons retirés des atomes d'hydrogène. Ces atomes faisaient à l'origine partie d'une molécule de glucose. À la fin du système de transport d'électrons, les électrons sont utilisés pour réduire une molécule d'oxygène en ions oxygène. Les électrons supplémentaires sur les ions oxygène attirent les ions hydrogène (protons) du milieu environnant et de l'eau se forme. La chaîne de transport d'électrons et la production d'ATP par chimiosmose sont collectivement appelées phosphorylation oxydative.


Rôle des ATP dans le contrôle de la douleur

L'ATP démontre une réduction de la douleur périopératoire aiguë dans les études cliniques.[20]ꃚns ces études, les patients ont reçu de l'ATP par voie intraveineuse. L'infusion d'adénosine intraveineuse agit sur le récepteur d'adénosine A1, initiant une cascade de signalisation qui aide finalement les effets analgésiques observés dans l'inflammation. Des études ont montré que les composés d'adénosine diminuent l'allodynie et l'hyperalgésie lorsqu'ils sont administrés à des doses modérées.[20] L'activation du récepteur de l'adénosine A1 permet une intervention efficace contre la douleur en raison d'un début d'action lent et d'une longue durée d'action, pouvant durer des semaines dans certains cas.[20]

La supplémentation en ATP a produit des résultats positifs pendant l'anesthésie. Les preuves montrent que de faibles doses d'adénosine réduisent la douleur neuropathique, la douleur ischémique et l'hyperalgésie à un niveau comparable à celui de la morphine.

Cardiologie et chirurgie

Il a été démontré que l'ATP est un vasodilatateur pulmonaire sûr et pratique chez les patients atteints d'hypertension pulmonaire. De même, l'adénosine et l'ATP peuvent être utilisées pendant la chirurgie pour induire une hypotension chez les patients. [21]


Passons en revue

La respiration cellulaire est un ensemble de trois voies métaboliques uniques : la glycolyse, le cycle de l'acide citrique et la chaîne de transport d'électrons. La glycolyse est un processus anaérobie, tandis que les deux autres voies sont aérobies. Afin de passer de la glycolyse au cycle de l'acide citrique, les molécules de pyruvate (le résultat de la glycolyse) doivent être oxydées dans un processus appelé oxydation du pyruvate.

Glycolyse

La glycolyse est la première voie de la respiration cellulaire. Cette voie est anaérobie et se déroule dans le cytoplasme de la cellule. Cette voie décompose 1 molécule de glucose et produit 2 molécules de pyruvate. Il y a deux moitiés de glycolyse, avec cinq étapes dans chaque moitié. La première moitié est connue sous le nom d'étapes nécessitant de l'énergie. Cette moitié divise le glucose et utilise 2 ATP. Si la concentration de pyruvate kinase est suffisamment élevée, la seconde moitié de la glycolyse peut se dérouler. Dans la seconde moitié, la libération d'énergie : étapes, 4 molécules d'ATP et 2 NADH sont libérées. La glycolyse a un bénéfice net de 2 molécules d'ATP et 2 NADH.

Certaines cellules (par exemple, les globules rouges matures des mammifères) ne peuvent pas subir de respiration aérobie, donc la glycolyse est leur seul source d'ATP. Cependant, la plupart des cellules subissent une oxydation du pyruvate et continuent vers les autres voies de la respiration cellulaire.

Oxydation au pyruvate

Chez les eucaryotes, l'oxydation du pyruvate a lieu dans les mitochondries. L'oxydation du pyruvate ne peut se produire que si l'oxygène est disponible. Dans ce processus, le pyruvate créé par la glycolyse est oxydé. Dans ce processus d'oxydation, un groupe carboxyle est retiré du pyruvate, créant des groupes acétyle, qui se combinent avec la coenzyme A (CoA) pour former l'acétyl CoA. Ce procédé libère également du CO2.

Le cycle de l'acide citrique

Le cycle de l'acide citrique (également connu sous le nom de cycle de Krebs) est la deuxième voie de la respiration cellulaire et se déroule également dans les mitochondries. La vitesse du cycle est contrôlée par la concentration d'ATP. Lorsqu'il y a plus d'ATP disponible, le taux ralentit lorsqu'il y a moins d'ATP, le taux augmente. Cette voie est une boucle fermée : la dernière étape produit le composé nécessaire à la première étape.

