respiration
La respiration ou la respiration ( latin respiratio ) désigne en biologie et physiologie :
- comme respiration interne ou respiration cellulaire : processus métaboliques catalysés par voie enzymatique de production d'énergie dans la cellule , au cours desquels de l' oxygène est généralement consommé et du dioxyde de carbone est produit;
- comme respiration externe ou échange gazeux : processus passifs et actifs d'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone avec l'environnement et leur transport dans l'organisme.
Respiration cellulaire
La respiration cellulaire peut être aérobie ou anaérobie . La respiration aérobie nécessite de l'oxygène et n'a donc été possible qu'en termes géologiques puisque l'oxygène élémentaire est disponible dans l'atmosphère et dans l'eau. Sa formation remonte aux premiers procaryotes photosynthétiquement actifs , probablement précurseurs des cyanobactéries actuelles . Sans oxygène, seule la respiration anaérobie peut avoir lieu, dans laquelle d'autres substances remplacent le rôle de l'oxygène. De plus, tous les organismes peuvent gagner de l'énergie grâce à la fermentation .
La respiration anaérobie ne se produit que chez les procaryotes. Tous les eucaryotes ne peuvent utiliser l'oxygène que comme oxydant; Dans un environnement sans oxygène, ils ne peuvent gagner de l'énergie que par fermentation. La grande majorité des eucaryotes sont donc dépendants de la respiration aérobie (aérobie obligatoire). En revanche, les levures , qui sont également eucaryotes, peuvent vivre sans oxygène uniquement sur la base de la fermentation (anaérobie facultative). Un exemple du cas rare dans lequel les eucaryotes ont perdu la capacité d'utiliser l'oxygène et sont donc obligatoirement anaérobies sont les Neocallimastigaceae , qui vivent dans le rumen des ruminants et se spécialisent dans l'utilisation de la cellulose . Parmi les procaryotes, Escherichia coli est un exemple de la façon dont il est possible de basculer entre la respiration aérobie et anaérobie.
Respiration aérobie
La respiration aérobie nécessite de l'oxygène. Normalement, les composés organiques tels que les glucides ou les acides gras sont oxydés et l'énergie est obtenue sous forme d' ATP . Trois sous-processus se succèdent: la glycolyse , le cycle de l'acide citrique et le transfert d'électrons dans la chaîne respiratoire , l'O 2 étant l'accepteur d'électrons terminal. Les sous-étapes essentielles de la glycolyse et du cycle de l' acide citrique sont trois décarboxylations oxydatives différentes , dans lesquelles du dioxyde de carbone est libéré et des équivalents de réduction sont obtenus sous la forme de NADH, qui sont introduits dans la chaîne respiratoire.
Si - comme c'est généralement le cas - le glucose est utilisé comme substrat, alors l'équation de somme est:
- Une molécule de glucose et six molécules d'oxygène deviennent six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau
Certains procaryotes peuvent oxyder non seulement des substances organiques, mais également des substances inorganiques pour générer de l'énergie. Par exemple, l' Archaeon Acidianus ambivalens utilise du soufre dans une oxydation du soufre selon:
L'oxydation de l' ammoniac (NH 3 ) se produit dans les bactéries et les archées . L'ammoniac est oxydé en nitrite (NO 2 - ):
Respiration anaérobie
Dans la respiration anaérobie, qui ne se produit que chez les procaryotes , les électrons obtenus à partir de l'oxydation d'un vecteur d'énergie sont transférés à d'autres substrats externes réductibles au lieu de l'oxygène. Les différents systèmes respiratoires anaérobies sont classés en fonction du substrat ou des produits finaux métaboliques inhalés.
