correction td energetique cellulaire

CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
CORRECTION TD ENERGETIQUE CELLULAIRE
SÉANCE 1 :
1. Les cellules peuvent avoir recours à la voie métabolique A présentée dans le document cidessous qui utilise deux des trois produits de la cétogenèse, afin d’alimenter leur métabolisme
énergétique. Retrouvez les légendes de ce document.
Voie A : Cétolyse et Voie B : Cycle de Krebs
1 : NAD+
2 : NADH, H+
3 : alpha-cétoglutarate
4 : GDP + Pi
5 : GTP + H2O
6 : FAD
7 : FADH2
8 : Fumarate
9 : Fumarase
10 : NAD+
11 : NADH, H+
12 : oxaloacétate
13 : citrate
14 : aconitase
15 : ß-hydrobutyrate
16 : acétoacétate
18 : AcétoacétylCoA
17 : SuccinylCoA tranférase
19 : CoASH
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
1/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
2. Quelle est l’origine glucidique de l’acétylCoA alimentant la voie B ?
Les glucides après avoir été oxydés dans le cytoplasme par la glycolyse aboutissent à la formation
de pyruvate. En condition aérobie, l’acide pyruvique est transféré dans la matrice mitochondriale et
subit une réaction de décarboxylation oxydative grâce au complexe de la pyruvate
déshydrogénase.
3. Quelle est l’origine lipidique de l’acétylCoA alimentant la voie B ?
Les acides gras après activation sont dégradés dans la voie de la β-oxydation, qui permet de former
un grand nombre de molécules d’acétylCoA.
4. Quelle est l’origine protidique de l’acétylCoA alimentant la voie B ?
Certains acides aminés glucoformateurs lorsqu’ils sont dégradés permettent de former de l’acide
pyruvique et donc potentiellement de l’acétylCoA.
Les acides aminés cétoformateurs eux lorsqu’ils sont dégradés permettent de former directement
de l’acétylCoA.
5. Donnez l’équation bilan de la voie B.
6. Expliquez le bilan énergétique de la voie B.
Le bilan énergétique de la dégradation d’une molécule d’acétylCoA lors du cycle de Krebs est
d’une molécule d’ATP formée directement et de 11 molécules d’ATP formées grâce à la
régénération des transporteurs réduits dans les chaînes respiratoires, soit 12 ATP par cycle de
Krebs.
En détails :
- 1 ATP produit (via GTP) à l’étape avec la succinate thiokinase.
- 3 NADH, H+ réoxydés via la chaîne respiratoire, soit 3 * 3 ATP, soit 9 ATP
- 1 FADH2 réoxydé via la chaîne respiratoire, soit 1 * 2 ATP, soit 2 ATP
7. Expliquez comment est régulée la voie B.
La régulation du cycle de Krebs porte essentiellement sur l’activité de certaines enzymes en fonction
des conditions métaboliques, et principalement de la charge énergétique de la cellule.
-
La citrate synthase est inhibée par l’ATP et le succinylCoA et activée par l’acétylCoA.
L’isocitrate déshydrogénase est activée par l’ADP et inhibée par l’ATP et le NADH, H+.
L’α-cétoglutarate déshydrogénase est inhibée par le succinylCoA et le NADH, H+.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
2/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
8. Définissez la phosphorylation oxydative en une phrase.
La phosphorylation oxydative est l’ensemble des mécanismes qui permettent en condition aérobie
de coupler la synthèse d’ATP à la régénération des transporteurs réduits (grâce aux chaînes
respiratoires) dans la mitochondrie.
9. De quoi sont constituées les chaînes respiratoires ?
Les chaînes respiratoires mitochondriales sont constituées par un ensemble de transporteurs
d’électrons (les cytochromes).
10. Où sont localisés les constituants des chaînes respiratoires ?
Dans la membrane interne des mitochondries au niveau des crêtes.
