II. La production d`énergie à partir de molécules organiques

SVT – TERMINALE S– THEME 1 – LA TERRE DANS L’UNIVERS, LA VIE ET L’EVOLUTION DU VIVANT
ENERGIE ET CELLULE VIVANTE
COURS 1 – L’ENERGIE DES CELLULES
Tout système vivant échange de la matière et de l’énergie avec son environnement. Il réalise des réactions
métaboliques associées à des couplages énergétiques. Nous allons détailler les réactions les plus universelles.
Limite : nous nous focaliserons exclusivement sur les cellules eucaryotes, les cellules procaryotes présentent
une très large diversité de métabolismes énergétiques.
I.Photosynthèse et autotrophie au carbone
A.Les types de métabolismes
TP 1 – LA PHOTOSYNTHESE (1) : MISE EN EVIDENCE
La matière constitutive des êtres vivants est basée sur les molécules
organiques, centrées sur l'élément carbone. Le carbone se trouve à
l’état oxydé dans l’atmosphère et à l’état réduit dans les molécules
organiques. Tous les êtres vivants dépendent pour leur survie de
sources de carbone, mais ils se différencient quant à leur capacité à
utiliser ces sources. On distingue deux types de métabolismes :
 L’autotrophie : C’est l’exploitation d’une source non-organique
(minérale) de carbone pour synthétiser de la matière organique.
 L’hétérotrophie : C’est l’exploitation d’une source de carbone
réduit, bien souvent de la matière organique préexistante, ayant
été synthétisée par un autre organisme.
B.Phase photochimique de la photosynthèse
TP 2 – LA PHOTOSYNTHESE (2) : LUMIERE, PIGMENTS ET RADIATIONS
TP 3 – LA PHOTOSYNTHESE (3) : UNE QUESTION D'OXYDOREDUCTION
La photosynthèse est la succession de deux phases, se déroulant au
sein du chloroplaste, un organite propre aux cellules chlorophylliennes. Une première phase dite
photochimique se produit dans les thylakoïdes, membranes internes des chloroplastes. Il s’agit d’un ensemble
d’oxydoréductions, débutant par l'oxydation de l’eau permise par l'énergie des photons collecté par les
pigments comme la chlorophylle. Les électrons libérés vont réduire un composé intermédiaire noté
R(ox)/RH2(red). Les produits de cette étape sont de l’O2 et de l’ATP (adénosine triphosphate, utilisée ici comme
intermédiaire énergétique voir suite THEME 1 SPE).
C.Phase chimique de la photosynthèse
Une seconde phase dite chimique (ou non-photochimique) se déroule dans l’espace intérieur du chloroplaste, le
stroma. Elle permet la réduction du CO2 et son incorporation dans des molécules réduites de type glucides. Elle
nécessite une molécule organique accepteur de CO2, le RuBP (Ribulose 1-5 BiPhosphate, glucide à 5 C),
l’enzyme carboxylase (RuBisCO), de l'ATP et des composés réduits RH2. Cette fixation du CO2 sur un
glucide permet la production de molécules organique plus élaborées. La molécule du RuBP fixant le CO2 est
ensuite régénérée par un ensemble de réactions nommées cycle de Calvin-Benson, utilisant l’ATP produit par
les réactions photochimiques.
Les produits initiaux de la photosynthèse, comme le triose phosphate (TP ou 3-PG) vont servir de brique de
départ pour réaliser de nombreuses synthèses d'éléments plus élaborés (glucides, lipides, acides aminés et
acides nucléiques). Ces molécules pourront être utilisées sur place mais chez les végétaux terrestres, ils seront
essentiellement exportés vers le reste de l'organisme (voir THEME 1A-5 - OBLIGATOIRE)
La photosynthèse est un ensemble de réactions biochimiques catalysées par des enzymes, se déroulant chez les
végétaux dans un organite spécialisé, le chloroplaste. Le bilan des transformations peut s’écrire de façon
simplifiée :
6 CO2 + 12 H2O →C6H12O6 + 6 O2+ 6 H2O
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Schéma-Bilan : le chloroplaste, organite de la photosynthèse
II. La production d’énergie à partir de molécules organiques
A.Présentation de la molécule d’ATP
(Hormis pour le chloroplaste,) les activités métaboliques des cellules correspondent surtout à des synthèses de
molécules organiques complexes à partir d’éléments organiques simples (ex : le glycogène fabriqué à partir de
glucose, les protéines à partir d’acides aminés..), ou encore à des mouvements (ex : fonctionnement d’un
complexe actine-myosine). Toutes ces activités consomment de l'énergie, apportée par des intermédiaires
métaboliques, le plus important étant l'ATP, Adénosine Tri-Phosphate.
L’ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules. L’ATP
n'est pas stocké, mais régénéré aussi vite qu'il est détruit. Toute cellule vivante, isolée ou partie intégrante d’un
organisme pluricellulaire, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), doit régénérer en permanence
son ATP.
