comprendre l aérobie

La filière aérobie

Plus de 95% de l'énergie contenue dans les aliments est transformée par la filière aérobie. Mais qu'est-ce au juste que cette filière ?

Nous appelons filière aérobie l'ensemble des transformations énergétiques se déroulant dans "l'enclave à oxygène" qu'est la mitochondrie. Les deux grands systèmes qui la composent sont le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire. Si nous nous rapportons au schéma qui suit, la filière aérobie comprend l'ensemble des transformations chimiques situées sous le trait horizontal. Ce trait délimite la cellule (en haut) de la mitochondrie (en bas). Rappelons que la mitochondrie est un organite que nous avons certainement hérité d'une bactérie (voir énergie 3 : la filière aérobie). Grâce à elle nous pouvons tirer partie de cet élément extrêmement nocif qu'est l'oxygène.

La définition que nous donnons à la filière aérobie peut paraître surprenante. En effet, elle ne se base pas directement sur l'oxygène mais sur la mitochondrie. Après avoir vu ce qui se passe au sein de cet organite, nous comprendrons pourquoi nous raisonnons ainsi. Mais pour le moment, suivons l'ordre chronologique, parlons du cycle de Krebs.

3.1 Le cycle de Krebs (ou cycle de l'acide citrique)

La filière aérobie se place dans la continuité des transformations énergétiques ayant débuté en anaérobie (énergie 3). Rappelons, que ces réactions se soldent par la production d'acide pyruvique. Celui-ci pénètre dans la mitochondrie et subit une suite de 10 réactions au cours desquels il va être dégradé en dioxyde de carbone (CO2) et en atomes d'hydrogène (H+). Comme un glucose donne deux acides pyruvique, deux tours de 10 réactions sont nécessaires à la transformation complète d'un glucose.
N'entrons pas dans le détail des réactions et contentons-nous de signifier qu'en plus des CO2 et des H+ qu'elles enlèvent à chaque acide pyruvique, les transformations chimiques permettent la formation d'un ATP.
La régulation du cycle utilise les mêmes astuces que celles que nous avons décrites à propos des autres réactions chimiques (énergie 4 : la régulation).

Au niveau énergétique, les réactions du cycle de Krebs ne se distinguent en rien de celles de la glycolyse anaérobie. Notons que pour le moment, nous n'avons pas vu trace de l'oxygène. Là où tout change, c'est lorsque nous arrivons au niveau de la chaîne respiratoire

3.2 La chaîne respiratoire

Jusqu'à présent, nous avons vu des réactions énergétiques ayant pour principale fonction énergétique de soustraire des atomes d'hydrogène aux substrats.
Faisons un petit rappel !
Quelquefois, l'énergie des aliments est transformée directement en énergie utile (ATP) par coupure du substrat. Mais le plus souvent, elle est d'abord récupérée sous une forme encore inutilisable ; l'électron de l'atome d'hydrogène (voir physiologie/énergie).
Après avoir été enlevés au substrat par les réactions anaérobies et aérobies, l'hydrogène et son électron sont placés sur des transporteurs qui les emmènent au niveau de la chaîne respiratoire. C'est là que l'électron va faire le grand saut.

La chaîne respiratoire peut être comparée à une suite de cascades. En haut du cours d'eau, se situe l'arrivée des transporteurs. A ce niveau, l'électron et l'atome d'hydrogène sont séparés. L'hydrogène emprunte la voie express pour aller rejoindre le bas des chutes où il va attendre son électron préféré.
Quant à ce dernier, il est placé dans le courant.

Emporté, il subit la première cascade en bas de laquelle il est pris en charge par un composé ferreux appelé cytochrome. Ce dernier le lâche à son tour dans une deuxième chute suite à quoi il est pris en charge par un deuxième cytochrome… Cette partie de "passes et chutes" se poursuit sur 5 cytochromes.
Dernière chute ! Arrivé en bas des cascades, l'électron retrouve son proton mais aussi un élément que nous attendions depuis longtemps… Mais n'anticipons pas le nom de cet élément, ni le résultat de cette rencontre à trois. Parlons plutôt de la métaphore que nous venons de faire.

Entre le départ de l'électron en haut du cours d'eau, et son arrivée en bas, chaque altitude représente le niveau énergétique atteint par l'électron. En haut, il est bourré d'énergie, en bas il en est vide. Chaque cascade représente donc un saut au cours duquel l'électron se vide d'une partie de son énergie. Trois fois, le saut est suffisamment grand pour que l'énergie dégagée puisse être récupérée par un ADP pour régénérer un ATP. Au cours des autres sauts (60% de la hauteur totale), l'énergie de l'électron part en chaleur.

