Les électrons riches en énergie provenant du glucose

La respiration cellulaire
Idée Essentielle: la respiration cellulaire fournit
de l’énergie pour les fonctions de la vie.
Nature de la science
L’évaluation de l’éthique de la recherche scientifique : l’utilisation d’invertébrés
pour réaliser des expériences avec un spiromètre a des implications d’ordre éthique.
(4.5)
Notions-Clés
2.8 N1
La respiration cellulaire est la libération contrôlée
d’énergie provenant de composes organiques pour
produire de l’ATP.
2.8 N2
L’ATP découlant de la respiration cellulaire est
immédiatement disponible en tant que source d’énergie
dans la cellule.
2.8 N3
La respiration cellulaire anaérobie produit un petit
rendement d’ATP a partir du glucose.
2.8 N4
La respiration cellulaire aérobie nécessite de l’oxygène et
produit un grand rendement d’ATP a partir du glucose
Les details des voies metaboliques de
la respiration cellulaire ne sont pas
requis mais il faut connaitre les
substrats et les dechets finals
Nature de la science
L’évaluation de l’éthique de la recherche scientifique : l’utilisation d’invertébrés
pour réaliser des expériences avec un spiromètre a des implications d’ordre éthique.
(4.5)
Compétences et Applications
2.8 A1
L’utilisation de la respiration cellulaire
anaérobie dans les levures pour produire de
l’éthanol et du dioxyde de carbone dans la
cuisson.
2.8 A2
la production de lactate chez les êtres humains
quand on utilise la respiration anaérobie pour
maximiser le pouvoir des contractions
musculaires.
2.8 C1
l’analyse des résultats d’expériences impliquant
la mesure des taux de respiration dans des
graines en germination ou chez des invertébrés
en utilisant un spiromètre.
On peut utiliser de nombreux spiromètres
simples. Les élèves doivent savoir que l’on
utilise un alcali pour absorber le CO2, et que,
par conséquent, les réductions du volume sont
dues a l’utilisation de l’oxygène. La
température doit être gardée constante afin
d’éviter les changements de volume découlant
des fluctuations de la température.
Photosynthèse et respiration
Autotrophes :
Photosynthèse et respiration.
Fabriquent leur propre matière organique.
Hétérotrophes :
Respiration ou fermentation.
Transforment la matière organique végétale en matière
organique animale.
Équation générale
C6H12O6 + 6O2
Glucose +
Oxygène
ADP + Pi ATP
---------------------
6CO2
+ 6H2O
Gaz carbonique + Eau
+ énergie
2.8.N1 La respiration cellulaire est la libération contrôlée d’énergie provenant de composes organiques
pour produire de l’ATP
6 CO2 + 6 H2O + Énergie
1 glucose + 6 O2
La respiration libère de l'énergie. D'où vient cette énergie?
Des électrons
Plus un électron est sur une
orbitale élevée, plus il contient
d’énergie.
Il faut fournir de l’énergie à un
électron pour qu’il passe d’une
orbitale basse à une orbitale
élevée.
Inversement, un électron qui
passe d’une orbitale élevée à une
plus basse libère de l’énergie
Respiration du glucose:
6 CO2 + 6 H2O + Énergie
1 glucose + 6 O2
La respiration libère de l'énergie. D'où vient cette énergie?
Des électrons
Lorsqu'un électron situé à un niveau élevé passe à un niveau plus bas, il perd de
l'énergie.
Au cours de la respiration, les électrons du glucose
perdent de l'énergie.
Dans la respiration, l'énergie est libérée par étapes (et non d'un seul
coup).
Les électrons riches en énergie (niveau élevé) du glucose sont transférés à d'autres
molécules: les transporteurs. À chaque transfert, l'électron perd de l'énergie.
Hydrogène
"arraché" au
glucose
Électrons
"arrachés" à
l'hydrogène
Formation d'eau
Électron capturé par l'oxygène
Électron
transféré à un
transporteur
Etc.
