Respiration aérobie vs anaérobie

La respiration aérobie, un processus qui utilise de l'oxygène, et la respiration anaérobie, un processus qui n'utilise pas d' oxygène, sont deux formes de respiration cellulaire. Bien que certaines cellules puissent s'engager dans un seul type de respiration, la plupart des cellules utilisent les deux types, selon les besoins d'un organisme. La respiration cellulaire se produit également en dehors des macro-organismes, en tant que processus chimiques - par exemple, en fermentation. En général, la respiration est utilisée pour éliminer les déchets et générer de l'énergie.

Tableau de comparaison

Tableau comparatif de la respiration aérobie et de la respiration anaérobie
Respiration aérobie Respiration anaérobie
DéfinitionLa respiration aérobie utilise de l'oxygène.La respiration anaérobie est la respiration sans oxygène; le processus utilise une chaîne de transport d'électrons respiratoire mais n'utilise pas d'oxygène comme accepteurs d'électrons.
Cellules qui l'utilisentLa respiration aérobie se produit dans la plupart des cellules.La respiration anaérobie se produit principalement chez les procaryotes
Quantité d'énergie libéréeÉlevé (36-38 molécules d'ATP)Inférieur (entre 36-2 molécules ATP)
ÉtapesGlycolyse, cycle de Krebs, chaîne de transport d'électronsGlycolyse, cycle de Krebs, chaîne de transport d'électrons
Des produitsDioxyde de carbone, eau, ATPDixoide de carbone, espèces réduites, ATP
Site de réactionsCytoplasme et mitochondriesCytoplasme et mitochondries
Réactifsglucose, oxygèneglucose, accepteur d'électrons (pas d'oxygène)
la combustionAchevéeincomplet
Production d'éthanol ou d'acide lactiqueNe produit pas d'éthanol ni d'acide lactiqueProduire de l'éthanol ou de l'acide lactique

Processus aérobie vs anaérobie

Les processus aérobies de la respiration cellulaire ne peuvent se produire qu'en présence d'oxygène. Lorsqu'une cellule a besoin de libérer de l'énergie, le cytoplasme (une substance entre le noyau d'une cellule et sa membrane) et les mitochondries (organites du cytoplasme qui aident aux processus métaboliques) déclenchent des échanges chimiques qui déclenchent la dégradation du glucose. Ce sucre est transporté par le sang et stocké dans le corps comme une source rapide d'énergie. La décomposition du glucose en adénosine triphosphate (ATP) libère du dioxyde de carbone (CO2), un sous-produit qui doit être éliminé de l'organisme. Dans les plantes, le processus de libération d'énergie de la photosynthèse utilise du CO2 et libère de l'oxygène comme sous-produit.

Les processus anaérobies n'utilisent pas d'oxygène, de sorte que le produit pyruvate - l'ATP est un type de pyruvate - reste en place pour être décomposé ou catalysé par d'autres réactions, telles que ce qui se produit dans le tissu musculaire ou la fermentation. L'acide lactique, qui s'accumule dans les cellules des muscles lorsque les processus aérobies ne parviennent pas à répondre aux demandes énergétiques, est un sous-produit d'un processus anaérobie. Ces pannes anaérobies fournissent de l'énergie supplémentaire, mais l'accumulation d'acide lactique réduit la capacité d'une cellule à traiter davantage les déchets; à grande échelle, disons, dans un corps humain, cela entraîne de la fatigue et des douleurs musculaires. Les cellules récupèrent en respirant plus d'oxygène et par la circulation sanguine, des processus qui aident à transporter l'acide lactique.

La vidéo suivante de 13 minutes discute du rôle de l'ATP dans le corps humain. Pour accéder rapidement à ses informations sur la respiration anaérobie, cliquez ici (5:33); pour la respiration aérobie, cliquez ici (6:45).

Fermentation

Lorsque les molécules de sucre (principalement le glucose, le fructose et le saccharose) se décomposent lors de la respiration anaérobie, le pyruvate qu'elles produisent reste dans la cellule. Sans oxygène, le pyruvate n'est pas entièrement catalysé pour la libération d'énergie. Au lieu de cela, la cellule utilise un processus plus lent pour éliminer les transporteurs d'hydrogène, créant différents déchets. Ce processus plus lent est appelé fermentation. Lorsque la levure est utilisée pour la dégradation anaérobie des sucres, les déchets sont l'alcool et le CO2. L'élimination du CO2 laisse l'éthanol, la base des boissons alcoolisées et du carburant. Les fruits, les plantes sucrées (par exemple, la canne à sucre) et les céréales sont tous utilisés pour la fermentation, avec des levures ou des bactéries comme processeurs anaérobies. En boulangerie, le CO2 dégagé par la fermentation est à l'origine de l'augmentation des pains et autres produits de boulangerie.

