Les phénomènes responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique au niveau de la cellule

Introduction

Les cellules vivantes ont besoin d’énergie pour assurer leurs activités. Les nutriments organiques contiennent de l’énergie chimique potentielle et leur dégradation plus ou moins complète par les cellules libère l’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP.

Quelles sont les réactions responsables de la conversion de l’énergie potentielle contenue dans les métabolites en énergie utilisable par les cellules ?

La vidéo suivante présente un résumé du chapitre

I – Les voies métaboliques responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique.

1 – Mise en évidence de ces voies métaboliques.

Données expérimentales : on prépare deux solutions de levures (champignon unicellulaire) : une solution bien oxygénée (milieu aérobie), et l’autre solution sans oxygène (milieu anaérobie). À la fin de l’expérience, on mesure les concentrations d’O2, CO2, glucose… dans ces milieux.

Le tableau suivant montre les résultats obtenus à la fin de l’expérience.

Q-1 – Analysez les résultats obtenus dans chaque milieu.

Q-2 – Déterminez la voie métabolique utilisés par la levure dans chaque milieu, et donnez la réaction générale de chaque voie.

Q-3 – proposez une hypothèse pour expliquer la différence entre la quantité de la levure produite dans les deux milieux.

R-1 – Comparaison :

Dans le milieu aérobie : on constate la consommation de toute la quantité initiale (150 g) du glucose dans un temps court (9 jours), avec une forte libération du H₂O et CO2, et la production d’une quantité importante de la levure (1.97g).
Dans le milieu anaérobie : on constate la consommation partielle de la quantité initiale du glucose (45 g de 150 g) dans une longue duré (90 jours), avec la libération d’alcool et de faible quantité de CO2, et la production d’une quantité faible de levure (0,255 g).

R-2-

Dans le milieu aérobie, la levure consomme le glucose (matière organique) en présence d’O2 et libère du CO2 et H₂O. Donc, la voie métabolique utilisé dans ce cas est la respiration cellulaire. C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.
Dans le milieu anaérobie, la levure consomme le glucose en absence d’O2 et libère de l’alcool (éthanol). Donc, la voie métabolique utilisé est la fermentation alcoolique. C6H12O6 → 2C3CH2OH + 2CO2.

R-3 – Hypothèses :

Peut-être que la plus grande quantité du glucose utilisé dans le milieu aérobie a fournis plus d’énergie pour la multiplication des cellules de levures, et donc production d’une plus grande quantité de levure.
Peut-être que la respiration libère plus d’énergie (de chaque molécule de glucose) que la fermentation. Le rendement énergétique de la respiration est plus fort que la fermentation.

2 – Compartiments cellulaires responsable de la respiration et la fermentation.

La figure suivante montre l’observation microscopique de la cellule de la levure en milieu anaérobie A, et en milieu aérobie B.

Q – Comparez les deux cellules, et déduisez la relation entre les compartiments cellulaires responsable de la respiration et la fermentation.

R-

Les deux cellules présente un noyau et des vacuoles. Mais, on constate que les mitochondries ne sont présente que dans la cellule mise en aérobie.
Donc, les mitochondries sont les organites cellulaires responsables de la respiration, alors que la fermentation se fait seulement dans le cytoplasme (hyaloplasme).

Bilan : la respiration et la fermentation sont les deux voie métabolique responsable de la libération de l’énergie emmagasiné dans la matière organique.

II – la glycolyse : étape commune entre la respiration et la fermentation.

1 – destinée du glucose dans la cellule

Données expérimentales : des cellules de levure sont cultivées dans un milieu aérobie (respiration) contenant du glucose (G) radioactif marqué au 14C. Des prélèvements effectués aux temps t0, t1, t2, t3 et t4 permettent de noter l’apparition de nouvelles substances radioactives : le pyruvate (P), les acides du cycle de Krebs (K) et CO2. Les résultats obtenus sont représentés dans le tableau suivant :

Q-1 – Déterminez les étapes de transformation du G dans la cellule durant la respiration.

Q-1 – Réalisez un dessin schématique illustrant ces étapes.

