Problématiques :

CHAPITRE II /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La RESPIRATION CELLULAIRE.
Problématiques :
 Qu’est-ce que la respiration cellulaire ?
 Etapes et mécanismes de cette respiration.
 L’énergie disponible dans une cellule.
ACTIVITE 1 : LES CELLULES RESPIRENT :
A – p. 34 - TP Etude expérimentale de la respiration chez un champignon ascomycète (donc non chlorophyllien) : la levure.
Méthode : on mesure l’évolution des concentrations en O2 et CO2 dans une suspension de levures après injection de glucose
dans la culture. Pour cela, on utilise un dispositif EXAO.
Résultats : sous forme de graphique :
O2
CO2
Tps (min)
0 2 5 6 8
Injection de glucose
Conclusion :
 Utilisez le dispositif expérimental pour mettre en évidence les échanges gazeux caractéristiques de la respiration. Démontrez qu'il
existe une relation entre ces échanges et la mise à disposition d'un métabolite organique.
B – p. 35 – TP Etude expérimentale de la respiration chez un végétal chlorophyllien :
Dispositif EXAO :
Résultats : sous forme de graphique :
Méthode
:
On procède de façon similaire en tenant
compte d’un facteur supplémentaire : la lumière.
L’évolution des concentrations en O2 et CO2 est
mesurée à t° constante (20°C) en alternant lumière et
obscurité. On utilise ici encore un dispositif EXAO.

 Montrez que les cellules chlorophylliennes respirent également.
 En admettant que les cellules chlorophylliennes respirent aussi bien à la lumière qu'à l'obscurité, proposez une interprétation des
mesures faites à la lumière en vous appuyant sur vos connaissances concernant les échanges gazeux liés à la photosynthèse.
ACTIVITE 2 : LES MITONCHONDRIES :
L’organisme a besoin d’énergie pour fonctionner. Cette énergie est utilisée directement dans la cellule sous forme d’ATP. Mais
comment nos cellules produisent-elles de l’ATP à partir du glucose issu des nutriments ?
C6H1206 + 6O2 -> 6H2O + 6CO2
ADP -> ATP
Il existe dans la cellule des organites responsables de cette production d’ATP : les mitochondries.
Les mitochondries sont très nombreuses au sein des cellules musculaires ou dans les structures flagellées ou ciliées
(spermatozoïdes. Proto. Ciliés ou flagellés).
COURS : Chez la plupart des cellules eucaryotes, l'énergie nécessaire aux activités cellulaires est fournie par la
respiration. Celle-ci se manifeste par des échanges gazeux qui résultent de processus complexes se déroulant dans
la cellule. Elle permet de produire de l'ATP, molécule jouant un rôle clé dans les transferts énergétiques cellulaires.
Des études expérimentales par EXAO mettent facilement en évidence les échanges gazeux liés à la respiration
d'une suspension cellulaire, de levures par exemple : les cellules consomment du dioxygène et rejettent du
dioxyde de carbone, à condition toutefois que du glucose soit présent dans le milieu. En effet, la respiration
consiste en une oxydation totale de molécules organiques, glucose par exemple. Le bilan des transformations
chimiques de la respiration cellulaire s'écrit :
C6H12O6 + 6O2 => 6 CO2 + 6 H20
Remarquons que les produits formés, CO2 et H20, sont exclusivement minéraux.
La plupart des cellules eucaryotes respirent, y compris les cellules chlorophylliennes. Ceci peut facilement être mis
en évidence lorsque les cellules chlorophylliennes sont à l'obscurité. À la lumière, les cellules chlorophylliennes
respirent également, mais les échanges gazeux de la respiration sont masqués par ceux de la photosynthèse, qui
sont souvent quantitativement plus importants. Ainsi, à la lumière. On mesure en fait le bilan des échanges gazeux
de la photosynthèse et de la respiration. C'est ce qu'on appelle la photosynthèse nette. La photosynthèse brute
(ou réelle) s'obtient en ajoutant, en valeur absolue, les échanges gazeux de la photosynthèse nette et ceux de la
respiration.

Mise en évidence du rôle des mitochondries. (Bordas p. 37)
Différentes études et observations suggèrent que la respiration se déroule dans les mitochondries mais qu'une première
étape se produit dans le cytoplasme, en dehors des mitochondries.
Cette première étape consisterait en une scission (et une déshydrogénation) du glucose (C6H12O6) en deux molécules d'acide
pyruvique (C3H4O3). Pour éprouver cette hypothèse, on prépare un extrait contenant des mitochondries isolées et on mesure
les concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone de cette suspension.
Remarque : Le pyruvate est la forme ionique de l'acide pyruvique.
Les mitochondries sont isolées de cellules par broyage puis centrifugation :
On injecte du glucose (C6H1206) puis du pyruvate (C3H4O3) dans une suspension de mitochondries dont on mesure les
concentrations en CO2 et O2.
On obtient le résultat suivant :
 Pourquoi ne se passe-t-il rien après l’injection de glucose ? Le glucose est-il le premier métabolite utilisé
par la mitochondrie ?
 Quel est le rôle du pyruvate ?
 Quel lien existe-t-il alors entre glucose et pyruvate ?
 Dans quelle partie de la cellule ce rapport se manifeste-t-il ?
 Quel est le rôle de la mitochondrie ?
ACTIVITE 3 : LA RESPIRATION CELLULAIRE :
A- Du glucose au pyruvate : la glycolyse :
Prérequis : revoir la molécule d’ATP.
C’est dans le hyaloplasme (Substance du cytoplasme formée d'une masse gélatineuse transparente et homogène) qu’a lieu la
transformation du glucose en pyruvate : elle se manifeste par :
- la transformation de R’ en R’H2 (R’ = composé biochimique)
- la synthèse de deux molécules d’ATP à partir de deux ADP et deux Pi.
Glucose : C6H12O6 Oxydation 2 C3H4O3 : pyruvate
Réduction
2R’ R’H2
2ADP + 2Pi synthèse 2ATP