11. Que font les chaînes respiratoires ?
Elles sont utilisées en condition aérobie pour régénérer les transporteurs d’hydrogène réduits
formés dans les différents métabolismes, qu’ils soient d’origine mitochondriale ou hyaloplasmique.
Leur fonctionnement permet l’établissement d’un gradient de protons de l’espace
intermembranaire vers la matrice, utilisé ultérieurement pour la synthèse d’ATP.
12. Comment les transporteurs réduits (NADH, H+) formés dans le compartiment hyaloplasmique
« entrent » dans la matrice mitochondriale ?
Les transporteurs d’hydrogène réduits du type NADH, H+ formés dans le compartiment
hyaloplasmique entrent dans la matrice mitochondriale grâce à des systèmes de navette qui
leur permettent de traverser la membrane interne, celle-ci étant imperméable (sauf à l’eau, au
dioxygène, aux acides gras à chaînes courtes, au glycérol et à l’urée). Il existe deux types de
navettes différentes, la navette aspartate/malate (localisation essentiellement hépatique, rénale
et cardiaque) et la navette glycérol phosphate (localisation essentiellement musculaire et
nerveuse).
La navette aspartate/malate permet la formation de NADH, H+ dans la matrice alors que la
navette glycérol phosphate permet elle la formation de FADH2, il y a donc une perte d’ATP si
c’est la navette glycérol phosphate qui est utilisée (La régénération d’un NADH, H+ entraîne la
formation de 3 ATP alors que la régénération d’un FADH2 ne permet d’en former que 2).
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
3/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
13. Titrez et légendez la figure suivante :
Titre : La navette malate/aspartate.
1 : Membrane interne mitochondriale
2 : malate
3 : Malate déshydrogénase (MDH)
4 : Glutamate
5 : alpha-cétoglutarate
6 : aspartate
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
4/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
14. Titrez et légendez la figure suivante :
Titre : La navette glycérol phosphate.
1 : Membrane interne mitochondriale
2 : Glycérol-phosphate
3 : FAD
4 : FADH2
5 : Dihydroxyacétone-phosphate (DHAP)
6 : Glycérol-P déshydrogénase.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
5/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
SÉANCE 2 :
15. Complétez le tableau des constituants des chaînes respiratoires :
Complexe : Autre nom :
Activité :
Constituants : Nomb
re d’etransf
érés :
Nombr Localisation :
e
de
proton
s
transf
érés :
2
Membrane
interne
I
NADHNADH,
H+ - FMN/FMNH2
coenzyme Q déshydrogénase - Protéine FeS
réductase
=> régénération
du NAD+
2
II
SuccinateSuccinate
- protéine FeS
coenzyme Q déshydrogénase
réductase
(cycle de K)
=> régénération
du FAD
2
0
Membrane
interne,
côté
matrice
mitochondriale
2
0
Membrane
interne, mobile,
fait le lien entre
le I et le III ou le
II et le III.
2
2
Membrane
interne
Cyt c oxydé/ 2
Cyt c réduit
0
Membrane
interne,
côté
espace
intermembranair
e, mobile, fait le
lien entre le III et
le IV.
c - cyt a
2
- cut a3
- polypeptide
Cu2+/Cu+
2
Membrane
interne
Coenzyme
Q
Ubiquinone
/
CoQ/CoQH2
III
Coenzyme
QH2cytochrome
c réductase
Coenzyme
QH2cytochrome
réductase
Cyt c
/
/
IV
Cytochrome
c oxydase
Cytochrome
oxydase
- cyt b
- protéine FeS
c - cyt c1
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
6/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
16. Les différents éléments des chaînes respiratoires sont des systèmes Redox. Expliquez ce que
cela signifie par rapport à leurs fonctionnements.
Chaque élément des chaînes respiratoires existe sous une forme réduite (ie, ayant capté des e-) et
sous une forme oxydée (ie, ayant cédé des e-) et peut donc passer d’une forme à l’autre en
donnant ou recevant des électrons (et/ou des protons).