Électron
transféré à un
autre
transporteur
L'énergie dégagée à chaque
transfert est convertie en
ATP
L'ATP formé est
libéré dans la
cellule
La respiration se divise en quatre grandes phases:
1.
2.
3.
4.
La glycolyse
La réaction de transition
Le cycle de Kreb
La chaîne de transport d'électrons (ou chaîne respiratoire ou
phosphorylation oxydative)
Glycolyse , réaction de transition
et cycle de Kreb:
Chaîne de transport des électrons:
"déshabillage" de la molécule de glucose et
extraction des électrons riches en énergie.
Utilisation de l'énergie des
électrons pour former de l'ATP.
La glycolyse
Se produit dans le cytoplasme
1 glucose (C6)
2 pyruvates (C3)
2 ATP produits (NET)
4 H (et leurs électrons) "arrachés" au glucose
2 ADP + 2P
2 ATP
2
4H
glucose
C6H12O6
pyruvate
C3H4O3
Le NAD+ est un transporteur d'électrons
riches en énergie.
NAD+ = nicotinamide adénine dinucléotide
Chaque NAD+ capte 2 électrons
Substrat-H2
+ NAD+
Substrat + NADH + H+
N.B. 2H = 1H + 1 H+ + 1 électron
La glycolyse
2 ATP consommés
Le glucose (C6) est brisé en 2
molécules à 3C (PGAL)
2 H+ et 2 électrons arrachés
4 ATP produits (2 pour
chacun des 2 PGAL produits)
Le PGAL est transformé en
pyruvate (C3)
http://www.youtube.com/watch?v=0WX8X3qoaOU
Bilan
Bilan de la glycolyse
1 Glucose (C6)
2 Pyruvates (C3)
Vers la réaction de
transition
2 ATP (net)
2 H 2O
2 NADH + H+
À être utilisé dans
la chaine de
transport
Réaction de transition
(Décarboxylation oxydative)
 Raccourcir le Pyruvate (C3 ) en acétyl-CoA
 un (C2 ), donc il y a production de 2 CO2
 Le NAD+ supprime 2 électrons afin d’oxyder le pyruvate
 Demande de l’ O2 et se produit aussi longtemps que les
niveaux d’O2 sont disponibles
 Se passe dans le cytoplasme, la membrane externe, l’espace
intermembranaire, la membrane interne et la matrice de la
mitochondrie (partout !!!)
 Produit 2 NADH+ + H+
 Acétyl-CoA est une co-enzyme qui contient un groupement
fonctionnel à base de souffre électro-négatif
Bilan
Bilan de la réaction de transition
2 Pyruvates (C3)
2 Acétyl - CoA)
Vers cycle de Krebs
0 ATP
2 CO2
2 NADH + H+
À être utilisé dans
la chaine de
transport
Bilan de la glycolyse et de la réaction de transition (cumulatif)
1 Glucose (C6)
2 Acétyl - CoA)
Vers cycle de Krebs
2 ATP (net)
2 CO2
2 H 2O
4 NADH + H+
À être utilisé dans
la chaine de
transport
Le cycle de Kreb (ou cycle de l'acide citrique)
Sir Hans Kreb (1900-1981)
Prix Nobel 1953 pour la découverte
dans les années 30 du cycle qui porte
son nom.
Le pyruvate contient encore de nombreux électrons riches en
énergie. Ils sont extraits dans cette phase.
Les enzymes du cycle de Krebs terminent l’oxydation des
pyruvates.
Le pyruvate entre dans les
mitochondries. Le cycle de Kreb se
déroule dans les mitochondries
(matrice).
Cycle de Krebs
Bilan à la fin du cycle de Kreb
Le glucose a complètement été démoli en CO2 et H
Seulement 4 ATP net ont été produits pour chaque glucose (2 dans la glycolyse
et 2 dans le cycle de Kreb).
L’énergie du glucose est contenue dans les électrons des hydrogènes
transportés par le NADH et le FADH; ces électrons sont encore à
des niveaux énergétiques élevés.
