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Qu'est-ce qui déclenche le basculement entre la respiration aérobie et anaérobie ?

Qu'est-ce qui déclenche le basculement entre la respiration aérobie et anaérobie ?



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Je comprends que lorsqu'il y a une pénurie de cellules d'oxygène, convertissez l'acide pyruvique de la glycolyse en acide lactique pour régénérer le NAD+. Ce que je ne comprends pas, c'est comment ils passent au métabolisme anaérobie. Y a-t-il un certain message chimique qui déclenche cela ?


La méthode la plus simple de contrôle du métabolisme est la concentration du substrat. Donc, si la concentration de NADH et de pyruvate est faible, la lactate déshydrogénase ne peut pas fonctionner. Quand ils s'accumulent, cela peut et le fera.

La situation est plus compliquée que cela, car le pyruvate ne s'accumulera que s'il n'est pas converti en acétyl CoA par le complexe pyruvate déshydrogénase (voir Berg et al. article 17.1.1) :

Bien que la réaction globale soit oxydative et nécessite finalement du NAD+, ce dernier n'est pas directement impliqué dans la réaction irréversible initiale. C'est vraisemblablement pour cette raison que la réaction est également contrôlée, soit de manière allostérique (chez les bactéries), soit par phosphorylation (chez les mammifères). Dans les deux cas, les régulateurs sont les petites molécules dont la concentration est altérée par le manque d'oxygène : NAD+/NADH et ATP/ADP. La figure ci-dessous et sa légende est également de Berg et al. (section 17.2.1) - disponible via NCBI Bookshelf.

[Le complexe est inhibé par ses produits immédiats, le NADH et l'acétyl CoA. Le composant pyruvate déshydrogénase est également régulé par modification covalente. Une kinase spécifique phosphoryle et inactive la pyruvate déshydrogénase, et une phosphatase active la déshydrogénase en éliminant le phosphoryle (groupe). La kinase et la phosphatase sont également des enzymes hautement régulées.]

La situation réelle est assez complexe et c'est une sorte de simplification.


Comment la respiration aérobie et anaérobie se compare-t-elle chez la levure?

La levure peut effectuer à la fois la respiration anaérobie (fermentation) et la respiration aérobie. Les deux produisent du dioxyde de carbone, la fermentation produit une quantité beaucoup plus faible d'ATP. La fermentation produit de l'éthanol.

Explication:

Fermentation - produit un filet de 2 ATP (de la glycolose), de l'éthanol et du dioxyde de carbone.

Respiration aérobie - produit 36-38 ATP, du dioxyde de carbone et de l'eau.

Voici une vidéo qui montre une expérience utilisant de la levure fermentant une solution d'eau sucrée. Les cellules de levure peuvent effectuer soit la fermentation soit la respiration aérobie en fonction des conditions environnementales.

Voici une vidéo qui résume à la fois la respiration aérobie et anaérobie.

Les deux vidéos de : Noel Pauller


Fermentation à l'acide lactique

La méthode de fermentation utilisée par les animaux et certaines bactéries (comme celles du yaourt) est appelée fermentation lactique. Ce type de fermentation est couramment utilisé dans les globules rouges des mammifères 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). L'excès de lactate dans ces muscles est à l'origine de la sensation de brûlure dans les jambes pendant la course. Cette douleur est un signal pour reposer les muscles surmenés afin qu'ils puissent récupérer. Dans ces muscles, l'accumulation d'acide lactique doit être éliminée par la circulation sanguine et le lactate apporté au foie pour un métabolisme ultérieur. Les réactions chimiques de la fermentation lactique sont les suivantes :

Acide pyruvique + NADH & acide lactique harr + NAD +

Chiffre: Fermentation lactique: La fermentation lactique est courante dans les cellules musculaires qui manquent d'oxygène.

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.


Respiration cellulaire anaérobie

Certains procaryotes, y compris certaines espèces de bactéries et d'archées, utilisent la respiration anaérobie. Par exemple, le groupe d'archées appelées 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 et les archées, dont la plupart sont anaérobies (figure 4.4.4), réduisent le sulfate en sulfure d'hydrogène pour régénérer le NAD+ à partir du NADH.

Figure 4.4.4 : La couleur verte observée dans ces eaux côtières provient d'une éruption d'hydrogène sulfuré. Les bactéries anaérobies sulfato-réductrices libèrent du sulfure d'hydrogène gazeux lorsqu'elles décomposent les algues dans l'eau. (crédit : image de la NASA avec l'aimable autorisation de Jeff Schmaltz, équipe de réponse rapide au sol MODIS au GSFC de la NASA)

Visitez ce site pour voir la respiration cellulaire anaérobie en action.