Le cycle de l'acide citrique est considéré comme une voie aérobie car le NADH et le FADH2 il produit agissent comme des composés de stockage temporaire d'électrons, transférant leurs électrons vers la voie suivante (chaîne de transport d'électrons), qui utilise l'oxygène atmosphérique. Chaque tour du cycle de l'acide citrique fournit un bénéfice net de CO2, 1 GTP ou ATP, et 3 NADH et 1 FADH2.

Chaîne de transport d'électrons

La plupart de l'ATP du glucose est généré dans la chaîne de transport d'électrons. C'est la seule partie de la respiration cellulaire qui consomme directement de l'oxygène cependant, chez certains procaryotes, il s'agit d'une voie anaérobie. Chez les eucaryotes, cette voie se déroule dans la membrane mitochondriale interne. Chez les procaryotes, il se produit dans la membrane plasmique.

La chaîne de transport d'électrons est constituée de 4 protéines le long de la membrane et d'une pompe à protons. Un cofacteur transporte les électrons entre les protéines I-III. Si le NAD est épuisé, ignorez I : FADH2 commence le II. Dans la chimiosmose, une pompe à protons achemine les hydrogènes de l'intérieur des mitochondries vers l'extérieur, ce qui fait tourner le «moteur» et les groupes phosphate s'y attachent. Le mouvement passe de l'ADP à l'ATP, créant 90 % de l'ATP obtenu à partir du catabolisme aérobie du glucose.


Biologie 171

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Discuter de la différence fondamentale entre la respiration cellulaire anaérobie et la fermentation
  • Décrire le type de fermentation qui se produit facilement dans les cellules animales et les conditions qui initient cette fermentation

Dans la respiration aérobie, l'accepteur d'électrons final est une molécule d'oxygène, O2. Si la respiration aérobie se produit, l'ATP sera produit en utilisant l'énergie des électrons de haute énergie transportés par le NADH ou le FADH2 à la chaîne de transport d'électrons. Si la respiration aérobie ne se produit pas, le NADH doit être réoxydé en NAD + pour être réutilisé comme porteur d'électrons pour que la voie glycolytique se poursuive. Comment est-ce fait ? Certains systèmes vivants utilisent une molécule organique comme accepteur d'électrons final. Les processus qui utilisent une molécule organique pour régénérer le NAD+ à partir du NADH sont collectivement appelés fermentation. En revanche, certains systèmes vivants utilisent une molécule inorganique comme accepteur final d'électrons. Les deux méthodes sont appelées respiration cellulaire anaérobie , dans laquelle les organismes convertissent l'énergie pour leur utilisation en l'absence d'oxygène.

Respiration cellulaire anaérobie

Certains procaryotes, dont certaines espèces des domaines Bactéries et Archées, utilisent la respiration anaérobie. Par exemple, un groupe d'archéens appelés méthanogènes réduit le dioxyde de carbone en méthane pour oxyder le NADH. Ces micro-organismes se trouvent dans le sol et dans le tube digestif des ruminants, comme les vaches et les moutons. De même, les bactéries sulfato-réductrices, dont la plupart sont anaérobies ((Figure)), réduisent le sulfate en sulfure d'hydrogène pour régénérer le NAD+ à partir du NADH.

Voir Science – Yeast Experiment : Mesure de la respiration dans la levure (vidéo) pour voir la respiration cellulaire anaérobie en action.

Fermentation à l'acide lactique

La méthode de fermentation utilisée par les animaux et certaines bactéries, comme celles du yaourt, est la fermentation lactique ((Figure)). Ce type de fermentation est couramment utilisé dans les globules rouges des mammifères, qui n'ont pas de mitochondries, et dans les muscles squelettiques dont l'apport en oxygène est insuffisant pour permettre la poursuite de la respiration aérobie (c'est-à-dire dans les muscles utilisés jusqu'à la fatigue). Dans les muscles, l'accumulation d'acide lactique doit être éliminée par la circulation sanguine, et lorsque l'acide lactique perd un hydrogène, le lactate résultant est amené au foie pour un métabolisme ultérieur. Les réactions chimiques de la fermentation lactique sont les suivantes :

L'enzyme utilisée dans cette réaction est la lactate déshydrogénase (LDH). La réaction peut se dérouler dans les deux sens, mais la réaction de gauche à droite est inhibée par des conditions acides. On croyait autrefois qu'une telle accumulation d'acide lactique provoquait une raideur musculaire, de la fatigue et des douleurs, bien que des recherches plus récentes contestent cette hypothèse. Une fois que l'acide lactique a été retiré du muscle et circulé dans le foie, il peut être reconverti en acide pyruvique et catabolisé en énergie.