Seule une sélection de types de respiration anaérobie a été incluse dans le tableau (pour en savoir plus, voir Anaerobic # Anaerobic Breathing ):
Type de respiration | Organismes | Réponse "substantielle" |
---|---|---|
respiration aérobie | aérobies obligatoires et facultatifs (par exemple eucaryotes ) | O 2 → H 2 O |
Respiration de fer | aérobies facultatifs, anaérobies obligatoires (par exemple desulfuromonadales ) | Fe 3+ → Fe 2+ |
Respiration de nitrate | aérobies facultatifs (par exemple Paracoccus denitrificans , E. coli ) | NON 3 - → NON 2 - |
Respiration fumarisée | aérobies facultatifs (par exemple Escherichia coli ) | Fumarate → succinate |
Respiration sulfate | anaérobies obligatoires (par exemple Desulfobacter latus ) | SO 4 2− → HS - |
Respiration de thiosulfate | z. B. Ferroglobus | H 2 S 2 O 3 → 2 H 2 S |
Méthanogenèse (respiration carbonatée) | anaérobies méthanogènes et obligatoires (par exemple Methanothrix thermophila ) | CO 2 → CH 4 |
Respiration de soufre | aérobies facultatifs et anaérobies obligatoires (par exemple desulfuromonadales) | S → HS - |
Inhalation d'arséniate | Pyrobaculum | AsO 4 2− → AsO 3 - |
Acétogenèse (respiration carbonatée) | anaérobies homoacétogènes et obligatoires (par exemple Acetobacterium woodii ) | CO 2 → CH 3 COOH |
Échange de gaz
variantes
Une distinction peut être faite entre les variantes suivantes, qui peuvent également se produire en combinaison:
- la respiration cutanée , dans laquelle s'effectue l'échange gazeux avec l'eau ou l'air par diffusion sur toute la surface corporelle ,
- la respiration branchiale , dans laquelle l'échange gazeux avec l'eau a lieu via de fines protubérances cutanées sanguines, les branchies . Il est présent chez de nombreux invertébrés , y compris les animaux terrestres, chez les poissons et chez les amphibiens .
- Le Tracheenatmung sur les invaginations tubulaires de la peau du corps. On le trouve chez les insectes , les mille-pattes et certaines araignées .
- Les poumons à respirer à escargots , dipneustes , amphibiens, reptiles , oiseaux et mammifères (y compris les humains ).
- Diverses autres variations de la respiration de l' air chez les poissons osseux ,
- Échange gazeux des plantes via les stomates ,
- la respiration du plastron ou «branchie physique» chez les insectes aquatiques,
- la distribution des gaz aux cellules cibles dans le fluide respiratoire (sang ou lymphe ), principalement avec des vecteurs de transport d' oxygène ( hémoglobine ou hémocyanine ), en partie cellulaire ( érythrocytes ).
Bases physiques: diffusion
La diffusion est un processus physique d'égalisation de la concentration de substances de différentes concentrations par un mouvement moléculaire induit thermiquement . Cela se produit des zones avec une concentration plus élevée aux zones avec une concentration plus faible le long d'un gradient de concentration .
La vitesse de transport ou vitesse de transport est décrite par les lois de diffusion selon Adolf Fick :
Selon la première loi de Fick , la vitesse de transport, c'est-à-dire la variation de la quantité de substance (dQ s ) après le temps (dt), est proportionnelle à la zone d'échange A et proportionnelle au gradient de concentration, qui pour les gaz comme dans le cas de la respiration est également un gradient de pression partiel (dp / dx) peut être décrit. Un autre facteur décisif est le coefficient de diffusion Krogh K , qui est le produit du coefficient de solubilité a et du coefficient de diffusion D :
D'où:
Ce qui suit s'applique à la distance parcourue:
Le temps de diffusion augmente ainsi à la seconde puissance avec une augmentation de la distance de diffusion.
Un transport de gaz efficace par diffusion nécessite donc:
- une grande surface,
- un gradient de pression élevé ou une différence de pression élevée entre la pression interne et la pression externe (p i -p a ),
- une faible épaisseur de la «membrane respiratoire» ou un court trajet de diffusion (x).