D'autres méthodes de fermentation se produisent dans les bactéries. De nombreux procaryotes sont anaérobies facultatifs. Cela signifie qu'ils peuvent basculer entre la respiration aérobie et la fermentation, en fonction de la disponibilité de l'oxygène. Certains procaryotes, comme Clostridia bactéries, 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 lors de l'exposition. Il est à noter 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. Les différentes méthodes de fermentation sont utilisées par différents organismes pour assurer un apport adéquat en NAD+ pour la sixième étape de la glycolyse. Sans ces voies, cette étape ne se produirait pas et aucun ATP ne serait récolté à partir de la dégradation du glucose.


Diaporama

Tous les êtres vivants ont besoin d'énergie. La molécule porteuse d'énergie de la cellule est ATP, ou l'adénosine triphosphate. L'ATP est un acide nucléique. L'ATP libère de l'énergie lorsque l'un des trois phosphates est éliminé pour former la molécule ADP. Par le processus de respiration aérobie, les êtres vivants décomposent le glucose pour créer de l'ATP. L'équation de la respiration aérobie est présentée ci-dessous. Notez qu'avec le glucose, l'oxygène est un substrat de la respiration aérobie.

La respiration aérobie est le moyen le plus efficace de créer de l'énergie dans les cellules, mais ce n'est pas la seule option. Respiration anaérobie est un processus plus simple qui ne nécessite pas d'oxygène. Cependant, la respiration anaérobie ne produit pas autant d'ATP. Fermentation est un type de respiration anaérobie. La fermentation lactique est utilisée par certaines espèces bactériennes pour la production d'ATP. La fermentation alcoolique est un processus qui se déroule dans les cellules de levure. Vous connaissez peut-être certains des produits créés par fermentation alcoolique tels que la bière, le vin et le pain.

Aujourd'hui, vous étudierez la respiration aérobie chez les insectes en comparant les punaises des pilules et les coléoptères du haricot. En tant qu'animaux, les insectes subissent une respiration aérobie pour créer l'ATP nécessaire à des processus tels que le métabolisme, la reproduction, la croissance et le mouvement. Vous suivrez la respiration aérobie à l'aide d'un capteur de dioxyde de carbone.

Si la respiration aérobie se produit, y aura-t-il une augmentation ou une diminution de la concentration de dioxyde de carbone ?


Métabolisme aérobie vs anaérobie pendant l'ischémie dans le muscle cardiaque

Le métabolisme anaérobie dans le muscle cardiaque ne joue un rôle dans le maintien de la préservation myocardique que pendant l'ischémie ou l'hypoxie. Dans un état ischémique, comme pendant une crise cardiaque ou même pendant l'ischémie induite d'une chirurgie à cœur ouvert, il y a une altération du flux sanguin vers le myocarde. Le principal processus de production d'énergie dans le cœur passe par le métabolisme du glucose et des lipides par des réactions oxydatives. Dans des conditions anaérobies, l'oxygène n'est pas disponible pour accepter les électrons dans la dégradation métabolique des substrats et la glycolyse anaérobie devient importante dans la préservation de la viabilité myocardique pendant le processus ischémique. Malheureusement, les produits accumulés de la glycolyse, à savoir les protons et le lactate, agissent pour inhiber la glycolyse, aboutissant finalement à une dépression du métabolisme anaérobie. La cardioplégie, telle qu'utilisée pendant la chirurgie à cœur ouvert, a pour effet d'induire une induction instantanée d'un arrêt mécanique et électrique du myocarde avec une inhibition maximale de l'énergie utilisant les processus métaboliques. Cela réduit efficacement l'utilisation du substrat et prévient les conséquences délétères du processus ischémique. La cardioplégie est plus efficace lorsqu'elle est associée aux propriétés additives de l'hypothermie, qui joue un rôle important dans la diminution du métabolisme myocardique. Cependant, lors d'un arrêt cardioplégique hypothermique prolongé, une quantité suffisante d'ATP ne peut pas être maintenue pour l'intégrité cellulaire et la glycolyse anaérobie devient de plus en plus importante pour le maintien de la préservation myocardique. Cette présentation traite de la mécanique du métabolisme aérobie versus anaérobie au cours du processus ischémique de la chirurgie à cœur ouvert.


Aperçu

La respiration est le processus par lequel l'énergie stockée dans le carburant est convertie en une forme qu'une cellule peut utiliser. En règle générale, l'énergie stockée dans les liaisons moléculaires d'une molécule de sucre ou de graisse est utilisée pour fabriquer de l'ATP, en prenant des électrons de la molécule de carburant et en les utilisant pour alimenter une chaîne de transport d'électrons.