Le trémétol, un poison métabolique présent dans la racine de serpent blanc, empêche le métabolisme du lactate. Lorsque les vaches mangent cette plante, le trémétol est concentré dans le lait qu'elles produisent. Les humains qui consomment le lait peuvent tomber gravement malades. Les symptômes de cette maladie, qui comprennent des vomissements, des douleurs abdominales et des tremblements, s'aggravent après l'exercice. Pourquoi pensez-vous que ce soit le cas?

Fermentation alcoolique

Un autre processus de fermentation familier est la fermentation alcoolique ((Figure)), qui produit de l'éthanol. La première réaction chimique de la fermentation alcoolique est la suivante (CO2 ne participe pas à la deuxième réaction):

La première réaction est catalysée par la pyruvate décarboxylase, une enzyme cytoplasmique, avec une coenzyme du pyrophosphate de thiamine (TPP, dérivé de la vitamine B1 et aussi appelée thiamine). Un groupe carboxyle est retiré de l'acide pyruvique, libérant du dioxyde de carbone sous forme de gaz. La perte de dioxyde de carbone réduit la taille de la molécule d'un carbone, produisant de l'acétaldéhyde. La deuxième réaction est catalysée par l'alcool déshydrogénase pour oxyder le NADH en NAD + et réduire l'acétaldéhyde en éthanol. La fermentation de l'acide pyruvique par la levure produit l'éthanol présent dans les boissons alcoolisées. La tolérance à l'éthanol de la levure est variable, allant d'environ 5 pour cent à 21 pour cent, selon la souche de levure et les conditions environnementales.

Autres types de fermentation

D'autres méthodes de fermentation ont lieu dans les bactéries. Notons que de nombreux procaryotes sont facultativement anaérobie. Cela signifie qu'ils peuvent basculer entre la respiration aérobie et la fermentation, en fonction de la disponibilité d'oxygène libre. Certains procaryotes, comme Clostridia, sont des anaérobies obligatoires. Les anaérobies obligatoires vivent et se développent en l'absence d'oxygène moléculaire. L'oxygène est un poison pour ces micro-organismes et les tue à l'exposition. Notons également que toutes les formes de fermentation, à l'exception de la fermentation lactique, produisent du gaz. La production de types particuliers de gaz est utilisée comme indicateur de la fermentation de glucides spécifiques, qui joue un rôle dans l'identification en laboratoire des bactéries. Diverses méthodes de fermentation sont utilisées par divers organismes pour assurer un approvisionnement adéquat en NAD + pour la sixième étape de la glycolyse. Sans ces voies, cette étape ne se produirait pas et l'ATP ne pourrait pas être récolté à partir de la dégradation du glucose.

Résumé de la section

Si le NADH ne peut pas être oxydé par respiration aérobie, un autre accepteur d'électrons est utilisé. La plupart des organismes utiliseront une certaine forme de fermentation pour accomplir la régénération du NAD + , assurant la poursuite de la glycolyse. La régénération du NAD+ en fermentation ne s'accompagne pas d'une production d'ATP par conséquent, le potentiel du NADH à produire de l'ATP à l'aide d'une chaîne de transport d'électrons n'est pas utilisé.

Connexions artistiques

((Figure)) Le trémétol, un poison métabolique présent dans la racine de serpent blanc, empêche le métabolisme du lactate. Lorsque les vaches mangent cette plante, le trémétol est concentré dans le lait qu'elles produisent. Humans who consume the milk can become seriously ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. Pourquoi pensez-vous que ce soit le cas?

(Figure) The illness is caused by lactate accumulation. Lactate levels rise after exercise, making the symptoms worse. Milk sickness is rare today but was common in the midwestern United States in the early 1800s.

Réponse libre

What is the primary difference between fermentation and anaerobic respiration?

Fermentation uses glycolysis only. Anaerobic respiration uses all three parts of cellular respiration, including the parts in the mitochondria like the citric acid cycle and electron transport it also uses a different final electron acceptor instead of oxygen gas.