Bilan du Cycle de Krebs
 C’est un cycle qui commence avec de l’oxaloacétate (C 4) et
se termine avec de l’oxaloacétate (C4 )
 Voie métabolique qui oxyde l’Acétyl-CoA en CO2 + H2O pour
former l’ATP
 9 réactions au total
 Enzyme enlève le groupement acétyl de Acétyl-CoA
 Combine avec une mole oxaloacétate à 4 C pour faire un citrate à 6 C
 Une fois le groupement acétyl enlevé, la coenzyme est libérée
 Demande de l’ O2
 Se passe dans la matrice
1 Pyruvate
2 Pyruvates
ATP
1
2
CO2
2
4
NADH
3
6
FADH2
1
2
Bilan
Bilan du Cycle de Krebs
2 Acétyl CoA (C2)
2 FADH2
À être utilisé dans la
chaine de transport
2 ATP
-2 H2O
4 CO2
6 NADH+ + H+
À être utilisé dans la
chaine de transport
Bilan des trois premières étapes (cumulatif )
1 Glucose (C6)
2 FADH2
À être utilisé dans la
chaine de transport
4 ATP (net)
6 CO2
0 H 2O
10 NADH+ + H+
À être utilisé dans la
chaine de transport
La chaîne de transport d'électrons
Se déroule sur la membrane
interne des mitochondries.
Les électrons riches en énergie
provenant du glucose
(transportés par les NADH et
FADH2) sont transférés à des
transporteurs d'électrons situés
sur la membrane interne.
Les plis de la membrane interne (crêtes)
permettent d’en accroître la surface.
Transporteurs
d’électrons, pompes à
protons et enzymes
synthétisant de l’ATP
(ATPsynthétases)
FADH2
NADH
Le NADH (ou le
FADH2) cède ses
électrons riches en
énergie à un
transporteur
d'électrons de la
membrane interne
de la mitochondrie.
Les électrons
passent d'un
transporteur à
l'autre. À
chaque
transfert, ils
perdent de
l'énergie.
L'oxygène accepte
les électrons à la
fin de la chaîne et
se combine aux 2
H+ pour former de
l'eau.
Chaîne de transport d'électrons dans la
membrane interne de la mitochondrie
Les électrons riches en énergie sont
transférés du NADH ou du FADH2 à des
transporteurs d'électrons de la membrane
interne de la mitochondrie. À chaque
transfert, l'électron perd de l'énergie. À la
fin de la chaîne, l'électron qui a perdu
beaucoup d'énergie peut être accepté par
l'oxygène.
Les électrons perdent de l'énergie à chaque
transfert.
L'énergie provenant des électrons transférés sert à "pomper" des ions H+ dans
l'espace intermembranaire de la mitochondrie (entre la membrane externe et
l'interne)
Formation d'un gradient électrochimique
Accumulation d'ions
H+ dans l'espace
intermembranaire
Gradient de
concentration :
l'espace
intermembranaire
devient plus
concentré en ions H+
(plus acide).
Gradient électrique : un côté de la membrane
devient positif (accumulation d'ions +) et
l'autre, négatif (déficit en ions + par rapport aux
ions -).
Gradient électrochimique ==> les ions H+ ont tendance à diffuser vers la matrice
(= force protomotrice).
Ils le font en passant par des ATP synthétases.
Chimiosmose
La force protomotrice (ions H+ qui
diffusent à travers l'ATP
synthétase) permet la formation
d'ATP à partir d'ADP et P.
Matrice
Espace intermembranaire
2.8.N4 La respiration cellulaire aérobie nécessite de l’oxygène et produit un grand rendement d’ATP a
partir du glucose
Bilan de la chimie osmose ou chaine de transport
2 NADH+ + H+
4 ATP
Provenant de la
glycolyse
2 NADH+ + H+
6 ATP
Provenant de la
réaction de transition
6 NADH+ + H+
18 ATP
Provenant du cycle de
Krebs
2 FADH2
4 ATP
Provenant du cycle de
Krebs
Total
32 ATP
Bilan de la respiration cellulaire (cumulatif )
1 Glucose (C6)
36 ATP (net)
6 CO2
H 2O
Note:
Les électrons du NADH dans le cytoplasme peuvent produire seulement 2 ATP car ils doivent traverser la membrane externe de la
mitochondrie. (Glycolyse)
Les électrons du NADH (R. de transition et Cycle de Krebs ) sont déjà dans la matrice donc peuvent produire 3 ATP.