La respiration est cruciale pour la survie d'une cellule, car si elle ne peut pas libérer l'énergie des carburants, elle n'aura pas suffisamment d'énergie pour assurer ses fonctions normales. C'est pourquoi les organismes qui respirent de l'air meurent si rapidement sans un apport constant d'oxygène : nos cellules ne peuvent pas générer assez d'énergie pour rester en vie sans lui.

Au lieu de l'oxygène, les cellules anaérobies utilisent des substances telles que le sulfate, le nitrate, le soufre et le fumarate pour piloter leur respiration cellulaire. De nombreuses cellules peuvent effectuer une respiration aérobie ou anaérobie, selon que de l'oxygène est disponible.


Questions du défi de la pratique scientifique

La combustion des glucides, comme dans une cheminée, est une réaction de réduction-oxydation dans laquelle l'atome de carbone est oxydé et l'atome d'oxygène est réduit, produisant de l'eau et du dioxyde de carbone. La phosphorylation oxydative et la glycolyse sont également des réactions de réduction-oxydation qui produisent les mêmes produits. Expliquez les différences et les similitudes entre ces processus abiotiques et biotiques en termes de changements d'entropie et de chaleur qui contribuent à l'énergie libre extraite des liaisons chimiques, la spontanéité de chacun et le rôle de la catalyse.

UNE. [Extension] Les systèmes vivants ont besoin d'énergie gratuite pour exécuter les fonctions cellulaires et utilisent diverses stratégies pour capturer, utiliser et stocker l'énergie gratuite. Expliquer l'avantage que l'efficacité énergétique plus élevée par kg du cycle de Krebs offre à tu par rapport à un métabolisme basé sur la glycolyse seule. Votre explication doit utiliser tous les faits suivants :

  • ΔG pour la glycolyse est de -135 kJ par mole de glucose
  • G pour la respiration aérobie est de -2880kJ par mole de glucose
  • le métabolisme de base des mammifères est souvent représenté par -300kJ/jour • m 0,75
  • la masse molaire du glucose est de 180 g/mole

B. Expliquer la différence bioénergétique entre la respiration aérobie et anaérobie en termes de différence entre la production d'énergie libre et la puissance. Votre explication doit utiliser tous les faits suivants :

  • la puissance est le taux de production d'énergie libre
  • les cellules cancéreuses tirent la majeure partie de leur énergie libre de la glycolyse
  • les enzymes du cycle de l'acide citrique (Kreb) forment des complexes coordonnés sur le cytosquelette au sein des mitochondries

C. Le cycle de vie du parasite humain Trypanosoma brucei est divisé entre le corps de la mouche tsé-tsé et la circulation sanguine humaine. Le parasite provoque la « maladie du sommeil » en Afrique subsaharienne. Dans la circulation sanguine humaine, le parasite dépend de la glycolyse, avec des enzymes compartimentées dans un organite lié à la membrane appelé glycosome. Chez l'insecte hôte, le parasite utilise la glycolyse ainsi que la phosphorylation au niveau du substrat et oxydative. Expliquer l'avantage d'un cycle de vie chez l'hôte humain qui utilise la respiration anaérobie avec un taux de production d'énergie libre qui est amélioré par la compartimentation dans le glycosome et un cycle de vie chez l'insecte hôte qui est aérobie.

RÉ. Prédire les avantages d'un système biologique qui utilise à la fois la glycolyse et la phosphorylation oxydative. Votre prédiction doit utiliser tous les faits suivants :

  • la signalisation peut être utilisée pour détecter les environnements pauvres en oxygène et pour réguler la réponse
  • certaines cellules, telles que les cellules musculaires et sanguines, doivent fonctionner dans des environnements à faible et à forte teneur en oxygène
  • la glycolyse est réversible
  • le cycle de l'acide citrique n'est pas réversible
  • la thermorégulation est nécessaire pour l'homéostasie

Le dinitrophénol (DNP) a été utilisé dans la fabrication de munitions pendant la Première Guerre mondiale. Dans les années 1930, il était utilisé comme médicament pour perdre du poids. L'utilisation aux États-Unis ne peut pas être réglementée par la FDA car le DNP est considéré comme un complément alimentaire. Les tentatives d'interdire la drogue au Royaume-Uni après la mort de quatre utilisateurs en 2015 ont échoué au Parlement. Le DNP est une petite molécule soluble dans la membrane interne mitochondriale. Le groupe hydroxyle dissocie de manière réversible un proton.