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B.La respiration : dégradation totale aérobie d’une molécule organique
La respiration cellulaire correspond à une suite de réactions chimiques (catalysées par des enzymes, cf. THEME
3) durant lesquelles la matière organique carbonée est progressivement oxydée, dégradée et minéralisée en CO2.
1. La glycolyse
La première étape est la glycolyse, l’oxydation du glucose en pyruvate. Elle s’accompagne de la production
de composés réduits R'H2 (proches des composés RH2 fabriqués au cours de la photosynthèse). Elle se déroule
dans le hyaloplasme, partie liquide du cytoplasme. L’énergie libérée permet par couplage la synthèse de deux
molécules d’ATP par molécule de glucose oxydé.
C6H12O6+2 R'2 CH3COCOOH+2 R'H2 2 ADP+2 Pi 2 ATP
2. Le cycle de Krebs
La deuxième étape se déroule dans la matrice (milieu intérieur) des mitochondries. C’est une série de
décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui s’accompagne de la production de composés réduits
R'H2 et de synthèse d’ATP.
2 CH3COCOOH +10 R'+6 H2O6 CO2+10 R'H2 2 ADP+2 Pi2 ATP
3. La chaîne respiratoire
La dernière étape se déroule au niveau des crêtes de la membrane interne des mitochondries. C’est l’oxydation
par le dioxygène, des composés réduits fabriqués dans les étapes précédentes. Elle est couplée (Couplage
chimio-osmotique) à la production d'une importante quantité d’ATP.
12 R'H2+6 O212 R'+12 H2O 32 ADP+32 Pi32 ATP
Dans le cas d’une molécule de glucose la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan des
transformations :
C6H12O6 + 6 O2+ 6 H2O→ 6 CO2 + 12 H2O ,
et 36 ATP
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C.La fermentation, dégradation partielle anaérobie d’une molécule organique
Par contraste avec l’oxydation complète du glucose et du pyruvate réalisée dans les mitochondries, une
oxydation incomplète est possible par fermentation dans le cytoplasme. Elle produit un déchet organique, reste
du substrat réduit initial non totalement oxydé lors du processus de dégradation. Cette fermentation permet un
renouvellement peu efficace mais réel des intermédiaires métaboliques (R’ et ATP).
On distingue plusieurs types de fermentations selon les molécules produites :
1. Fermentation alcoolique
Le déchet organique final est l’éthanol. Ce processus est rare dans les cellules humaines, mais fréquentes chez
les levures. Il suit la glycolyse et permet une régénération de R’ et d’ATP
Dégradation du pyruvate en éthanol : 2 CH3-CO-COOH+2 R'H2 2 CH3-CH2-OH+2 CO2+2 R'
Bilan de la fermentation alcoolique :
C6H12O6 → 2 CO2 + 2 CH3CH2OH et 2 ATP
2. Fermentation lactique
Le déchet organique est l’acide lactique (ou lactate sous sa forme ionique). Ce processus se déroule dans nos
cellules en absence de dioxygène. Il suit la glycolyse et permet une régénération de R’ et d’ATP. il ne
s'accompagne pas de dégagement gazeux de CO2.
Dégradation du pyruvate en acide lactique : 2 CH3-CO-COOH+2 R'H2 2 CH3-CH-OH-COOH +2 R'
Bilan de la fermentation lactique :
C6H12O6 → 2 CH3-CH-OH-COOH et 2 ATP
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III.L’ATP dans le fonctionnement d'une cellule différenciée
A.La structure des fibres musculaires
Les cellules musculaires sont des cellules très différenciées, issus de
la fusion de dizaines de cellules. Leur cytoplasme comporte des
protéines de myosine entremêlées dans un réseau de fibres protéiques
d’actine.
B.Le cycle de contraction musculaire
C’est le déplacement des fibres de myosine le long des fibres d’actine
qui génère le raccourcissement caractéristique de la contraction
musculaire. L’utilisation d’une molécule d’ATP permet le
détachement des tètes de myosine liées aux filaments d’actine et le
léger déplacement de ces têtes par rapport à l’actine immobile. Ce
déplacement de petite ampleur se reproduit tant qu’il y a de l’ATP
pour l’entretenir. On a un exemple des multiples rôles de cette
molécule au sein des processus cellulaires.
C.La régénération de l'ATP dans les cellules
musculaires
L'ATP peut être fabriquée par 3 réactions : l'utilisation de
phosphocréatine , la fermentation lactique (anaérobie) et la
respiration (aérobie). Ces réactions n'ont pas la même vitesse, ni la
même efficacité (efficacité croissante, vitesse d'initiation
décroissante). Aussi se succèdent elles dans le temps lorsque les
cellules musculaires sont en activité prolongée.
Liens avec les chapitres de SVT obligatoire
THEME 1A-5 - L'EXEMPLE DE LA VIE FIXEE CHEZ LES PLANTES TERRESTRES
THEME 3B-1- LE REFLEXE MYOTATIQUE, UN EXEMPLE DE COMMANDE REFLEXE DU MUSCLE