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est également connu sous le nom de cycle d'acide citrique et cycle d'acide tricarboxylique (TCA). Le cycle de Krebs est le processus de production d'énergie clé dans la plupart des organismes multicellulaires. La forme la plus courante de ce cycle utilise le glucose comme source d'énergie.

Au cours d'un processus appelé glycolyse, une cellule convertit le glucose, une molécule à 6 atomes de carbone, en deux molécules à 3 atomes de carbone appelées pyruvates. Ces deux pyruvates libèrent des électrons qui sont ensuite combinés avec une molécule appelée NAD + pour former le NADH et deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP).

Ces molécules d'ATP sont le véritable «carburant» d'un organisme et sont converties en énergie tandis que les molécules de pyruvate et le NADH pénètrent dans les mitochondries. C'est là que les molécules à 3 atomes de carbone sont décomposées en molécules à 2 atomes de carbone appelées acétyl-CoA et CO2. Dans chaque cycle, l'Acetyl-CoA est décomposé et utilisé pour reconstruire les chaînes de carbone, libérer des électrons et ainsi générer plus d'ATP. Ce cycle est plus complexe que la glycolyse, et il peut également décomposer les graisses et les protéines en énergie.

Dès que les molécules de sucre libres disponibles sont épuisées, le cycle de Krebs dans le tissu musculaire peut commencer à décomposer les molécules de graisse et les chaînes de protéines pour alimenter un organisme. Alors que la dégradation des molécules de graisse peut être un avantage positif (poids inférieur, cholestérol inférieur), si elle est portée à un excès, elle peut nuire au corps (le corps a besoin de graisse pour la protection et les processus chimiques). En revanche, la dégradation des protéines de l'organisme est souvent un signe de famine.

Exercice aérobie et anaérobie

La respiration aérobie est 19 fois plus efficace pour libérer de l'énergie que la respiration anaérobie, car les processus aérobies extraient la plupart de l'énergie des molécules de glucose sous forme d'ATP, tandis que les processus anaérobies laissent la plupart des sources génératrices d'ATP dans les déchets. Chez l'homme, les processus aérobies se déclenchent pour galvaniser l'action, tandis que les processus anaérobies sont utilisés pour des efforts extrêmes et soutenus.

Les exercices aérobies, tels que la course, le vélo et la corde à sauter, sont excellents pour brûler l'excès de sucre dans le corps, mais pour brûler les graisses, les exercices aérobies doivent être effectués pendant 20 minutes ou plus, forçant le corps à utiliser la respiration anaérobie. Cependant, les courtes périodes d'exercice, comme le sprint, dépendent des processus anaérobies pour l'énergie parce que les voies aérobies sont plus lentes. D'autres exercices anaérobies, tels que l'entraînement en résistance ou l'haltérophilie, sont excellents pour construire la masse musculaire, un processus qui nécessite de décomposer les molécules de graisse pour stocker l'énergie dans les cellules plus grandes et plus abondantes présentes dans le tissu musculaire.

Évolution

L'évolution de la respiration anaérobie est largement antérieure à celle de la respiration aérobie. Deux facteurs font de cette progression une certitude. Premièrement, la Terre avait un niveau d'oxygène beaucoup plus bas lorsque les premiers organismes unicellulaires se sont développés, la plupart des niches écologiques manquant presque entièrement d'oxygène. Deuxièmement, la respiration anaérobie ne produit que 2 molécules d'ATP par cycle, suffisamment pour les besoins unicellulaires, mais insuffisantes pour les organismes multicellulaires.

La respiration aérobie ne s'est produite que lorsque les niveaux d'oxygène dans l'air, l'eau et les surfaces du sol l'ont rendue suffisamment abondante pour être utilisée dans les processus d'oxydoréduction. Non seulement l'oxydation fournit un plus grand rendement d'ATP, autant que 36 molécules d'ATP par cycle, mais elle peut également avoir lieu avec une plus large gamme de substances réductrices. Cela signifiait que les organismes pouvaient vivre et grandir et occuper plus de niches. La sélection naturelle favoriserait ainsi les organismes qui pourraient utiliser la respiration aérobie et ceux qui pourraient le faire plus efficacement pour grossir et s'adapter plus rapidement à des environnements nouveaux et changeants.

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