UNE. Prédire l'effet du DNP sur le gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale interne.

B. Expliquer comment DNP peut être utilisé pour réduire le poids.

C. Les effets du DNP peuvent être inversés en administrant du glucose. Cependant, le traitement avec une combinaison de glucose et de 2-désoxyglucose, qui est un inhibiteur de la glycolyse, n'inverse pas les effets du DNP. Expliquer, en termes de produits de la glycolyse, pourquoi cette inversion des effets du DNP était inattendue. (Indice : il pourrait être utile d'examiner les réactifs et les produits de la glycolyse.)

D. L'obésité est en corrélation avec une épidémie d'autres problèmes de santé, tels que l'hypertension artérielle, les maladies cardiaques et le diabète II. Une forme à libération lente de DNP (CRMP) est brevetée. Avec la technologie à libération lente, un médicament peut être délivré en petites doses au fil du temps à partir d'une pilule dont la matrice limite la solubilité. Une question simple mais non scientifique qui peut être soulevée est la suivante : un médicament à libération lente retardera-t-il la progression vers des changements de comportement pouvant réduire l'ampleur de cette épidémie ? Les questions scientifiques peuvent être poursuivies en testant les résultats prédits par les réponses possibles. Affiner cette question pour discussion en petits groupes. Être préparé à justifier le bien-fondé de votre question.

Comme le montre la figure 7.11, le cyanure inhibe la chaîne de transport d'électrons en entrant en compétition avec O2 molécules pour le groupe hème de la cytochrome c oxydase. Le monoxyde de carbone (CO) a un effet similaire. Le cyanure et le monoxyde de carbone provoquent tous deux une intoxication chez les victimes d'inhalation de fumée.

UNE. Prédire les effets de ces poisons sur les propriétés suivantes des mitochondries juste après l'exposition : le pH de l'espace intermembranaire, la concentration de NADH et le taux de production d'ATP dans la matrice. Justifier vos prédictions.

B. La roténone est un poison qui bloque le transfert d'électrons du complexe I de la chaîne de transport d'électrons vers l'ubiquinone. Le bleu de méthylène est une molécule aux multiples usages impliquant ses propriétés de réduction-oxydation. Des études récentes montrent l'efficacité du bleu de méthylène dans l'augmentation du taux métabolique du corps et comme traitement pour les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. La forme oxydée du bleu de méthylène est réduite par le NADH, et sa forme réduite est oxydée par O2. Expliquer l'utilisation du bleu de méthylène comme antidote à l'empoisonnement à la roténone.

E. coli sont des bactéries anaérobies facultatives entériques (intestinales). (Les anaérobies facultatifs peuvent se développer avec ou sans oxygène libre. Les anaérobies obligatoires ne se développent qu'en l'absence d'oxygène libre.) Les chercheurs prévoyaient de cultiver des cultures de E. coli dans une gamme de conditions pour modéliser la transition de la respiration strictement anaérobie à la respiration aérobie.

La teneur en oxygène des atmosphères à pression totale constante sera contrôlée par des volumes d'azote et d'oxygène gazeux. Rapports de volume, r = VO2/VN2 entre 0 et 0,25 de flacons de croissance agités peuvent être mesurés en termes de densité optique, qui est le pourcentage de transmission de la lumière à travers un échantillon de la croissance E. coli culture. Une règle empirique est que la plage des anaérobies stricts est lorsque r < 0,01, et la limite pour la respiration aérobie est lorsque r = 0,05. Un grand nombre de flacons pouvant être agités en permanence à température fixe, et dans lesquels des échantillons peuvent être prélevés sans contamination atmosphérique, sont disponibles pour cette étude.

Ces résultats de l'expérience seront utilisés pour déduire les taux de croissance de E. coli sur toute la longueur de 7,5 m de l'intestin humain moyen (intestin grêle et gros intestin), où la teneur en oxygène varie des conditions atmosphériques aux conditions anaérobies. Le temps de rétention des aliments dans l'intestin grêle, dont la longueur moyenne est de 2,5 m, est d'environ quatre heures. Le temps de rétention des aliments sur toute la longueur de l'intestin est compris entre 24 et 72 heures.

UNE. Décrire et appliquer un modèle mathématique qui peut être utilisé pour représenter la variation des environnements d'oxygène d'une bactérie qui est transportée avec la nourriture le long de l'intestin.

B. Concevoir les temps d'échantillonnage expérimentaux en termes d'intervalles de croissance d'intérêt dans cette étude : i) le moment où la bactérie passe la limite du petit-gros intestin ii) le moment où la bactérie atteint la fin du gros intestin et iii) le moment où la bactérie atteint des conditions anaérobies facultatives, r < 0,05.

