Chapitre 2 : Respiration cellulaire, fermentations et production d`ATP

CHAPITRE 2 : RESPIRATION CELLULAIRE, FERMENTATIONS ET PRODUCTION D'ATP
Les cellules sont le siège de nombreuses réactions chimiques qui leur permettent de croître et de se diviser. Elles
utilisent l'énergie chimique de molécules qu'elles prélèvent dans l'environnement ou qu'elles produisent par
photosynthèse. Quelles sont les voies métaboliques permettant l'utilisation du potentiel énergétique des
molécules organiques ?
1- La respiration cellulaire, une première voie de production d'ATP.
Les cellules prélèvent dans le milieu des molécules qu'elles transforment. Dans certaines cellules, cette
transformation nécessite du dioxygène. Comment se manifeste la respiration cellulaire? Quelles sont les
structures cellulaires impliquées? Quelles sont les principales étapes de la dégradation d'une molécule
organique par respiration?
Activité 1a- Mise en évidence de la respiration d'une suspension cellulaire
Nous constatons qu’avant l’injection de glucose, la concentration en O2 dans le milieu varie très peu (une légère
baisse due à des réactions d’oxydations imprévisibles dans le milieu). Rapidement après l’injection de glucose, la
quantité de 02 dans le milieu diminue.
Nous pouvons donc en déduire que les levures ont consommé du dioxygène, et que cette consommation de O2
ne peut se faire qu’en présence de glucose.

Activité 1b- Localisation cellulaire de la respiration
 Observation de levures en aérobiose et anaérobiose.
Les levures sont des champignons unicellulaires dépourvus de chlorophylle. Comme les cellules animales, elles sont
hétérotrophes et consomment des substances organiques qui peuvent être soit stockées, soient puisées dans le
milieu.
Nous savons que la respiration est un phénomène qui consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone.
Nous savons aussi que ces échanges de gaz s'accompagnent de l'oxydation de nutriments organiques, comme le
glucose.
En généralisant, des observations de tissus variés, dans des conditions physiologiques différentes, montrent que
plus une cellule est active, plus elle possède de mitochondries et plus les crêtes de leurs membranes internes sont
développées.
Observation au microscope électronique de levures ayant séjourné dans des conditions aérobies.
Les levures en anaérobiose présentent des mitochondries peu développées. Sachant que l’activité d’une cellule
nécessite de l’énergie, on peut supposer que les mitochondries sont impliquées dans les mécanismes qui produisent
de l’énergie
Le même type d’expérience peut être réalisé en
utilisant une sonde CO2 en plus de la sonde 02 : le
résultat obtenu est représenté par le graphique ci-
contre.
Commenter et interpréter ce résultat.
Sur ce graphique, la courbe a) correspond au résultat
obtenu au cours du TP. Les mesures données par la
sonde C02 indiquent que parallèlement à la diminution
de 02 dans le milieu, il se produit une augmentation de
la quantité de C02. On en déduit que les levures
rejettent du C02 et que ce rejet de C02 est lié à la
consommation de O2 et de glucose.
En déduire l’équation bilan des transformations
chimique intervenant au cours de la respiration
cellulaire.
En admettant qu’au cours de la respiration il y a plus
d’eau produite que d’eau consommée, l’équation bilan
est la suivante :
C6H1206 + 602 + 6H20 6C02 + 12H20

