RESPIRATION CELLULAIRE, FERMENTATIONS ET PRODUCTION D'ATP

RESPIRATION CELLULAIRE, FERMENTATIONS ET PRODUCTION D'ATP

la molécule du  glucose  

Introduction :

Les cellules sont le siège de nombreuses réactions chimiques qui leur permettent de croître et de se diviser. Elles utilisent l'énergie chimique de molécules qu'elles prélèvent dans l'environnement ou qu'elles produisent par photosynthèse. Quelles sont les voies métaboliques permettant l'utilisation du potentiel énergétique des molécules organiques ?

1- La respiration cellulaire, une première voie de production d'ATP.

Les cellules prélèvent dans le milieu des molécules qu'elles transforment. Dans certaines cellules, cette transformation nécessite du dioxygène. Comment se manifeste la respiration cellulaire? Quelles sont les structures cellulaires impliquées? Quelles sont les principales étapes de la dégradation d'une molécule organique par respiration?

Activité 1a-   Mise en évidence de la respiration d'une suspension cellulaire

Nous constatons qu’avant l’injection de glucose, la concentration en O2 dans le milieu varie très peu (une légère baisse due à des réactions d’oxydations imprévisibles dans le milieu). Rapidement après l’injection de glucose, la quantité de 02 dans le milieu diminue.

Nous pouvons donc en déduire que les levures ont consommé du dioxygène, et que cette consommation de O2 ne peut se faire qu’en présence de glucose.

Le même type d’expérience peut être réalisé en utilisant une sonde CO2 en plus de la sonde 02 : le résultat obtenu est représenté par le graphique ci-contre.

Commenter et interpréter ce résultat.

Sur ce graphique, la courbe a) correspond au résultat obtenu au cours du TP. Les mesures données par la sonde C02 indiquent que parallèlement à la diminution de 02 dans le milieu, il se produit une augmentation de la quantité de C02. On en déduit que les levures rejettent du C02 et que ce rejet de C02 est lié à la consommation de O2 et de glucose.

En déduire l’équation bilan des transformations chimique intervenant au cours de la respiration cellulaire.

En admettant qu’au cours de la respiration il y a plus d’eau produite que d’eau consommée, l’équation bilan est la suivante :

C6H1206 + 602 + 6H20à 6C02 + 12H20

Activité 1b- Localisation cellulaire de la respiration

v  Observation de levures en aérobiose et anaérobiose.

Les levures sont des champignons unicellulaires dépourvus de chlorophylle. Comme les cellules animales, elles sont hétérotrophes et consomment des substances organiques qui peuvent être soit stockées, soient puisées dans le milieu.

Nous savons que la respiration est un phénomène qui consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Nous savons aussi que ces échanges de gaz s'accompagnent de l'oxydation de nutriments organiques, comme le glucose.

En généralisant, des observations de tissus variés, dans des conditions physiologiques différentes, montrent que plus une cellule est active, plus elle possède de mitochondries et plus les crêtes de leurs membranes internes sont développées.

Observation au microscope électronique de levures ayant séjourné dans des conditions aérobies.

Les levures en anaérobiose présentent des mitochondries peu développées. Sachant que l’activité d’une cellule nécessite de l’énergie, on peut supposer que les mitochondries sont impliquées dans les mécanismes qui produisent de l’énergie

 NB : Nous savons que la molécule universelle du transfert d’énergie dans les cellules est l’ATP : la respiration, dans les mitochondries ne produirait-elle pas de l’ATP ?

Mais observons tout d’abord l’ultrastructure d’une mitochondrie.

v  Ultrastructure des mitochondries : un organite compartimenté.

Les mitochondries apparaissent comme des organites compartimentés, présentant une membrane interne développées délimitant des crêtes dans la matrice (ou stroma)

Afin de mieux comprendre le rôle des différents compartiments, on réalise une expérience sur une suspension de mitochondries.

v  Expérience.

On réalise une expérience sur une suspension de mitochondries, obtenue par centrifugation d'un broyat cellulaire, et placée dans une enceinte de réaction, dans un milieu approprié et bien oxygéné.                                                  

       On proposera donc des résultats obtenus ainsi:

L’injection de glucose à to, n’induit aucune variation de la [O2] ; il n’est pas le substrat des réactions consommant l’O2.

