Chap2 - La production d`énergie chimique (ATP) dans les cellules
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Chap2 - La production d'énergie chimique (ATP) dans les cellules sans énergie lumineuse. Rappel : l'ATP est une molécule capable de libérer par couplage de réactions beaucoup d'énergie. Il n'existe pas de réserves en ATP or son utilisation est permanente pour produire de l'énergie pour croître, bouger etc... ( chaque cellule en possède en moyenne 10-3 mol.L-1 or un individu de 70 kg utilise 40 kg d’ATP par 24 heures ! ) Comment l'ATP est-il renouvelé chez les organismes lorsque la photosynthèse n' a pas lieu ? Hypothèse connue depuis la seconde : « Respiration ou La dégradation des nutriments en présence d’O2 fournit l’énergie pour renouveler l'ATP nécessaire à la croissance ». Glucose + O2 donne CO2 + H2O ou Oxydation cellulaire. L' organite nécessaire est la mitochondrie située dans le cytoplasme. Comment tester l'idée que « la dégradation des nutriments en présence d’O2 fournit l’énergie pour renouveler l'ATP nécessaire à la croissance » Lister ici des conséquences vérifiables de l'hypothèse en lycée : • pas de croissance sans O2 • pas de croissance sans nutriments • plus il y a de nutriments, plus il y a croissance Mettre au point des protocoles : faire varier 1 seul paramètre à la fois . • Cultures de levures en présence ou absence d' O2 avec du glucose. On mesure soit les échanges gazeux soit • l'aptitude à proliférer des cellules. On s'attend à une prolifération si glucose et O2 présents et une régressionde la population si absence d'O2 même avec glucose Cultures en présence ou absence de glucose avec O2. On mesure soit les échanges gazeux soit l'aptitude à • proliférer des cellules. On s'attend à une prolifération si glucose et O2 présents et une régression de la population si absence de glucose même avec O2. L'expérimentation sur des cultures de levures avec différents substrats ( glucose, saccharose, lactose...), à concentration • égale, permettrait de tester quelle hypoyhèse : que la levure peut oxyder un ou plusieurs nutriments. Comment pourrait-on tester l'idée que « plus la [nutriments] augmente, plus la consommation d'O2 augmente aussi » ? • On ferait une gamme de glucose par ex de plus en plus concentré, et on étudierait les échanges gazeux. Comment pourrait -on évaluer la capacité à proliférer d'un organisme ? En comptant les cellules au to et une • Comment tester le rôle des mitochondries ? En isolant par broyage et filtration les organites ( comme les semaine plus tard par ex. chloroplastes) et en effectuant la mesure des échanges gazeux avec ou sans nutriments / oxygène ( 1 seul paramètre exp variable). I- I- Approches expérimentales de la regénération de l'ATP : cf TP1 Deux types de réactions permettent d'apporter de l'énergie pour renouveler l'ATP : respiration et fermentation. A- le phénomène de respiration : exp : Csq vérifiable de l’hypothèse : plus il y a de nutriments et plus O2 est dégagé. Levures à jeun, témoins ... ● Bilan : La plupart des cellules eucaryotes vivantes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent entièrement la matière organique en matière minérale. est capable de C'est la respiration = minéralisation complète d'un métabolite ou substrat ou nutriment. Cette oxydation dépend de l’équipement enzymatique de la cellule. La qté d’ O2 nécessaire dépend du degré d’oxydation du métabolite.Certaines cellules consomment un nutriment exclusif. ( c nerveuses ou hématies avec glucose) . Ces cellules doivent posséder des mitochondries. Equation bilan à savoir : C6H12O6 + 6O2 donnent 6 CO2 + 6H2O (-2840 kJ) ● fait nouveau : certaines c comme les levures continuent à émettre du CO2 en atm confinée, après épuisement de l'oxygène dans le milieu. B- Le phénomène de fermentation : ● Définition : dégradation incomplète d’un métabolite en abs ( ou même en présence !) d’O2. Il reste un résidu organique qui sera minéralisé par un autre microorganisme par ex dans une chaîne alimentaire de décomposition. Les cellules n'ont pas ou peu de mitochondries. Ex fermentation alcoolique: ex à connaître Equation : C6H12O6 donnent 2CO2 + 2 éthanols CH3-CH2-OH (- 138kJ) Rem 1 : les levures selon la qté d'O2 disponible peuvent passer progressivement de respiration à 100% de fermentation. Rem2 : il existe d’autres