Le même expérience réalisée en milieu anaérobie donne les résultats suivants :

Présence de G et P radioactif, mais absence K.
Production du éthanol radioactif.

Q-3 – déterminez la voie utilisée par les cellules dans cette deuxième expérience, le compartiment cellulaire ou elle se fait, et ses étapes.

R-1 – À t0 le glucose se situe dans le milieu extracellulaire, puis il entre dans la cellule (hyaloplasme) progressivement (t1). À t2 il n’y a plus de glucose radioactif dans l’hyaloplasme, la radioactivité se trouve dans les molécules de pyruvate. Donc, le glucose est transformé en pyruvate dans l’hyaloplasme (la glycolyse). Puis le pyruvate entre dans la matrice mitochondriale où il est transformé en acides du cycle de Krebs.

R-2-

R-3 – la voie métabolique est la fermentation, elle se déroule uniquement dans l’hyaloplasme, et se fait en deux étapes : la glycolyse puis la fermentation.

2 – la glycolyse

La figure suivante présente les étapes de la glycolyse.

Q-1 – Déterminez les étapes de la glycolyse.

Q-2 – Déterminez le bilan énergétique (en ATP) de la glycolyse.

R-1 – La glycolyse se déroule essentiellement en deux étapes :

Formation du fructose diphosphate avec consommation d’énergie : le glucose fixe un groupement phosphate issue de l’hydrolyse d’une molécule d’ATP et devient glucose phosphate. Ce dernier fixe lui aussi un groupement phosphate issu de l’hydrolyse d’une molécule d’ATP et se transforme en fructose diphosphate.
Formation de l’acide glycérique diphosphate : la molécule du fructose diphosphate se scinde en deux molécules d’un sucre en C3 appelé glycéraldéhyde phosphate. Chaque molécule de ce sucre fixe un groupement phosphate et subit une oxydation, elle libère des e- et de H+ que sont fixés par une molécule de NAD+, celle-ci est réduite en NADH, H+. À la suite de ces réactions le glycéraldéhyde phosphate se transforme en acide glycérique diphosphate.
Formation de l’acide pyruvique avec synthèse de l’ATP : chaque molécule d’acide glycérique diphosphate cède ses deux groupements phosphates à deux molécules d’ADP. Il en résulte la synthèse de quatre molécules d’ATP et la transformation de l’acide glycérique diphosphate en acide pyruvique.

R-2 – durant les étapes de la glycolyse 2 ATP sont consommées au début et 4 sont produites à la fin, donc le bilan énergétique en ATP est 4-2=2ATP.

N B : la glycolyse produit aussi 2 NADH, H+ (molécule riche en énergie).

Bilan :

III – Destinée de l’acide pyruvique durant la respiration cellulaire

1 – Rôle de la mitochondrie

Données expérimentales : Les manipulations suivantes sont réalisées par EXAO, sur des mitochondries isolées de cellules animales.

On place une suspension de mitochondries dans une solution nutritive riche en O2. On ajoute à la solution du glucose au temps t1, de l’acide pyruvique au temps t2 et l’ADP + Pi au temps t3. La figure () présente les résultats obtenus.

Q – on vous basant sur l’analyse du graphe, déterminez le rôle de la mitochondrie.

R-

Du temps 0 à t2, les concentrations d’O2 et d’ATP sont restées constantes, les mitochondries ne consomment pas O2 et ne produisent pas l’ ATP malgré la présence du glucose. Donc, les mitochondries n’utilisent pas le glucose directement comme métabolite énergétique.
L’ajout de l’acide pyruvique au temps t2 a provoqué la diminution (consommation) de la concentration d’O2 et l’augmentation (synthèse) du taux d’ATP. Donc, les mitochondries utilisent l’acide pyruvique comme métabolite énergétique.
L’ajout de l’ADP + Pi au temps t3 a causé l’élévation du taux de consommation d’O2 et aussi de la synthèse d’ATP. Donc, le métabolisme énergétique des mitochondries est stimulé en présence d’ADP + Pi (concentration élevée).
Donc les mitochondries consomme l’O2 et l’acide pyruvique et synthétisent l’ ATP.