Les injections de pyruvate et succinate induisent une diminution de l’O2 ; ce sont des substrats  utilisés dans les mitochondries.

La respiration, oxyde non pas le glucose mais des substrats qui résultent de premières réactions qui se déroulent dans le cytoplasme. Une première étape se déroule donc dans le cytoplasme, elle semble viser à dégrader le glucose (glycolyse)

 L’injection d’inhibiteurs enzymatiques se traduit par un arrêt de la consommation d’ O2 ; il existe dans la membrane interne des mitochondries des enzymes qui catalysent les réactions de la respiration, à partir des substrats formés dans le cytoplasme.

Une deuxième étape se déroule donc dans la membrane interne des mitochondries et mobilise des enzymes.

La production d’ATP, via la respiration nécessite, du pyruvate (substrat), de l’ADP + Pi. (? ATP)

Les réactions de la respiration, se déroulant dans la membrane des crêtes mitochondriales, catalysées par des enzymes et utilisant un substrat provenant de réactions cytoplasmiques, produisent de l’ATP (énergie)

Activité 1c-   Les étapes de la respiration cellulaire

v  a- La glycolyse, dans le cytoplasme.

fig:Réaction observée dans le cytoplasme d’une cellule

La dégradation des nutriments débute toujours dans le cytoplasme de la cellule par une glycolyse (=dégradation du glucose). C'est une suite complexe de réactions qui dégradent une molécule de glucose (C6) en deux molécules d'acide pyruvique (C3):

Quelques caractéristiques

ü  C'est toujours un phénomène anaérobie, c'est-à-dire qui ne consomme pas de dioxygène.

ü  Elle comprend plusieurs réactions catalysées chacune par une enzyme spécifique et produisant une série de métabolites intermédiaires entre le produit initial, le glucose,  et le produit final, l'acide pyruvique (succinate par exemple).

ü   Le Glucose est oxydé en pyruvate par déshydrogénation. Les Hydrogènes et les électrons libérés sont fixés sur un accepteur ou transporteur de protons et d'électrons symbolisé R' (état oxydé) qui est ainsi réduit en R’H2.

ü  L’énergie libérée par cette oxydation est récupérée et permet la synthèse de 2 molécules d'ATP par mole de glucose oxydé.

ü  Pour que les phénomènes puissent se poursuivre, il est nécessaire que les molécules de transporteurs, maintenant réduits (R'H2) soient régénérées, c'est-à-dire repassent à l'état oxydé (R').

v  b) Les réactions se poursuivent dans la matrice.

La dégradation des métabolites amorcée dans le cytoplasme, se poursuit dans les mitochondries: dans la matrice, l'acide pyruvique est totalement dégradé sous l'action d'enzymes (décarboxylases et déshydrogénases): du dioxyde de carbone est libéré, les transporteurs de protons et d'électrons sont réduits (R'H2) et de l'ATP est produit.  

D’un point de vue énergétique, après dégradation totale de la molécule de glucose, une petite partie de l’énergie a été récupérée sous forme de 4 molécules d’ATP. La plus grande partie de l’énergie est encore stockée dans les composants réduits R’H2.

c) …puis dans les crêtes mitochondriales.

Au niveau de la membrane interne (crêtes) les molécules de transporteurs réduits (R'H2) sont régénérées (R') grâce à des molécules spécialisées qui constituent la chaîne respiratoire et assurent une série de réactions d'oxydoréduction. Le dioxygène constitue l'accepteur final de protons et d'électrons: lui-même réduit, il permet la formation de molécules d'eau.

Fig: réactions observées dans la membrane des crêtes mitochondriales 

Ainsi, les échanges gazeux respiratoires, d'une part en assurant une série de déshydrogénations et de décarboxylations et d'autre part en ne libérant pas d'emblée, d'un seul coup leur énergie, mais par fractions, permettent-ils une suite d'oxydo-réductions cellulaires productrices d'ATP.