Dans les organismes multicellulaires différenciés, des organes spéciaux faisant partie de la respiration externe sont souvent responsables des échanges gazeux. Le poumon est optimisé anatomiquement pour les échanges gazeux, en passant à travers les alvéoles a (alvéoles) sur une grande surface avec une faible distance de diffusion. Le CO 2 diffuse 20 fois mieux que l'oxygène: bien que le coefficient de diffusion du CO 2 dans la membrane alvéolaire soit un peu plus faible en raison de la plus grande taille de la molécule, la solubilité est 24 fois plus grande, ce qui signifie une différence de concentration tout aussi plus grande.
Transport de gaz respiratoire par convection chez les animaux
Dans le cas des petits animaux aquatiques tels que les vers ronds , les vers plats et les rotifères , le processus de diffusion est suffisant pour répondre aux besoins en oxygène (respiration cutanée). Aussi Hohltiere exclusivement Hautatmer; Ils ont une grande surface et une très faible intensité métabolique du fait de leurs tentacules . Les animaux plus grands doivent renouveler leur eau ou leur air respirable par ventilation. Surtout chez les vertébrés, il y a aussi le transport des gaz respiratoires dans un système circulatoire avec du fluide en circulation.
La solubilité de l'oxygène dans les solutions aqueuses étant très faible (voir: Loi de Henry ), la solubilité dans le sang est augmentée par les pigments respiratoires. En plus de l' hémoglobine bien connue , ce groupe comprend également la chlorocruorine , l' hémérythrine et l' hémocyanine . L'hémoglobine augmente la capacité de transport de l'oxygène d'un facteur 50 en raison de sa capacité de liaison élevée à l'O 2 .
L'hémoglobine est une chromoprotéine et est le pigment respiratoire le plus courant chez les animaux. Il se compose d'une protéine ( globine ) et d'un groupe prothétique absorbant la lumière ( hème ). La structure spéciale de l'hème consistant en un anneau de protoporphyrine avec du fer comme ion central provoque la couleur rouge du sang en absorbant la lumière dans le spectre des ondes courtes (principalement les tons bleus). Le groupe hème de toutes les hémoglobines et myoglobines est identique. Cependant, les hémoglobines diffèrent dans la structure du composant protéique (globine). Ceci est principalement montré dans le comportement différent de liaison de l'oxygène . L' affinité O 2 de l'hémoglobine des petits représentants plus actifs des mammifères est inférieure à celle des plus grands représentants. Cela permet une meilleure distribution d'oxygène aux tissus environnants. Les hémoglobines des vertébrés à sang froid , en revanche, ont une affinité de liaison à l' O 2 plus élevée que les oiseaux ou les mammifères. Les invertébrés montrent également une affinité de liaison à l' O 2 significativement plus élevée de leur hémoglobine.
Échange de gaz chez l'homme
Composition de l'air inhalé et expiré
Groupe inspirant | gaz | Fraction expiratoire |
---|---|---|
78% | azote | 78% |
21% | oxygène | 17% |
0,04% | Gaz carbonique | 4% |
1 % | gaz nobles | 1 % |
Air inhalé de l'air atmosphérique avec une composition moyenne. Même dans les espaces intérieurs utilisés par des personnes avec une ventilation limitée - en faveur du chauffage ou du refroidissement, et une protection contre le vent et la poussière - des concentrations de CO 2 plus élevées sont présentes. Valeur MIK = 0,30% CO 2 , valeur limite d' exposition professionnelle AGW (remplace la valeur MAK précédemment utilisée ) = 0,50% CO 2 .