COURS : Une première étape dans le hyaloplasme :la glycolyse
Des études expérimentales ont démontré que les mitochondries ne consomment pas directement le glucose. Une
étape préalable se déroule dans le cytoplasme, en dehors des mitochondries : une molécule de glucose
(C6H12O6) est oxydée en deux molécules d'acide pyruvique (C3H4O3).
Des atomes d'hydrogène du glucose sont pris en charge par des composés notés R’ (chimiquement proches des
composés R intervenant dans la photosynthèse) qui sont alors réduits en R'H2.
Le bilan de cette transformation, nommée glycolyse, s'écrit donc ainsi :
C6H12O6 + 2 R' => 2 C3H4O3 + 2 R'H2
Les réactions de la glycolyse libèrent de l'énergie qui permet de produire deux molécules d'ATP pour une molécule
de glucose oxydée.
B- Que se passe-t-il dans la mitochondrie ?
Le cycle de Krebs :
Après la glycolyse, l’acide pyruvique est incorporé à la mitochondrie puis dégradé au cours d’un cycle de réactions
biochimiques : le cycle de Krebs.
COURS : Le cycle de Krebs, dans la matrice des mitochondries :
Dans la matrice mitochondriale, l'acide pyruvique, fixé au départ sur un accepteur, subit une série de
réactions qui régénèrent l'accepteur initial, constituant ainsi un cycle appelé cycle de Krebs. Au cours de
ces réactions, l'acide pyruvique est totalement dégradé en hydrogène d'une part, les atomes
d'hydrogène étant alors pris en charge par de transporteurs R', en CO2 d'autre part. C'est là l'origine du
dioxyde de carbone rejeté par la respiration. Pour deux molécules d'acide pyruvique (donc pour une
molécule de glucose), il se forme ainsi 6 molécules de CO2 et 10 R'H2. Ces réactions libèrent de l'énergie
permettant de produire deux molécules d'ATP.
L'observation au microscope électronique à fort grossissement (voir plus haut) montre qu'une mitochondrie
possède deux membranes. Alors que la membrane externe est une simple enveloppe, la membrane interne
présente une structure complexe avec de très nombreux replis, appelés crêtes mitochondriales. La surface en
contact avec la matrice est ainsi démultipliée. En outre, la membrane interne est très riche en protéines (80 % de
ses constituants, contre 50 % pour la membrane externe).
La chaîne respiratoire :
Un ensemble complexe de molécules enchâssées dans la membrane interne constitue la chaîne respiratoire :

Ces molécules assurent une ré-oxydation des composés réduits R'H2 produits par la glycolyse (2R’H2) et le cycle de
Krebs (10R’H2). Chaque transporteur de la chaîne accepte les électrons du transporteur précédent et les transmet
au suivant. Finalement, en bout de chaîne, c'est le dioxygène qui accepte électrons et protons pour former de
l'eau. L'énergie libérée par ces oxydations successives permet de produire 32 molécules d'ATP à partir de 12 R'H2.
.
 Montrez que les différentes étapes de la respiration cellulaire sont dépendantes les unes des autres
 Précisez l'origine du dioxyde de carbone rejeté et le rôle du dioxygène absorbé au cours de la respiration.
 Comparez la production d'ATP au cours des principales étapes de la respiration.
 Établissez le bilan global de ces réactions. Pourquoi dit-on que la respiration est une dégradation complète
d'un métabolite organique ?
COURS : Les mitochondries sont les organites de la respiration
Les mitochondries sont de petits organites (1 µm de longueur environ) présents par dizaines ou centaines dans le
cytoplasme des cellules eucaryotes, y compris dans les cellules végétales. Leur nombre est particulièrement
important dans les cellules qui ont besoin de beaucoup d'énergie comme les fibres musculaires ou les spermato-
zoïdes. Par exemple. Au microscope électronique, on peut observer qu'une mitochondrie est limitée par une
double membrane, la membrane interne formant de nombreux replis appelés crêtes mitochondriales Cette
structure augmente la surface de contact entre la membrane interne et le milieu intérieur de la mitochondrie
appelé matrice.
L'oxydation des composés réduits au niveau des crêtes mitochondriales et la production d’ATP:
La membrane interne des mitochondries, repliée en crêtes est riche en molécules qui constituent ce qu'on appelle
la chaîne respiratoire mitochondriale. Il s'agit de diverses molécules enchâssées dans la membrane de la
mitochondrie. En bout de chaîne, c'est le dioxygène qui accepte électrons et protons pour former de l'eau.
L'énergie libérée par ces oxydations successives permet de produire 32 molécules d'ATP à partir de 12 R'H2.
MODELE 3D DE LA CHAINE RESPIRATOIRE.
(Alhoff & al. – 2011)