auto/hétérotrophe
pro/eucaryote
Équation
globale de la respiration : C6H12O6 +
6O2 ----> 6CO2 + 6H2O + énergie
organite
clef de la respiration (on se limite aux cellules eucaryotes) :
mitochondries
2.2 : Energie en hétérotrophie
Quels sont les mécanismes cellulaires et moléculaires qui permettent de produire de l’énergie par respiration ?
2,2,1 : Respiration
A quoi sert le dioxygène utilisé lors de la respiration ?
A : expériences ExAO sur fractions mitochondriales
composés
réduits R'H2
réoxydation
des composés réduits
A1 : Mesure de la respiration mitochondriale / ExAO
© TSS TP ExAO respiration mitochondriale.odt
© ExAO mitochondriale résultats.odg
Glucose,
pyruvate, ATP, O2
A2 : Modélisation des molécules / Rastop
Librairie de molécules :
http://www.librairiedemolecules.education.fr/recherche.php?typeclassification=chimique&idcat[]=polysaccharide
FT fournies au TP de Bac (ECE) :
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/bankact/index.php?m=1&sm=1
pour explorer et visualiser des données des
molécules en 3D :
A3 : équation bilan de la glycolyse
\Glycoly.gif
Oxydation
glycolyse
dans le hyaloplasme = cytosol
comment les mitochondries sont-elles organisées ?
A4 : Observation de mitochondries / ME
© Mitochondries.odg
Légender les photographies
annalyser le tableau de composition : que
suggère la présence de nombreuses enzymes ? Que suggère le
nom de ces enzymes ?
Remarque : La membrane
interne forme des crêtes ce qui augmente considérablement sa
surface.
Que devient le pyruvate dans la matrice mitochondriale ?
A5 : Réactions chimiques intramitochondriales
© glycolyse schematisation.odt
cycle
de Krebs (dans la mitochondrie)
CO2
– 5 R’H2 (qui doivent être réoxydés pour que la production d’ATP perdure) ;
– 1 ATP (utilisable par la cellule) ;
– 3 CO2 (rejeté dans le milieu extracellulaire).
Correction
Exp
1
On
observe qu’au temps T1, le glucose extracellulaire pénètre dans
la cellule. On retrouve le glucose au 14C
radioactif dans le cytosol.
Au
temps T2, il n’y a plus de glucose dans le cytosol, la
radioactivité se retrouve dans les molécules de pyruvate. Donc le
glucose a été transformé en pyruvate dans le cytosol.
On
retrouve progressivement le pyruvate dans la matrice mitochondriale.
Au
temps T3 et T4, la radioactivité est retrouvée dans les molécules
de dioxyde de carbone émises dans le milieu extérieur.
Exp2
On observe qu’il n’y a production de CO2 que dans la
matrice en présence de pyruvate. L’ajout d’O2 ne
change rien. La 2ème étape a donc lieu dans la matrice
et ne nécessite pas d’O2.
En effet, l’acide pyruvique subit des décarboxylations, soit des
pertes des groupements carboxyle du pyruvate, grâce aux enzymes
décarboxylases ; et des déshydrogénations, soit des pertes
D’H+ + e-, grâce à des déshydrogénasases. Il y a
donc une série de décarboxylations oxydatives à partir du
pyruvate, d’où formation de composés R’H2 et
CO2 qui sera libéré
Ces réaction sont exergoniques (libèrent de l’énergie), et
couplées à la phosphorysation de l’ADP, d’où synthèse d’ATP.
À la fin de cette seconde étape, pour une molécule d’acide
pyruvique consommée et trois molécules d’eau, il y a eu
production de :– 5 R’H2 (qui doivent être réoxydés pour que la production d’ATP perdure) ;
– 1 ATP (utilisable par la cellule) ;
– 3 CO2 (rejeté dans le milieu extracellulaire).
Equation :
2 CH3COCOOH
+ 10 R’ + 6 H20
+ 2 ADP + 2Pi → 6 CO2
+ 10 R’H2
+ 2 ATP
Cette
réaction ou 2nde
étape correspond au cycle de Krebs.
Exp3
On observe qu’après ajout du cyanure, le pourcentage d’O2
reste stable à 20%.
Après l’injection du cyanure, les levures ne consomment plus d’O2
donc elles ne respirent plus.
La
cyanure bloque donc la respiration des levures, et on peut supposer
qu’il bloque également la production d’énergie ATP.
Exp
4
On observe que les mitochondries consomment de l’O2, en
fonction du temps. Parallèlement il y a production d’un peu d’ATP.