Glossaire


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Understanding Aerobic and Anaerobic Respiration and Their Differences

There are two main types of respiration: aerobic and anaerobic. This article will give you a good understanding of these two processes, and also list the major differences between them.

There are two main types of respiration: aerobic and anaerobic. This article will give you a good understanding of these two processes, and also list the major differences between them.

Aerobic respiration process is the opposite of the process of photosynthesis. Due to absence of light, the process of photosynthesis stops at night, but aerobic respiration happens at all times.

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Respiration is a process of release of energy by the breakdown of energy molecules obtained from food. This process is carried out by all sorts of living creatures, in order to produce the energy required for carrying out various metabolic activities like growth, repair, and locomotion.

Aerobic and anaerobic respiration are carried out at the cellular level. Let’s take a look at how these two processes take place, and what are the differences between them.

Aerobic Respiration Process

Aerobic respiration takes place in the presence of oxygen. It occurs in all plants, animals, and some prokaryotic organisms. The process involves a chemical reaction resulting into breakdown of energy molecules, obtained from carbohydrates (mainly glucose), proteins, and lipids. When a glucose molecule is broken down in the presence of oxygen, energy is released, along with carbon dioxide and water as the by-products of the reaction. The energy produced is stored in the form of l'adénosine triphosphate (ATP) molecules, to carry out the various metabolic processes. Oxygen, being a good oxidizing agent, acts as the electron receptor in this process.

Here is the chemical equation of the reaction that takes place:

Glucose + Oxygen → Carbon Dioxide + Water + Energy (ATP)

About 2900 KJ of energy is released as a result of the above chemical reaction. About 38 ATP molecules are produced when a single glucose molecule is broken down with the help of oxygen. This energy gets stored in the body for later use.

Going a little deeper into the process, aerobic respiration can be sub-divided into three main stages:

  • Glycolysis: At this stage, some of the ATP molecules, some carbon molecules known as pyruvate ou acide pyruvique, and some NADH molecules are created. Oxygen plays no part during this stage.
  • Krebs Cycle: In this stage, unused carbon molecules are used to initiate another series of chemical reactions to produce more NADH molecules, and another molecule known as FADH2.
  • Electron Transport Phosphorylation: In this stage, additional ATP molecules are created using the remainder of the reactant molecules.

Anaerobic Respiration Process

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Anaerobic respiration refers to the type of respiration that takes place in the absence of oxygen. This form of respiration is carried out in bacteria, yeasts, some prokaryotes, and muscle cells. In this process, energy, carbon dioxide, and lactic acid or alcohol are produced by the breakdown of glucose molecules. It uses electron acceptors other than oxygen, and involves the processes of glycolysis and fermentation. Anaerobic respiration, in case of yeast cells, is commonly referred to as fermentation. Here is the chemical equation for anaerobic respiration.

The reaction can takes place in either of the two ways given below:

The above chemical reaction produces 2 ATP molecules by breaking down one glucose molecule, with carbon dioxide and ethanol or lactic acid as the by-products. Due to the absence of oxygen, the glucose molecule is only partially broken down, thereby producing lesser amount of energy. In case of yeast cells, ethanol is produced, while in case of muscle cells, lactic acid is produced as a by-product. Lactic acid is a toxic chemical that gives you cramps.

The Differences

  • Aerobic respiration requires oxygen, whereas anaerobic respiration takes place in the absence of oxygen.
  • Most of the plant and animal cells use aerobic respiration. On the other hand, anaerobic bacteria, yeast cells, prokaryotes, and muscle cells perform anaerobic respiration.
  • Aerobic respiration is more efficient than anaerobic respiration. For one molecule of glucose, aerobic respiration produces 38 ATP molecules, whereas anaerobic respiration produces just 2 ATP molecules.
  • Aerobic respiration usually takes place in the mitochondria, while anaerobic respiration takes place in the cytoplasm.
  • In case of aerobic respiration, the end products are carbon dioxide and water. In anaerobic respiration, the end products are ethyl alcohol or lactic acid, and carbon dioxide.
  • Aerobic respiration takes a longer time to release energy. Anaerobic respiration is a much faster process.

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Commentaires:

  1. Tezahn

    Similaire y a-t-il quelque chose?

  2. Marsten

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