Chaque couple se caractérise par un potentiel d’oxydo-réduction qui traduit son pouvoir
réducteur. Le transfert d’électrons se fait des éléments les plus réducteurs vers les plus
oxydants, c’est à- dire dans le sens des potentiels Redox croissants (du plus faible au plus
élevé).
17. D’après le tableau ci-dessous, retrouvez la séquence des transporteurs de la chaîne respiratoire
permettant la ré-oxydation du NADH, H+. Lors du fonctionnement de cette chaîne respiratoire,
combien de protons ont été transféré vers l’espace inter-membranaire ?
Le transfert d’électrons se fait des éléments les plus réducteurs vers les plus oxydants, c’est
à- dire dans le sens des potentiels Redox croissants.
La ré-oxydation du NADH, H+ fait intervenir les complexes I, III et IV.
D’où, la séquence des transporteurs utilisés est :
- NAD+/NADH, H+
- FMN/FMNH2
=> Transfert de 2 H+ via le complexe I
- Coenzyme Q/CoQH2
- Cyt b Fe3+/Cyt b Fe2+
- Cyt c1 Fe3+/Cyt c1 Fe2+
=> Transfert de 2 H+ via le complexe III
- Cyt c Fe3+/Cyt c Fe2+
- Cyt a Fe3+/Cyt a Fe2+
- Cyt a3 Fe3+/Cyt a3 Fe2+
- 1/2 O2/H2O
=> Transfert de 2 H+ via le complexe IV
=> Lors du fonctionnement de cette chaîne respiratoire, 6 H+ ont été transférés de la matrice
mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
7/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
18. D’après le tableau ci-dessus, retrouvez la séquence des transporteurs de la chaîne respiratoire
permettant la ré-oxydation du FADH2. Lors du fonctionnement de cette chaîne respiratoire, combien
de protons ont été transféré vers l’espace inter-membranaire ?
Le transfert d’électrons se fait des éléments les plus réducteurs vers les plus oxydants, c’est
à- dire dans le sens des potentiels Redox croissants.
La ré-oxydation du FADH2 fait intervenir les complexes II, III et IV.
D’où, la séquence des transporteurs utilisés est :
- FAD/FADH2
- Coenzyme Q/CoQH2
- Cyt b Fe3+/Cyt b Fe2+
- Cyt c1 Fe3+/Cyt c1 Fe2+
=> Transfert de 2 H+ via le complexe III
- Cyt c Fe3+/Cyt c Fe2+
- Cyt a Fe3+/Cyt a Fe2+
- Cyt a3 Fe3+/Cyt a3 Fe2+
- 1/2 O2/H2O
=> Transfert de 2 H+ via le complexe IV
=> Lors du fonctionnement de cette chaîne respiratoire, 4 H+ ont été transférés de la matrice
mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
19. Titrez et légendez la figure suivante. Puis, vous expliquerez le rôle de cette structure lors de la
phosphorylation oxydative.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
8/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
Titre : Structure et fonctionnement d’une sphère pédonculée (complexe F0/F1).
1 : espace inter-membranaire
2 : Membrane interne mitochondriale
3 : Matrice mitochondriale
4 : Sous-unité F0, canal à H+
5 : sous-unité F1, canal à H+ et activité ATP synthétase
6 : ADP + Pi
7 : ATP + H2O
8 : 2 H+ (flux à travers le canal à protons, de l’espace inter-membranaire vers la matrice
mitochondriale).
Suite au fonctionnement des chaînes respiratoires, il s’est établi un gradient de protons de l’espace
intermembranaire vers la matrice, les protons ne pouvant librement retourner dans la matrice
puisque la membrane interne est imperméable.
Les protons passent donc par les canaux des complexes F0-F1 pour retourner dans la matrice et
l’ATP synthétase peut utiliser l’énergie dégagée par ce flux de protons pour former de l’ATP. 2H+
passant par le canal permettent la synthèse d’une molécule d’ATP.
Autrement dit, lors de la phosphorylation oxydative, le fonctionnement des chaînes respiratoires
permet le fonctionnement des sphères pédonculées. L’activité de cette dernière est dépendante,
et donc couplée à l’activité des premières.