fermentations avec équations, lactique, acétique.. II- Mécanismes cellulaires à l'origine de la production d' ATP : cf TP2- Les phénomènes de fermentations 1) Conversion du glucose dans le cytoplasme en 2 ATP par glycolyse. Dans le hyaloplasme, en anaérobie, le glucose est oxydé en 2 pyruvates par une déshydrogénase et cette réaction produit 2 RH2 et 2 ATP. Ceci a lieu ds toutes les cellules quelque soit la qté d’oxygène.C'est la glycolyse. Cf site animé pour illustrer mais à ne pas connaître dans le détail ( réservé à médecine, études de bio...) http://www.biomultimedia.net/archiv/glycolys.htm C6H12O6 + 2 R+ox + 2 ADP + 2Pi donnent 2 CH3-CO- COOH ( pyruvate) + 2 RH2 + 2 ATP 2) Devenir de l’acide pyruvique : a) cas de la fermentation sans O2 ou O2 rare : Selon les enzymes, et le plus souvent en absence d’oxygène, le pyruvate se transforme en éthanol et les RH2 sont réoxydés. Le bilan énergétique correspond aux 2 ATP de la glycolyse. L’énergie est insuffisante pour produire de l’ATP , de la chaleur seulement.Cette réaction de produit encore dans le cytoplasme. Rem : le transfert des e se produit tjrs ds le sens croissant des pot rédox. - Fermentation alcoolique ou éthylique : 2 pyruvates CH3-CO- COOH + 2 RH2 donnent 2 CH3-CH2-OH( éthanol) + 2 CO2 + R+ ox +chaleur dégagée cf pâte pour brioche... - Fermentation lactique si les enzymes sont différentes selon les espèces : 2 CH3 -CO-COOH + 2 RH2 donnent 2 pyruvates 2 CH3- CHOH-COOH + 2 R+( glycolyse) 2 acides lactiques ni CO2 , ni ATP produits b) cas de la respiration, en présence d’O2 : ● Dans la matrice des mito, une succession de décarboxylations oxydatives à partir du pyruvate produit des RH2 et des ATP. Le métabolite est complètement dégradé en CO2 et en RH2. C'est le cycle de Krebs . 2 CH3-CO-COOH + 10 R ox + 6 H2O + 2ADP + 2 Pi donnent 10 RH2 + 6 CO2 + 2 ATP ● La dernière étape se déroule ds les crêtes de la mb interne des mito. Les RH2 sont oxydés par l’oxygène qui joue le rôle de l’accepteur final des e ( + 0 ,81 v). Il y a réduction et H2O est produit. Beaucoup d’ATP sont produits . C'est la phosphorylation oxydative ou respiration des crêtes mitochondriales. 12 RH2 + 6 O2 + 32 ADP + 32 Pi donnent 12 R ox + 12 H2O + 32 ATP ● un glucose « respiré » produit 36 ATP, alors qu'en fermentation, 2 ATP seulement sont produits. 36/2 = 18 , rendement proche de celui mesuré par chambre calorimétrique ds le TP1. ● La respiration est bien 20 fois environ plus rentable que la fermentation . Savoir tableau comparatif respiration, fermentation. ● Bilan en texte : L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits RH2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L'utilisation fermentaire d'une molécule de glucose produit beaucoup moins d'ATP que lors de la respiration. ● Rem 1: importance de l'information génétique ds le noyau et de la compartimentation avec/dans mitochondrie. La cellule eucaryote est formée de compartiments ds lesquels se déroulent des réactions particulières, catalysées par des enzymes spécifiques. Ces mécanismes ne peuvent se produire ds une cellule procaryote qui ne possède pas de mitochondrie = encore un lien structure -fonction. ● Rem2 : la mitochondrie comme le chloroplaste proviendraient de bactéries ( ADN propres à mito et chloro) qui auraient été incorporées par endosymbiose = théorie de l’endosymbiose ( rendement énergétique + compétitif). Le système fermentaire avec uniquement des procaryotes semble le plus ancien. III- Importance de la molécule d'ATP dans l'activité cellulaire : TP3- ATP et activité musculaire chez les Mammifères. - Les activités des cellules animales et végétales se traduisent par des synthèses, par des destructions de molécules, par des mouvements ( ex déformations de systèmes de macromolécules, ex couple moléculaire actine-myosine) qui nécessitent par couplage l'hydrolyse de l'ATP - L'hydrolyse de l'ATP fournit l'énergie nécessaire aux glissements de protéines les unes sur les autres qui constituent le mécanisme moléculaire à la base de la contraction musculaire. Savoir schéma type sur contractions des myofibrilles et rôle de l'ATP - La fibre musculaire utilise l'ATP fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration. Conclusion : L'ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules . Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques.
