Cours sur le métabolisme

Energie et cellule vivante
(métabolisme cellulaire)
Thème 1 - La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution de la vie
Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes)
Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques.
- La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse. Le chloroplaste est l'organite clé de cette
fonction. La phase photochimique produit des composés réduits RH2 et de l'ATP. La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant
les produits de la phase photochimique.
[Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme. Seuls les bilans devront
être mémorisés. La réduction dans le chloroplaste d'autres substances minérales que le CO2 n'est pas au programme.]
- La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en
matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire.
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 R'H2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la
réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production d'ATP qui permet les activités cellulaires.
[Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme.]
- Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L'utilisation fermentaire d'une molécule de glucose produit beaucoup moins d'ATP que
lors de la respiration.
[On se limite aux fermentations alcoolique et lactique.]
- La fibre musculaire utilise l'ATP fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration.
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.
[Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.]
- L'ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules. [L'étude préalable des différents exemples
du programme permet d'aboutir à une conclusion générale qui ne génère pas en elle-même d'étude complémentaire.]

Rappels sur le métabolisme
Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques.
Pour assurer leur croissance et leur fonctionnement, les êtres vivants ont besoin d’énergie et de matière.
Certains prélèvent directement la matière organique dans leur milieu et l’utilisent comme source d’énergie
(métabolisme hétérotrophe).
D’autres, les plantes, sont capables de se développer sans apport extérieur de matière organique (métabolisme
autotrophe).
La matière prélevée est ensuite transformée par un grand nombre de réactions chimiques consommant ou
libérant de l’énergie. L’ensemble de ces échanges et transformations est appelé métabolisme.
(schéma)

I – L’utilisation de la matière organique comme source d’énergie
- La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière
organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire.
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 R'H2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des
composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production d'ATP qui permet les
activités cellulaires.
[Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au
programme.]
- Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L'utilisation fermentaire d'une molécule de glucose produit beaucoup moins
d'ATP que lors de la respiration.
[On se limite aux fermentations alcoolique et lactique.]
- La fibre musculaire utilise l'ATP fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration.
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.
[Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.]
Pour comprendre comment les cellules utilisent la matière organique, et en particulier le glucose
comme source d’énergie, nous étudierons l’exemple de la cellule (fibre) musculaire.
1) L’utilisation de l’énergie lors d’une contraction musculaire
- La fibre musculaire utilise l'ATP fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration.
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.
[Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.]
La fibre musculaire est une cellule très allongée dans laquelle on observe des stries
perpendiculaires (muscle strié) dues à des protéines filamenteuses : l’actine et la myosine.
Lors d’une contraction musculaire, ces 2 fibres coulissent.
Ce glissement nécessite un apport d’énergie fourni par hydrolyse de l’ATP (Adénosine tri-
phosphate) en ADP (Adénosine di-phosphate).
Or les quantités d'ATP contenus dans la cellule sont infimes, tout juste suffisantes à assurer
quelques contractions musculaires.
L'ATP n'est donc pas stocké dans la cellule musculaire, mais régénéré en permanence.

2) Le renouvellement de l’ATP grâce à la respiration cellulaire
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 R'H2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la
réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production
d'ATP qui permet les activités cellulaires.
[Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au
programme.]
Lorsqu’il se contracte, la cellule musculaire consomme davantage d’O
2
et de glucose (qu’il prélève
dans le sang) et rejette du CO
2
.
C’est la respiration cellulaire.
La respiration cellulaire permet en dégradant du glucose grâce au dioxygène (oxydation), d'obtenir
l'énergie qui permettra la régénération de l'ATP.
Rappel : le bilan de la respiration est
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
 6 CO
2
+ 6 H
2
O
La respiration comporte plusieurs étapes.
a) L’oxydation du glucose
L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) …
La première étape a lieu dans le hyaloplasme (c'est-à-dire dans le cytoplasme, mais en dehors des
organites). Elle consiste en l'oxydation du glucose en pyruvate (ou acide pyruvique), une molécule
comportant 3 atomes de carbone (C3).
On parle de glycolyse.
Cette réaction est une oxydation, ce qui signifie que des électrons sont libérés au cours de cette
réaction.
(rappel, exemple d’une oxydation : Fe  Fe
2+
+ 2e
-
)
Les électrons perdus par le glucose sont récupérés par des molécules intermédiaires que l'on
notera R'.
R' + 2H
+
+ 2e
-
 R'H2
(composé réduit)
Enfin, la glycolyse est directement couplée à la production de 2 molécules d'ATP selon la réaction :
ADP + Pi  ATP
Au final on arrive au bilan suivant :
C
6
H
12
O
6
(glucose) + 2R' + 2ADP + 2Pi  2 C
3
(pyruvate) + 2R'H
2
+ 2ATP

b) L’oxydation du pyruvate
… puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits
R'H2.
La deuxième étape de la respiration cellulaire consiste en l'oxydation du pyruvate.
Cette étape se déroule dans un organite présent dans les cellules animales et végétales (c.a.d. dans
toute cellule capable de respirer) : la mitochondrie.
(schéma)
Plus précisément, elle a lieu dans la matrice des mitochondries.
Le pyruvate y est alors entièrement transformé en CO
2
(matière minérale) par une série de
réactions appelée cycle de Krebs.
Cette oxydation s'accompagne de la production de composés réduits (R'H2) et d'ATP.
C
3
(pyruvate) + 5 R' + 3 H
2
O + ADP + Pi  3 CO
2
+ 5 R'H
2
+ATP
c) L'oxydation du R’H
2
La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau.
Ces réactions s'accompagnent de la production d'ATP qui permet les activités cellulaires.
La dernière étape de la respiration consiste en la réoxydation par le O
2
des composés réduits (R'H
2
).
Elle a lieu dans la membrane interne (et plus précisément dans les crêtes mitochondriales) où se
situent une chaîne d’enzymes et de molécules intermédiaires appelée chaîne respiratoire. Cette
chaîne va récupérer les électrons des R’H
2
(donneur d’électrons) et les transporter jusqu’à l’O
2
(oxydant = accepteur d’électrons).
L’O
2
est ainsi réduit en H
2
O.
2 R'H
2
+ O
2
 2 R' + 2 H
2
O
Ce transport d’électrons est couplé à une production très importante d'ATP.