La respiration cellulaire

Respirer, au sens courant, c’est faire entrer de l’air dans ses poumons. Mais l’oxygène inspiré ne sert qu’au bout de la chaîne : dans chaque cellule, il permet de « brûler » lentement les nutriments pour en extraire l’énergie. C’est la respiration cellulaire, qui se déroule pour l’essentiel dans les mitochondries. Le CO2 qu’elle produit est ensuite transporté par le sang jusqu’aux poumons et expiré.

L’équation de la respiration cellulaire

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie (ATP + chaleur)

Une molécule de glucose et six molécules de dioxygène donnent six molécules de dioxyde de carbone, six molécules d’eau et de l’énergie. C’est exactement l’inverse du bilan de la photosynthèse : l’énergie solaire stockée dans le glucose par les plantes est libérée par la respiration.

Environ 40 % de l’énergie du glucose est récupérée sous forme d’ATP ; le reste est dissipé en chaleur, ce qui contribue à maintenir la température du corps.

L’ATP, monnaie énergétique de la cellule

L'ATP (adénosine triphosphate) est une petite molécule qui stocke l’énergie dans ses liaisons phosphate. En perdant un phosphate, elle devient ADP et libère de l’énergie utilisable pour la contraction musculaire, la synthèse des protéines, le transport à travers les membranes ou l’influx nerveux. L’ATP ne se stocke pas : il est recyclé en permanence. Un adulte au repos régénère chaque jour une masse d’ATP de l’ordre de son propre poids.

Les trois étapes de la respiration cellulaire

1. La glycolyse (dans le cytoplasme)

Le glucose (6 carbones) est coupé en deux molécules de pyruvate (3 carbones). Cette étape ne nécessite pas d’oxygène et rapporte un gain net de 2 ATP, ainsi que des transporteurs d’électrons chargés (NADH).

2. Le cycle de Krebs (dans la matrice de la mitochondrie)

Le pyruvate entre dans la mitochondrie, où il est transformé en acétyl-coenzyme A puis complètement oxydé au cours d’un cycle de réactions décrit par Hans Krebs en 1937 (prix Nobel de médecine 1953). Le carbone est libéré sous forme de CO2. Le cycle produit peu d’ATP directement (2 par glucose), mais il charge de nombreux transporteurs d’électrons (NADH et FADH2).

3. La chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative (membrane interne de la mitochondrie)

Les électrons transportés par le NADH et le FADH2 passent le long d’une série de protéines de la membrane interne. Ce transfert pompe des protons, qui créent un gradient de part et d’autre de la membrane. En revenant, les protons font tourner l'ATP synthase, véritable moteur moléculaire qui fabrique l’ATP. Au bout de la chaîne, les électrons sont captés par l'oxygène, qui se combine à des protons pour former de l'eau. Ce mécanisme, dit chimiosmotique, a été proposé par Peter Mitchell en 1961 (prix Nobel de chimie 1978).

C’est cette dernière étape qui explique pourquoi nous avons besoin d’oxygène : sans lui, la chaîne se bloque et la production d’ATP s’effondre.

Les manuels anciens donnent 36 à 38 ATP ; les mesures modernes ont revu ce bilan à environ 30-32.

Respiration et fermentation

En l’absence d’oxygène, certaines cellules recourent à la fermentation : la glycolyse continue, mais le pyruvate n’est pas oxydé. Le rendement tombe à 2 ATP par glucose, soit environ quinze fois moins.

Lors d’un sprint, les muscles produisent du lactate parce que l’apport d’oxygène ne suit pas la demande. Contrairement à une idée longtemps répandue, l’acide lactique n’est pas la cause des courbatures du lendemain, qui proviennent de micro-lésions des fibres musculaires ; le lactate est d’ailleurs recyclé par l’organisme en quelques heures.

D’autres carburants que le glucose

La cellule peut aussi respirer en utilisant :

• les acides gras, issus des graisses, très énergétiques, qui alimentent le cycle de Krebs après découpage (bêta-oxydation) ; ils fournissent l’essentiel de l’énergie lors d’un effort long et modéré ;
• les acides aminés, issus des protéines, surtout en cas de jeûne prolongé.

Le cerveau, qui représente environ 2 % du poids du corps, consomme environ 20 % de l’énergie au repos et dépend presque exclusivement du glucose (ou des corps cétoniques en cas de jeûne).

Respiration pulmonaire et respiration cellulaire

Les mitochondries ont une origine bactérienne : ce sont les descendantes de bactéries intégrées dans une cellule ancestrale il y a plus de 1,5 milliard d’années. Elles possèdent encore leur propre ADN, transmis uniquement par la mère.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre respiration et combustion ?

Le bilan chimique est le même que celui de la combustion du glucose, mais la respiration procède par une cascade de petites étapes contrôlées par des enzymes, à la température du corps. L’énergie est ainsi récupérée en ATP au lieu d’être libérée d’un coup sous forme de flamme et de chaleur.

Les plantes respirent-elles ?

Oui, jour et nuit, dans leurs mitochondries, comme les animaux. Le jour, la photosynthèse dépasse la respiration, si bien que la plante rejette au total plus d’oxygène qu’elle n’en consomme.

Pourquoi le monoxyde de carbone et le cyanure sont-ils mortels ?

Le monoxyde de carbone se fixe sur l’hémoglobine et empêche le transport de l’oxygène vers les cellules. Le cyanure bloque directement une enzyme de la chaîne respiratoire. Dans les deux cas, les cellules ne peuvent plus produire assez d’ATP, et le cerveau et le cœur sont touchés en premier.

Tous les êtres vivants ont-ils besoin d’oxygène ?

Non. De nombreuses bactéries et archées vivent sans oxygène (anaérobies) ; pour certaines, l’oxygène est même toxique. Elles produisent leur énergie par fermentation ou par des respirations utilisant d’autres molécules que l’O2, comme les nitrates ou les sulfates.