2 – Ultrastructure de la mitochondrie

La figure () montre une observation microscopique de la mitochondrie, la figure () présente al structure moléculaire des membranes de la mitochondrie et le tableau présente les constituants des différents éléments d’une mitochondrie.

Q – Décrivez l’ultrastructure de la mitochondrie.

R – Les mitochondries sont des organites délimités par deux membranes : la membrane externe et la membrane interne qui présente des replis appelés crêtes mitochondriales. Entre ces deux membranes se trouve l’espace inter-membranaire. La membrane interne limite la matrice à l’intérieur.

La membrane interne est caractérisée par sa richesse en enzymes et porte des sphères pédonculées tournées vers la matrice.

3 – Dégradation de l’acide pyruvique dans la matrice

La dégradation de l’acide pyruvique dans la matrice se fait en deux étapes que sont la formation de l’acétylcoenzyme A et le cycle de Krebs.

Formation de l’acétylcoenzyme : l’acide pyruvique subit une décarboxylation (enlèvement de CO2) et une déshydrogénation (enlèvement de H+) dont le résultat est un groupement acétyle CH3CO qui se fixe sur un composé appelé coenzyme A pour donner l’acétylcoenzyme, cette étape est accompagné par la formation d’un NADH, H+.

Cycle de Krebs : l’acétyle se lie à une molécule en C4 (oxaloacétate) pour former une molécule en C6 (acide citrique). Ce dernier est dégradé progressivement par des réactions de décarboxylation et de déshydrogénation constituants de cycle de Krebs. Chaque cycle de Krebs est accompagné par l’enlèvement de 2 CO2, la formation de 3 NADH,H+ et 1 FADH2, et la synthèse d’un ATP.

Bilan :

2 – La chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative

a – Données expérimentales

Pour mettre en évidence le rôle de la chaîne respiratoire dans la respiration cellulaire, et les conditions de formation d’ATP on propose les données suivantes :

Donnée 1 : Une solution enrichie en mitochondries et coenzymes réduits (NADH, H+) est contenue dans un milieu confiné dépourvu de dioxygène. En injectant une solution de O2 (pulses), on étudie son influence sur la concentration en protons du milieu extérieur. Le montage expérimental et les résultats obtenus sont présentes par la fig suivante.

Q-1 – Analysez et expliquer ces résultats.

Donnée 2 : On traite des mitochondries aux ultrasons, ce qui induit la fragmentation de leurs membranes internes. Des vésicules de 100 nm de diamètre se forment (fig), ces vésicules contiennent des sphères pédonculées en contacte avec le milieu extérieur qui contient O2, l’ADP + Pi. On fait varier le pH du milieu extérieur (pHe) des vésicules mitochondriales et on mesure la quantité d’ATP synthétisé. Les résultats sont représentés par le tableau suivant.

Remarque: si on met des vésicules en présence de protéase (enzyme catalysant l’hydrolyse de protéines), les sphères se séparent des pédoncules qui restent attachés à la membrane interne. On constate alors que, placées dans les mêmes conditions que dans la 3ème expérience, les vésicules portant les pédoncules uniquement sont incapables de phosphoryler l’ADP en ATP.

Q-2 – On vous basant sur ces résultats expérimentaux, déterminez les conditions de synthèse d’ATP.

R-1-

Analyse :
Explication : En présence d’O2 la respiration est activée. Les coenzymes réduits (NADH, H+) sont oxydés (NADH, H+ → NAD+ + 2e- + 2H+), et les protons H+ libérés sont transférés de la matrice à l’espace inter-membranaire puis vers le milieu extérieur. Ce qui explique la forte augmentation de la concentration en H+. Dans un second temps, les protons retournent progressivement dans la matrice.