C. Tracez un graphique qui prédit la distribution des bactéries aérobies, anaérobies facultatives et anaérobies obligatoires sur toute la longueur de l'intestin en fonction de ces paramètres. Gardez à l'esprit que les anaérobies ont un taux de respiration plus faible.

La racine de serpent blanche est une plante qui contient des produits chimiques qui désactivent l'enzyme lactate déshydrogénase. Les humains qui consomment du lait de vaches ou de chèvres qui mangent de la racine de serpent blanc peuvent tomber malades. Les symptômes d'empoisonnement au lait comprennent des vomissements, des douleurs abdominales et des tremblements, qui s'aggravent après l'exercice. Au-delà de l'enfance, la plupart des gens n'expriment pas l'enzyme lactase qui catalyse la décomposition du lactose en glucose et galactose. La consommation de lait peut produire des symptômes similaires à ceux d'une intoxication par le lait. Après une période de consommation de produits laitiers, cependant, l'adaptation prébiotique (modifications des microbes dans l'intestin) confère une tolérance au lactose. Étant donné que les produits laitiers sont une source précieuse de calcium, de protéines et de vitamine D, des recherches considérables ont été menées pour caractériser l'adaptation.

Expliquez les similitudes et les différences entre l'effet de l'empoisonnement du lait par la racine de serpent blanc et l'intolérance au lactose, et la possibilité d'adaptation prébiotique pour chacun.


Fermentation alcoolique

Un autre processus de fermentation familier est la fermentation alcoolique ([Figure 2]), qui produit de l'éthanol, un alcool. La réaction de fermentation alcoolique est la suivante :

Figure 2 : La réaction aboutissant à la fermentation alcoolique est montrée.

Dans la première réaction, 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 molécule d'un atome de carbone, produisant de l'acétaldéhyde. La deuxième réaction retire un électron du NADH, formant du NAD + et produisant de l'éthanol à partir de l'acétaldéhyde, qui accepte l'électron. La fermentation de l'acide pyruvique par la levure produit l'éthanol présent dans les boissons alcoolisées (Figure 3]). Si le dioxyde de carbone produit par la réaction n'est pas évacué de la chambre de fermentation, par exemple dans la bière et les vins mousseux, il reste dissous dans le milieu jusqu'à ce que la pression soit relâchée. L'éthanol au-dessus de 12 pour cent est toxique pour la levure, de sorte que les niveaux naturels d'alcool dans le vin atteignent un maximum de 12 pour cent.

Figure 3 : La fermentation du jus de raisin pour faire du vin produit du CO2 comme sous-produit. Les cuves de fermentation ont des vannes pour que la pression à l'intérieur des cuves puisse être libérée.


Respiration anaérobie

Même si la fermentation se passe sans oxygène, ce n'est pas la même chose que la respiration anaérobie. La respiration anaérobie commence de la même manière que la respiration aérobie et la fermentation. La première étape est toujours la glycolyse, et elle crée toujours 2 ATP à partir d'une molécule de glucides. Cependant, au lieu de se terminer par la glycolyse, comme le fait la fermentation, la respiration anaérobie crée du pyruvate puis continue sur le même chemin que la respiration aérobie.

Après avoir fabriqué une molécule appelée acétyl coenzyme A, elle poursuit le cycle de l'acide citrique. Plus de porteurs d'électrons sont fabriqués et ensuite tout se termine dans la chaîne de transport d'électrons. Les porteurs d'électrons déposent les électrons au début de la chaîne puis, grâce à un processus appelé chimiosmose, produisent de nombreux ATP. Pour que la chaîne de transport d'électrons continue de fonctionner, il doit y avoir un accepteur d'électrons final. Si cet accepteur est l'oxygène, le processus est considéré comme la respiration aérobie. Cependant, certains types d'organismes, y compris de nombreux types de bactéries et d'autres micro-organismes, peuvent utiliser différents accepteurs d'électrons finaux. Ceux-ci incluent les ions nitrate, les ions sulfate ou même le dioxyde de carbone.

Les scientifiques pensent que la fermentation et la respiration anaérobie sont des processus plus anciens que la respiration aérobie. Le manque d'oxygène dans l'atmosphère de la Terre primitive rendait la respiration aérobie impossible. Au cours de l'évolution, les eucaryotes ont acquis la capacité d'utiliser les « déchets » d'oxygène de la photosynthèse pour créer la respiration aérobie.


Voir la vidéo: Aerobic Vs Anaerobic Respiration (Août 2022).