Après ajout de R’H2 et ADP +Pi, on observe une très
forte consommation d’O2 qui s’opère en parallèle à
une brusque augmentation de production d’ATP. Puis, la quantité
d’O2 continue à baisser et celle de l’ATP à
augmenter, mais de manière moins spectaculaire, avec une sorte de
retour à avant l’ajout. Donc on en déduit que l’ajout d’ADP+
Pi couplé à O2, permet la production d’ATP. Le retour
à la normale s’opère quand tous les ADP + Pi se sont transformés
en ATP.
La consommation d’O2 par les
mitochondries augmente quand on injecte des RH2
et de l’ADP. Elles réalisent la respiration et produisent donc de
l’ATP.
Quand on injecte des R'H2 et de l’ADP avec du cyanure,
on observe qu’aucune réaction n’a lieu. Pourtant O2
continue à être consommé et ATP à être produit jusqu’à
un certain instant t. A ce moment-là, on observe un brusque arrêt
de consommation d’O2 et de production d’ATP (la courbe
ne va pas jusqu’au bout). On en déduit que la réaction continue
pendant un temps grâce à l’O2 qui était déjà
présent, mais qui s’arrête dès qu’il n’y en a plus ; le
cyanure empêchant un nouvel apport en O2 qui permettait à
l’ATP d’être produit.
Donc
on peut dire que l’ATP est produit en grande quantité, en présence
d’O2 et
d’ADP + Pi, c’est-à-dire quand il y a respiration. Le cyanure va
bloquer cette production d’énergie en empêchant la consommation
d’O2
et donc la respiration.
Exp
5
On observe qu’il y a production d’ATP à partir d’ADP + Pi et
oxydation des composés R’H2 en R’, seulement dans la
membrane interne et en présence de dioxygène. La 3ème
étape (réoxydations des composés réduits et production d’ATP)
ne se produit donc qu’au niveau de la membrane interne des
mitochondries.
Remarque : La membrane interne forme des crêtes
ce qui augmente considérablement sa surface.
- Les R’H2 issus de la glycolyse et du cycle de Krebs sont oxydés par de l’O2, suite à des réactions d’oxydo-réduction.
Les e- sont transmis de proches en proches à des oxydants qui
forment la chaîne respiratoire, pour être finalement cédés au O2,
qui est donc l’accepteur final des e-.
La réduction de O2 produit de l’eau (molécule
minérale) selon la réaction suivante : O2 + 4 e- +
4 H+ → 2 H2O
- Ces réactions libèrent de l’énergie qui, grâce aux enzymes ATP-synthétases de la membrane interne des mithochondries, permettra de synthétiser de l’ATP.
Remarque : Cette réaction permet de régénérer
les R’, condition indispensable à la poursuite de la glycolyse, et
de l’oxydation du pyruvate dans les mitochondries.
Equation :
12 R’H2
+ 6 O2
+ 32 ADP + 32Pi → 12 R’ + 12 H20
+ 32 ATP
Cette
réaction libère donc la majorité de l’énergie qui sera ensuite
réutilisée par l’organisme de l’être vivant. Elle
se fait dans les crêtes mitochondriales le long de la chaîne
respiratoire dont le dernier accepteur l’électrons et de protons
est O2.
il se forme ainsi de l’eau. 32 ATP et 32 P sont intervenus dans le
couplage énergétique.
Conclusion :
La 1ère
étape de la respiration cellulaire a lieu dans le hyaloplasme
cellulaire où il y a dégradation du glucose en pyruvate. Cette
réaction appelée glycolyse est à l’origine de la production
d’ATP et de composés réduits R’H2.
La 2ème
étape de la respiration cellulaire se déroule dans les
mitochondries. Dans la matrice de celles-ci, l’acide pyruvique est
progressivement oxydé en CO2
(molécule minérale), au cours d’une suite de réactions chimiques
constituant le cycle de Krebs. Cette étape est une suite de
décarboxylations oxydatives qui s’accompagne de la production
d’ATP, de composés réduits R’H2,
et qui conduit à la libération de CO2.
Lors de la 3ème
et dernière étape de la respiration cellulaire, les composés
réduits formés au cours des étapes précédentes sont oxydés par
le dioxygène dans la chaîne respiratoire. Ces oxydations sont
couplées à une production importante d’ATP.
A partir d’une molécule de glucose,
totalement oxydée lors de la respiration cellulaire, on a l’équation
finale :
C6H12O6
+ 6 O2
→ 6 CO2 +
6 H2O
+ 36 ATP
Il y a ainsi peu de substrat oxydé pour
beaucoup d’ATP formé.