20. Qu’en déduisez vous quant au nombre d’ATP synthétisés suite au fonctionnement de la chaîne
respiratoire permettant la ré-oxydation du NADH, H+ ?
Lors de la régénération d’un NAD+, les complexes utilisés dans la chaîne respiratoire sont les
complexes I, III et IV, c’est-à-dire trois complexes qui permettent le transfert de 2 protons à travers
la membrane interne, soit au total 6 protons, ce qui explique qu’un NADH, H+ entraîne la formation
de 3 ATP (1 ATP formé pour le transfert de 2 H+).
21. Qu’en déduisez vous quant au nombre d’ATP synthétisés suite au fonctionnement de la chaîne
respiratoire permettant la ré-oxydation du FADH2 ?
Lors de la régénération d’un FAD, les complexes utilisés dans la chaîne respiratoire sont les
complexes II, III et IV, c’est-à-dire deux complexes qui permettent le transfert de 2 protons à travers
la membrane interne (car le II ne le permet pas), soit au total 4 protons, ce qui explique qu’un
FADH2 entraîne la formation de 2 ATP (1 ATP formé pour le transfert de 2 H+).
22. Donnez l’équation de la régénération du transporteur réduit NADH, H+ en NAD+.
23. Donnez l’équation de la régénération du transporteur réduit FADH2 en FAD.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
9/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
24. Titrez et complétez le document suivant.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
10/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
25. D’où vient ce nom de « phosphorylation oxydative » ?
« Phosphorylation » car phosphorylation de l’ADP pour synthétiser l’ATP.
« Oxydative » car le dernier accepteur des transporteurs d’e- et de H+ est le dioxygène.
26. Une fois L’ATP formé dans la matrice. Comment peut-il retourner dans le hyaloplasme ?
Une fois formé dans la matrice, l’ATP peut franchir la membrane interne grâce à un système de
transport, la translocase, qui échange l’ATP contre de l’ADP.
27. Expliquez la régulation de la phosphorylation oxydative.
La régulation de la synthèse d’ATP par l’ATP synthétase (et donc du fonctionnement des chaînes
respiratoires) dépend essentiellement du taux d’ADP dans la cellule. Au repos, la quantité
d’ADP est faible (charge énergétique élevée) et la synthèse d’ATP dans la mitochondrie est
inhibée. En revanche dès le début de l’exercice, avec la consommation d’ATP, la quantité d’ADP
s’élève. L’ADP entre dans la mitochondrie et active l’ATP synthétase, ce qui met en route les
chaînes respiratoires.
28. Expliquer les 2 bilans énergétiques possibles de la dégradation oxydative complète du glucose.
2 possibilités selon la navette utilisée pour les NADH, H+ hyaloplasmiques produits lors de la
glycolyse :
- Bilan énergétique via la navette malate/aspartate :
2 ATP + 2 NADH, H+ (via navette malate/aspartate) pour la glycolyse
2 NADH, H+ pour la décarboxylation oxydative du pyruvate
2 ATP + 2 FADH2 + 6 NADH, H+ via les 2 acétylcoA et le cycle de Krebs
Puis, les 10 NADH, H+ donnent 10 * 3 ATP, soit 30 ATP et les 2 FADH2 donnent 2 * 2 ATP, soit 4
ATP via la phosphorylation oxydative
Bilan : 38 ATP par glucose.
- Bilan énergétique via la navette glycérol-phosphate :
2 ATP + 2 FADH2 (via navette glycérol-phosphate) pour la glycolyse
2 NADH, H+ pour la décarboxylation oxydative du pyruvate
2 ATP + 2 FADH2 + 6 NADH, H+ via les 2 acétylcoA et le cycle de Krebs
Puis, les 8 NADH, H+ donnent 8 * 3 ATP, soit 24 ATP et les 4 FADH2 donnent 4 * 2 ATP, soit 8 ATP
via la phosphorylation oxydative.