rythme
Perturbations des échanges de gaz
L' emphysème crée une perturbation de diffusion en réduisant la surface d'échange. L' œdème pulmonaire crée un trouble de diffusion en augmentant la distance de diffusion. Les troubles de l'oxygénation du sang peuvent également résulter d'un flux sanguin insuffisant ou mal réparti vers les poumons. Les troubles respiratoires isolés se manifestent par une hypoxie sans hypercapnie , car la diffusion de CO 2 fonctionne toujours bien pour les raisons évoquées lorsque la diffusion d'oxygène a longtemps été clairement restreinte. Avec une pompe respiratoire intacte, les perturbations respiratoires peuvent être compensées par la ventilation : La respiration profonde augmente la pression partielle d'oxygène dans les alvéoles, ce qui augmente la différence de concentration et donc le taux de diffusion. Cependant, il faut accepter une pression partielle réduite de CO 2 dans les alvéoles, qui est transférée dans le sang et perturbe l' équilibre acido-basique ( alcalose respiratoire ). La thérapie symptomatique des troubles des échanges gazeux est effectuée par l' administration d'oxygène .
Respirer les plantes
Aussi les organismes photoautotrophes (plantes au sens large), leur énergie totale par la photosynthèse gagnent leurs besoins énergétiques grâce à la respiration aérobie, lorsque la photosynthèse n'est pas possible, la nuit et dans des parties ou stades de développement, qu'aucun chloroplaste actif ne contient (sur les racines ou des graines). Les substances inhalées dans le processus proviennent finalement de la photosynthèse et sont fournies par d'autres parties de la plante ou étaient auparavant stockées comme substances de réserve.
Alors que l'air contient plus de 20% d'oxygène, l'eau en absorbe peu, surtout à des températures plus élevées (voir saturation en oxygène ). Les algues et autres plantes aquatiques peuvent l' absorber de l'eau environnante par diffusion car elles ont une grande surface et aucune cuticule imperméable . Les plantes des marais , dont certaines poussent submergées, et les plantes aquatiques à feuilles flottantes forment des tissus de ventilation spéciaux ( aérenchyme ) pour alimenter leurs parties immergées en oxygène.
Avec une respiration résistante au cyanure , qui ne se produit que dans les plantes , l'énergie n'est libérée que sous forme de chaleur, c'est-à-dire sans formation d' ATP . La respiration résistante au cyanure est ainsi nommée car elle n'est pas affectée par les cyanures . Il est important dans de nombreuses plantes d'arum , dont les inflorescences se réchauffent, émettant de plus en plus de parfums pour attirer les pollinisateurs. Dans le cas de l' arum , l' épi est temporairement d'environ 20 ° C plus chaud que la zone environnante. La respiration résistante au cyanure se produit également lors de la maturation de nombreux fruits et l'accélère ( climatère respiratoire ).
Un autre processus, formellement appelé respiration dans le sens d'une inversion de la photosynthèse, est la photorespiration , qui se déroule toujours parallèlement à la photosynthèse dans les chloroplastes et réduit son efficacité. Il est interprété comme une relique de l'époque géologique, lorsque la teneur en oxygène de l'air était encore assez faible.
Voir également
- Respirer le poison
- Protection respiratoire
- Réflexe de protection respiratoire
- Mesure de la respiration
Littérature
- Jane Reece et al.: Campbell Biology. 10e édition. Pearson, Hallbergmoos 2016, chapitres 9 et 43.5 à 43.7.
liens web
- Lexique de la biologie : la respiration . Spectre, Heidelberg 1999.
- Lexique de la biologie: régulation respiratoire . Spectre, Heidelberg 1999.
Preuve individuelle
- ↑ Jane Reece et al.: Campbell Biology. 10e édition. Pearson, Hallbergmoos 2016, p. 212.
- ↑ David H. Jennings, Gernot Lysek: Biologie fongique: Comprendre le mode de vie fongique . BIOS Scientific Publishers, Oxford 1996, p. 78 et suiv.
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- ↑ sans vapeur d'eau, calculé à partir de: Stefan Silbernagl, Agamemnon Despopoulos : Pocket Atlas of Physiology. 6e édition corrigée. Thieme, 2003, ISBN 3-13-567706-0 , p. 107.
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