R-2 – les conditions permettant la synthèse d’ATP sont :

La présence d’ADP et de Pi.
Un pH extra-vésiculaire plus important que le pH de l’intérieur des vésicules (pHi < pHe). Or le pH dépend de la concentration de protons du milieu (plus la concentration de protons est faible, plus le pH est élevé). Dans notre cas, [H+]i > [H+]e. Il y aura donc une tendance des protons à sortir des vésicules.
La présence des sphères pédonculées.

b – Bilan :

la figure suivant montre un schéma synthétique du fonctionnement de la chaîne préparatoire et de la phosphorylation oxydative.

Q – résumez ces deux phénomènes, en vous basant sur le schéma de la fig.

R-

Les coenzymes réduits NADH, H+, FADH2 (formés au cours de la glycolyse et la dégradation du pyruvate dans la matrice) subissent la réoxydation selon la réaction suivante : TH2 → T+ + 2e- + 2H+.
Les e- cédés par cette réoxydation sont transportés par les transporteurs membranaires de la chaîne respiratoire (à la suite d’une succession de réaction d’oxydoréduction) jusqu’au dernier accepteur qui est O2. Ce dernier est réduit selon la réaction 1/2 O2 + 2e- + 2H+ → H2O.
Au cours du transport des e- par la chaîne respiratoire, certains complexes enzymatiques de cette chaîne utilisent l’énergie libérée par les e- pour pomper des H+ de la matrice vers l’espace inter-membranaire, pour former le gradient H+.
Finalement, les protons passent de l’espace inter-membranaire vers la matrice à travers les sphères pédonculées, ces dernières utilisent l’énergie du flux des H+ pour la synthèse de l’ ATP à partir de l’ ADP et Pi, selon la réaction suivante : ADP + Pi + énergie → ATP.

3 – Le bilan énergétique de la respiration cellulaire

Q – Sachant que l’oxydation d’une molécule de NADH, H+ permet la synthèse de 3ATP, et l’oxydation d’une molécule de FADH2 permet la synthèse de 2ATP. Calculez le bilan énergétique de la respiration.

R-

donc le bilan énergétique de la respiration cellulaire est 38 ATP.

Remarque : 36/38ATP.

IV – Destinée de l’acide pyruvique durant la fermentation

La fermentation est caractérisée par la dégradation partielle de la matière organique en absence d’O2.

1 – Fermentation alcoolique

L’acide pyruvique issu de la glycolyse subi une décarboxylation, puis il est réduit en éthanol avec régénération du transporteur (NADH, H+). L’équation bilan de la fermentation est :

Durant la fermentation alcoolique il y a production de 2ATP seulement.

2 – Fermentation lactique

Certaines cellules, comme les bactéries lactiques et les cellules musculaires sont capables de réaliser la fermentation lactique. Dans ce cas, la dégradation du glucose produit de l’acide lactique. L’équation bilan de la fermentation est :

Durant la fermentation alcoolique il y a production de 2ATP seulement.

V – Comparaison entre le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation

1 – Données expérimentales

Les études calorimétriques on permit de calculer l’énergie emmagasinée dans une mole de glucose (2860KJ), et l’énergie extraite durant la respiration et la fermentation lactique. Les réactions suivantes résument les résultats obtenus.

C6H12O6 + O6  6CO2 + 6H2O + 2840 KJ
C6H12O6  2CH3-CHOH-COOH + 168 KJ

Q-1 – Comparez l’énergie extraite du glucose durant chaque voie métabolique, puis expliquer la différence constatée.

Q-2 – Calculez le rendement énergétique en ATP pour chaque voie (R=(énergie transformée en ATP/énergie contenu dans une mole de glucose)*100).

R-1-

Comparaison : Durant la respiration, toute l’énergie emmagasinée dans le glucose (2840) est extraite. Alors que durant la fermentation, seulement 168 KJ est extraite.
Explication : La respiration conduit à une dégradation complète du glucose (les produit H2O et CO2 → 0KJ), donc un dégagement complet de l’énergie qu’il emmagasine. Par contre la fermentation conduit à une dégradation partielle du glucose, donc libération partielle de l’énergie (la plupart de l’énergie reste emmagasine dans le composé produit par la fermentation).

R-2 – calcule du rendement :

Pour la respiration : 40.81 %.
Pour la fermentation : 2.15 %.