En effet le recyclage des transporteurs est couplé à la synthèse de 16 à 18 molécules d'acide adénosine tri-phosphate par mole d'acide pyruvique, grâce à des ATP-synthétases fixées sur la membrane interne des mitochondries.                                                                                                                                                          Si l'on prend en compte la glycolyse, la respiration cellulaire produit ainsi 36 moles d'ATP par mole de glucose oxydé.

bilan la Respiration cellulaire 

2- La fermentation cellulaire, une autre voie de production d'ATP.

La dégradation du glucose lors de la respiration cellulaire, qui permet la production de 36 mol&cules d’ATP par molécule de glucose oxydée, nécessite du dioxygène. Cependant, certaines cellules peuvent vivre en anaérobiose en réalisant une fermentation. En quoi consistent les fermentations ? Comment l’ATP est-il produit en anaérobiose ?

Activité 2a-  Etude expérimentale de la fermentation alcoolique (TP)

- Moins il y a d’O2, plus le rendement diminue, et plus de l’éthanol apparaît dans le milieu

- Sachant que l’éthanol est une molécule

carbonée (CH3 - CH2 - OH) (C2H5OH) qui représente encore 1 360 kJ par mole d'éthanol (énergie potentielle), on peut dire que dans le cytoplasme des cellules la glycolyse se poursuit par une réaction qui produit une molécule contenant encore de l’énergie non extraite : l’éthanol. Il s’agit donc d’une dégradation incomplète du glucose, (contrairement à la respiration qui produit CO2 et H2O, qui ne contiennent plus d’énergie = extraction complète).

Il s’agit de la fermentation alcoolique

On peut écrire l'équation‐bilan de la fermentation alcoolique de la sorte:

C6H12O6 ‐‐‐‐‐‐> 2 CH3 ‐ CH2OH + 2 CO2

Activité 2b-  Etapes de la fermentation alcoolique (TP)

1. La fermentation débute dans le cytoplasme par la glycolyse:

2. Dans le cas de la fermentation alcoolique, l'acide pyruvique est d'abord décarboxylé (perte de CO2), le métabolite qui en résulte (l'éthanal) est ensuite réduit en éthanol avec régénération du transporteur:

Ces réactions d'oxydo-réduction ne libèrent pas une quantité suffisante d'énergie pour permettre la synthèse d'ATP. Donc seule la glycolyse produit de l'ATP lors des fermentations. Le bilan en ATP de la fermentation alcoolique est donc de 2 moles d'ATP par mole de glucose oxydé.

Par contraste avec l’oxydation complète du substrat liée aux mitochondries, une oxydation incomplète est possible par fermentation. Elle produit un déchet organique, reste du substrat réduit non totalement oxydé lors du processus de dégradation.

Cette fermentation permet un renouvellement peu efficace mais réel des intermédiaires métaboliques, ce qui autorise dans le cas de la fermentation alcoolique, une vie sans oxygène.

Activité 2c-  Comparaison respiration – fermentation alcoolique

Bilan structural et fonctionnel d'une cellule vivante

Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d'entrée et de rejet de matière, qu'accompagnent des conversions énergétiques.

La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières, catalysées par des enzymes spécifiques, par exemple dans la mitochondrie et le chloroplaste, qui proviennent probablement de bactéries qu'une cellule hôte ancestrale aurait adoptées comme endosymbiotes.

Le noyau, par l'information génétique qu'il contient, dirige la synthèse des protéines, et donc des enzymes nécessaires au métabolisme de la cellule.

Au sein d'une cellule eucaryote, la production d'ATP est assurée:

• dans les chloroplastes des cellules autotrophes lors de la phase photochimique de la photosynthèse. L'ATP produit est utilisé dans la seconde phase, pour la réduction du CO2.

• dans les mitochondries de toute cellule autotrophe ou hétérotrophe, lors de la respiration cellulaire.

• dans le cytoplasme de quelques types de cellules par fermentation lorsque le dioxygène fait défaut.

Choisissons comme exemple la cellule végétale chlorophyllienne pour y dresser un bilan des deux modalités de transfert énergétique: le cycle de l'énergie dans la biosphère étant un cycle de transfert d'électrons, dans la photosynthèse, les électrons transitent d'un bas potentiel, celui de l'eau, à un potentiel élevé, fortement réducteur, celui de RH2; dans la respiration, le transit se fait dans le sens inverse. De l'énergie est ainsi récupérée pour synthétiser de l'ATP.