Au total, plus des 9/10èmes de l'énergie des aliments est transformée en énergie utilisable par l'organisme au niveau de cette chaîne respiratoire. C'est principalement par elle que le soleil donne de quoi vivre à notre organisme (physiologie/énergie).

Mais pour qu'il en soit ainsi, il faut qu'en bas des cascades, la rencontre à trois ait lieu.

Rencontre à trois
Que peuvent faire deux électrons e-, deux protons H+ et la moitié d'un oxygène O2 ?
(H+ + e-)x2 + ½O2 =>H20
Réponse : de l'eau !

Voilà enfin découvert le rôle de l'oxygène. Venir récupérer les électrons et les protons pour donner une molécule d'eau. Cette eau peut être utilisée dans les différentes réactions chimiques de la cellule ou rejetée dans le milieu sous forme d'urine ou de vapeur d'eau.

Le vivant ayant bien fait les choses, le niveau d'énergie séparant l'hydrogène de l'oxygène est le plus grand que la chimie puisse trouver. Ce n'est donc pas un hasard, si les sauts qui mènent de l'un à l'autre dégagent la majorité de l'énergie dont l'organisme à besoin pour vivre.

Maintenant que nous avons une vue d'ensemble sur les transformations énergétiques, expliquons pourquoi nous avons appelé aérobies celles qui se déroulent à l'intérieur de la mitochondrie.

3.3 Aérobie ?

Pourquoi appeler aérobies les réactions constituant le cycle de Krebs et anaérobies celle de la glycolyse alors que nous avons vu que leurs répercussions énergétiques étaient exactement les mêmes ? Pourquoi différencier l'hydrogène prélevé au substrat dans le "ventre de la cellule" de celui prélevé au sein de la mitochondrie ?

Nous avons vu que les hydrogènes (H+) sont pris en charge par des transporteurs. Ceux-ci se chargent de les amener au niveau de la chaîne respiratoire. Ce mécanisme de transport est valable pour les réactions se déroulant au sein et en dehors de la mitochondrie. Pourtant deux points permettent de différencier les transporteurs : la longueur du trajet et la vitesse à laquelle ils doivent fonctionner.
Les transporteurs faisant la navette entre la glycolyse (dans la cellule) et la chaîne respiratoire doivent traverser la membrane de la mitochondrie avant d'arriver à destination. S'ajoute à ce long parcours, le fait qu'en cas de forte demande énergétique, ils voient affluer une importante quantité de protons H+. Ces deux éléments combinés font qu'ils peuvent facilement être débordés et ne pas réussir à conduire tous les atomes H+ qui se présentent à eux. Au niveau cellulaire, cette accumulation de H+ est responsable de l'acidité dont nous connaissons les inconvénients (énergie / acidité).
De son côté, l'extraction d'hydrogène par le cycle de Krebs est beaucoup plus lente. Les transporteurs sont d'autant moins "speedés" que le trajet qu'ils ont à accomplir est moins long. Résultat : les atomes H+ ne ressortent jamais de la mitochondrie autrement que pris en charge par l'oxygène c'est à dire sous forme d'eau. Ils ne peuvent donc générer de l'acidité.

Finalement, ce qui distingue la filière anaérobie de la voie aérobie ce n'est absolument pas l'absence ou la présence d'oxygène. Leur nom est donc bien mal choisi. Ce qui les distingue c'est simplement le fait que la première soit momentanément susceptible de produire de l'acidité. La faute en revient aux différences de vitesse (à ce propos, voir énergie 3 : les vitesses des filières).

Si l'on regroupe ce que nous venons de dire avec ce que nous disons dans le chapitre consacré à l'énergie ; les noms traditionnellement donnés aux filières énergétiques pourraient être revus comme suit :
Filière anaérobie anacide (ou anaérobie alactique) => réserve phosphate
Filière anaérobie acide (ou anaérobie alactique) => réactions (ou filière) acide
Filière aérobie => idem ou réactions aérobies.

Nous en avons terminé du transport de l'oxygène et de son rôle dans l'organisme. Nous savons à présent pourquoi nous prélevons de l'oxygène dans l'environnement et rejetons du dioxyde de carbone (CO2). L'oxygène va à la chaîne respiratoire, le dioxyde de carbone provient du cycle de Krebs.

Cette partie étant terminée, nous vous proposons de la revivre de manière condensée et romancée. Nom de code du chapitre : l'aventure des z'odeux.

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