NB : Nous savons que la molécule universelle du transfert d’énergie dans les cellules est l’ATP : la respiration, dans
les mitochondries ne produirait-elle pas de l’ATP ?
Mais observons tout d’abord l’ultrastructure d’une mitochondrie.
 Ultrastructure des mitochondries : un organite compartimenté.
Les mitochondries apparaissent comme des organites compartimentés, présentant une membrane interne
développées délimitant des crêtes dans la matrice (ou stroma)
Afin de mieux comprendre le rôle des différents compartiments, on réalise une expérience sur une suspension
de mitochondries.
 Expérience.
On réalise une expérience sur une suspension de mitochondries, obtenue par centrifugation d'un broyat cellulaire,
et placée dans une enceinte de réaction, dans un milieu approprié et bien oxygéné.
On proposera donc des résultats obtenus ainsi:
L’injection de glucose à to, n’induit aucune variation de la [O2] ; il n’est pas le substrat des réactions
consommant l’O2.
Les injections de pyruvate et succinate induisent une diminution de l’O2 ; ce sont des substrats utilisés dans les
mitochondries.
La respiration, oxyde non pas le glucose mais des substrats qui résultent de premières réactions qui se déroulent
dans le cytoplasme. Une première étape se déroule donc dans le cytoplasme, elle semble viser à dégrader le glucose
(glycolyse)
L’injection d’inhibiteurs enzymatiques se traduit par un arrêt de la consommation d’ O2 ; il existe dans la membrane
interne des mitochondries des enzymes qui catalysent les réactions de la respiration, à partir des substrats formés
dans le cytoplasme.

Une deuxième étape se déroule donc dans la membrane interne des mitochondries et mobilise des enzymes.
La production d’ATP, via la respiration nécessite, du pyruvate (substrat), de l’ADP + Pi. (? ATP)
Les réactions de la respiration, se déroulant dans la membrane des crêtes mitochondriales, catalysées par des
enzymes et utilisant un substrat provenant de réactions cytoplasmiques, produisent de l’ATP (énergie)
Activité 1c- Les étapes de la respiration cellulaire
http://svt.ac-rouen.fr/tice/animations/fusin/respiration_cellulaire.swf
 a- La glycolyse, dans le cytoplasme.
Doc 1 : réaction observée dans le cytoplasme d’une cellule.
La dégradation des nutriments débute toujours dans le cytoplasme de la cellule par une glycolyse
(=dégradation du glucose). C'est une suite complexe de réactions qui dégradent une molécule de glucose (C6) en
deux molécules d'acide pyruvique (C3):
Quelques caractéristiques
 C'est toujours un phénomène anaérobie, c'est-à-dire qui ne consomme pas de dioxygène.
 Elle comprend plusieurs réactions catalysées chacune par une enzyme spécifique et produisant une série de
métabolites intermédiaires entre le produit initial, le glucose, et le produit final, l'acide pyruvique
(succinate par exemple).
 Le Glucose est oxydé en pyruvate par déshydrogénation. Les Hydrogènes et les électrons libérés sont fixés
sur un accepteur ou transporteur de protons et d'électrons symbolisé R' (état oxydé) qui est ainsi réduit en
R’H2.
 L’énergie libérée par cette oxydation est récupérée et permet la synthèse de 2 molécules d'ATP par mole
de glucose oxydé.
 Pour que les phénomènes puissent se poursuivre, il est nécessaire que les molécules de transporteurs,
maintenant réduits (R'H2) soient régénérées, c'est-à-dire repassent à l'état oxydé (R').

 b) Les réactions se poursuivent dans la matrice.
La dégradation des métabolites amorcée dans le cytoplasme, se poursuit dans les mitochondries: dans la matrice,
l'acide pyruvique est totalement dégradé sous l'action d'enzymes (décarboxylases et déshydrogénases): du
dioxyde de carbone est libéré, les transporteurs de protons et d'électrons sont réduits (R'H2) et de l'ATP est
produit.
D’un point de vue énergétique, après dégradation totale de la molécule de glucose, une petite partie de l’énergie a
été récupérée sous forme de 4 molécules d’ATP. La plus grande partie de l’énergie est encore stockée dans les
composants réduits R’H2.
http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072507470/student_view0/chapter25/animation__how_the_krebs_cycle_works__quiz_2_.html
1- Animation: Comment fonctionne le cycle de Krebs (Quiz 1 et 2)
c) …puis dans les crêtes mitochondriales.