Bilan : 36 ATP par glucose.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
11/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
Exercice :
1. Entrée des transporteurs d’hydrogène réduits dans les mitochondries.
Les transporteurs d’hydrogène réduits produits dans le compartiment hyaloplasmique lors de
la glycolyse en condition aérobie entrent dans la mitochondrie pour y être régénérés.
Indiquer les deux mécanismes qui permettent cette entrée dans la matrice mitochondriale.
Quelles sont les conséquences sur la production d’ATP lors de la phosphorylation oxydative
de l’utilisation de ces deux types de transporteurs ?
Navette Aspartate/malate.
Navette glycérolP.
Entrée NADH,H+ par navette aspartate/malate = production de 3 ATP.
Entrée NADH,H+ par navette glycérolP = production de 2 ATP.
2. Phosphorylation oxydative.
2.1. La régénération des transporteurs d’hydrogène réduits produits lors des différents
métabolismes se fait grâce aux chaînes respiratoires.
Donner la localisation précise des chaînes respiratoires.
Membrane interne mitochondriale, au niveau des crêtes.
Indiquer de quels types de transporteurs les chaînes respiratoires sont constituées ?
Transporteurs d’électrons (cytochromes, protéines Fer/Soufre, …) et de protons.
A partir du tableau ci-dessous, retrouver la séquence des transporteurs de la chaîne en
montrant la réoxydation du FADH2.
Couple Redox des transporteurs.
Potentiel Redox E’0 (pH7 ; 30°C) en volt.
3+
2+
Cyt c Fe / Cyt c Fe
+ 0,26
Cyt a + a3 Fe3+ / Cyt a + a3 Fe2+
+ 0,29
3+
2+
Cyt b Fe / Cyt b Fe
+ 0,06
FAD/FADH2
- 0,18
2½ O2 / O
+ 0,82
3+
2+
Cyt c1 Fe / Cyt c1 Fe
+ 0,23
Coenzyme Q / CoQH2
0
La régénération des transporteurs d’hydrogène réduits s’accompagne d’un transfert d’électrons le
long des chaînes respiratoires dans le sens des potentiels d’oxydo-réduction croissant.
Lorsqu’il y a réoxydation d’un FADH2, la séquence des transporteurs utilisés est donc (car passe par
le complexe II, et non par le complexe I) :
FAD/FADH2
Coenzyme Q/CoQH2
Cyt b Fe3+/Cyt b Fe2+
Cyt c1 Fe3+/Cyt c1 Fe2+
Cyt c Fe3+/Cyt c Fe2+
Cyt a Fe3+/Cyt a Fe2+
Cyt a3 Fe3+/Cyt a3 Fe2+
1/2 O2/H2O
2.2. La phosphorylation oxydative permet le couplage de la régénération des transporteurs
d’hydrogène avec la synthèse d’ATP.
Expliquer le principe de ce couplage en précisant la structure impliquée dans la synthèse de
l’ATP.
Chaines respiratoires = transfert de protons vers espace inter-membranaire.
Etablissement gradient de protons entre l’espace inter-membranaire et la matrice.
Flux de protons au niveau du canal des sphères pédonculées (ATP synthase).
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
12/13
CORRECTION TD ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE
ATP synthase utilise énergie du flux de protons pour synthèse ATP.
Donner les équations explicitant la formation d’ATP à partir des deux types de transporteurs
d’hydrogène pouvant être régénérés par les chaînes respiratoires.
NADH, H+ + 1/2O2 + 3ADP + 3 Pi à NAD+ + 3ATP + 4 H2O.
FADH2 + 1/2O2 + 2ADP + 2 Pi à FAD + 2ATP + 3 H2O.
L’ATP produit est essentiellement utilisé dans le compartiment hyaloplasmique.
Expliquer comment l’ATP sort de la mitochondrie.
Sortie ATP par translocase, échange ATP/ADP.
www.ednh.fr - [email protected]
… Anima sana in corpore sano
13/13