Quand on court, réfléchit ou dort, nos cellules ont besoin d’énergie. Elles l’obtiennent notamment grâce à la respiration cellulaire : un ensemble de réactions qui utilise les nutriments, en particulier le glucose, pour produire une forme d’énergie directement utilisable par la cellule. Ce phénomène se déroule aussi chez les plantes, même si elles fabriquent leur propre glucose grâce à la photosynthèse. Mais que se passe-t-il exactement dans une cellule, et quel rôle joue le dioxygène que nous respirons ?
Qu’est-ce que la respiration cellulaire ?
La respiration cellulaire est un processus au cours duquel une cellule dégrade des molécules nutritives pour récupérer l’énergie qu’elles contiennent. Cette énergie est stockée dans de petites molécules appelées ATP, pour adénosine triphosphate. L’ATP permet ensuite à la cellule de réaliser ses activités : fabriquer des substances, se déplacer, transporter des éléments ou se renouveler.
Dans sa forme la plus connue, la respiration cellulaire utilise du glucose et du dioxygène. Elle produit du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’énergie sous forme d’ATP. On peut la résumer ainsi : glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau + énergie. Cette écriture donne le bilan général ; dans la réalité, la transformation se fait par de nombreuses réactions successives.
Où et comment ce processus se déroule-t-il ?
Chez les animaux et les végétaux, la première étape a lieu dans le cytoplasme, le milieu intérieur de la cellule. Le glucose y commence sa dégradation : c’est la glycolyse. Les étapes suivantes se déroulent principalement dans les mitochondries, de petits compartiments cellulaires souvent surnommés « centrales énergétiques ».
Dans la mitochondrie, les produits issus de la glycolyse sont transformés au fil de réactions qui libèrent du dioxyde de carbone. Une dernière série de réactions utilise le dioxygène et permet de produire la majeure partie de l’ATP. Le dioxygène ne sert donc pas à « brûler » directement le glucose comme dans une flamme : il intervient à la fin d’une chaîne de réactions contrôlées par la cellule.
- Glycolyse : le glucose est découpé dans le cytoplasme ; une petite quantité d’ATP est produite.
- Réactions dans la mitochondrie : la dégradation se poursuit et du dioxyde de carbone est libéré.
- Utilisation du dioxygène : la cellule produit beaucoup d’ATP et forme de l’eau.
Quel lien existe-t-il avec la respiration des poumons ?
Respirer et faire de la respiration cellulaire sont deux choses différentes, mais liées. Quand nous inspirons, l’air apporte du dioxygène aux poumons. Celui-ci passe dans le sang, qui le transporte jusqu’aux cellules. Le sang leur fournit aussi des nutriments provenant de la digestion, dont le glucose. Les cellules disposent alors des éléments nécessaires pour produire de l’ATP.
En retour, le dioxyde de carbone formé par les cellules est transporté par le sang vers les poumons, puis rejeté quand nous expirons. Les poumons assurent les échanges avec l’air ; la respiration cellulaire, elle, se déroule à l’intérieur des cellules. C’est pourquoi notre respiration s’accélère pendant un effort : les muscles consomment davantage d’ATP et ont besoin d’un apport accru en dioxygène.
Les plantes respirent-elles aussi ?
Oui. Les cellules des plantes réalisent la respiration cellulaire, de jour comme de nuit, pour obtenir l’ATP nécessaire à leur fonctionnement. Leurs racines, leurs tiges et leurs feuilles ont toutes besoin d’énergie pour grandir, transporter des substances et entretenir leurs tissus.
Il ne faut pas confondre ce processus avec la photosynthèse. Grâce à la lumière, les parties vertes de la plante utilisent du dioxyde de carbone et de l’eau pour fabriquer du glucose et libérer du dioxygène. La respiration cellulaire utilise ensuite une partie de ce glucose pour fournir de l’énergie aux cellules. Les deux phénomènes sont donc différents et complémentaires.
Que se passe-t-il si le dioxygène manque ?
Sans assez de dioxygène, les cellules ne peuvent plus produire autant d’ATP par la respiration cellulaire. Certaines peuvent alors obtenir un peu d’énergie grâce à la fermentation, qui commence, comme la respiration cellulaire, par la glycolyse. Ce procédé fournit toutefois beaucoup moins d’ATP à partir d’une même quantité de glucose.
Lors d’un effort très intense, les muscles peuvent ainsi produire du lactate lorsque l’apport en dioxygène ne suffit pas à couvrir leurs besoins immédiats. Les levures, elles, peuvent transformer le sucre en éthanol et en dioxyde de carbone : c’est ce qui fait gonfler la pâte à pain. Ces exemples montrent que les cellules disposent de plusieurs façons d’exploiter le glucose, mais que la respiration cellulaire avec dioxygène est particulièrement efficace pour produire de l’ATP.