Bilan de la respiration :
Théoriquement, chaque mole de glucose - rendement d’environ 40% (40%
de l’énergie du glucose convertie en ATP et 60% en chaleur)
En pratique, la cellule parvient à tirer environ une trentaine d’ATP par
molécule de glucose.
Lipides
Protéines
Glucose
Glycolyse
Glycérol + Acides gras
Glycérol
PGA
Pyruvate
Acétyl-CoA
Acide Citrique
Cétoglutarate
Succinate
Oxaloacétate
Acides gras
Chez beaucoup de procaryotes, une structure semblable à l’ATPsynthétase sert
à faire tourner un long fouet appelé "flagelle" permettant à la cellule de se
déplacer.
2.8.N3 La respiration cellulaire anaérobie produit un petit rendement d’ATP à partir du glucose
La Fermentation
Fermentation = Respiration Cellulaire Anaérobie
 La fermentation est un processus d’utilisation du
glucose pour l’obtention d’ATP sans la présence
d’oxygène ou lorsque l’oxygène vient à manquer. C’est
une voie métabolique qui sert aussi au recyclage du
NAD+.
 Réactions se produisent à l’extérieur de la
Mitochondrie
Fermentation
 Production d'énergie sans utilisation d'oxygène
 Produit beaucoup moins d'énergie : 2 ATP par
molécule de glucose contre 36 pour la respiration
 Plusieurs types : fermentation alcoolique, fermentation
lactique, etc.
Un organisme pourrait-il fonctionner en
ne faisant que de la glycolyse?
La cellule finirait par manquer de NAD+
La Fermentation des Cellules Végétales
 Le glucose passera par tout le processus normal de la
glycolyse.
 Les molécules de pyruvates seront ensuite transformées en
CO2 et en molécules de transition : les acétaldéhydes.
 Ces acétaldéhydes deviendront ensuite de l’éthanol ou aussi
dits acides éthyliques.
 Les dernières réactions serviront à redonner des molécules
de NAD+ à partir des NADH produits en glycolyse. On dit
dont que la fermentation est un processus de reformation
des NAD+ permettant ainsi de continuer la glycolyse.
Fermentation alcoolique
La transformation du pyruvate en acétaldéhyde puis en alcool permet de
redonner du NAD+ à partir du NADH
La Fermentation des Cellules Animales
 Le glucose passera par tout le processus normal de la
glycolyse.
 Les molécules de pyruvates seront ensuite transformées
en lactate ou aussi dits acides lactiques.
 Là encore, les dernières réactions serviront à redonner
des molécules de NAD+ à partir des NADH produits
en glycolyse.
Fermentation lactique
Les muscles font de la
fermentation lactique s'il
n'y a pas assez d'oxygène.
Le lactate produit peut
être converti dans le foie
en pyruvate qui peut
ensuite être respiré.
Le NAD+ est recyclé par la transformation du pyruvate en lactate (acide
lactique)
Bibliographie / Remerciement
Gilles Bourbonnais
Cégep de Sainte-Foy
Damon, Alan, et al. Higher Level Biology. London,
England. Pearson Education Limited. 2007. 710 pages.
ANONYME. Biology. Australia. IBID Press. 2008
Allot, Andrew. Biology for the IB diploma – Standard and
higher level. New York. IB Study Guides. Oxford
University Press. 2007.
WALPOLE, Brenda et al. Biology for the IB Diploma. New
York, Cambridge University Press, 2011, 602pages.
REECE, Jane. et al. Biologie 4e édition, ERPI, 2012, 1458
pages