La respiration cellulaire est la voie métabolique qui convertit le glucose en ATP, la monnaie énergétique de la cellule. Il existe deux formes distinctes :anaérobie, qui contourne l'oxygène, et aérobie, qui en dépend.
Lorsque l’apport d’oxygène est en retard par rapport à la demande, comme lors d’un exercice intense, les cellules se tournent vers les voies anaérobies, produisant du lactate et un rendement modeste en ATP. L'accumulation de lactate et le déficit d'oxygène entraînent une fatigue musculaire et une respiration difficile.
La respiration aérobie se déroule en trois étapes coordonnées, chacune s'appuyant sur la précédente pour extraire l'énergie maximale d'une molécule de glucose.
La glycolyse se produit dans le cytosol et ne nécessite pas d'oxygène. Il divise le glucose en deux molécules de pyruvate, produisant un gain net de deux ATP et deux NADH.
Le pyruvate pénètre dans les mitochondries, où il est converti en acétyl‑CoA et entre dans le cycle de Krebs. Chaque tour produit un ATP (ou GTP), trois NADH et un FADH₂, tout en libérant deux molécules de CO₂. Pour un glucose, le cycle s'exécute deux fois, ajoutant huit NADH et deux FADH₂ au pool.
Les électrons de haute énergie du NADH et du FADH₂ traversent la membrane mitochondriale interne. L'oxygène agit comme accepteur final d'électrons, se combinant avec l'hydrogène pour former de l'eau. Le flux électronique alimente un gradient de protons qui entraîne l'ATP synthase, générant la majeure partie de l'ATP cellulaire :environ 30 à 32 molécules par glucose.
Sans oxygène, la chaîne de transport des électrons s'arrête, interrompant la synthèse de l'ATP et forçant la cellule à revenir à la glycolyse et à la fermentation. Ainsi, l'oxygène est indispensable à l'oxydation complète du glucose et à la production efficace d'ATP.