Cahier d`apprentissage Module 2 Le métabolisme cellulaire
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Cégep de Rivière-du-Loup Programme Sciences de la nature 200.BO Cahier d’apprentissage Module 2 Le métabolisme cellulaire BIOLOGIE GÉNÉRALE II 101 – FJA -04 (2 -2 -2) Hiver 2010 Nadine Coulombe Local : C-132 Téléphone : 860-6903 poste 2356 Couriel : [email protected] Disponibilité : Voir Omnivox MODULE 2 : LE MÉTABOLISME CELLULAIRE Module 2 : MÉTABOLISME CELLULAIRE Durée :18hrs Objectif intermédiaire : Appliquer le concept de l’homéostasie à l’étude de systèmes chez les plantes et les animaux Objectifs d’apprentissage ♦Définir métabolisme. ♦ Expliquer de quelle manière s’effectuent les transferts d'énergie dans un organisme ♦ Nommer et expliquer les principales caractéristiques des enzymes. ♦Expliquer les mécanismes d'action enzymatique et les facteurs d’influence ♦Expliquer les étapes du processus de la photosynthèse ♦Expliquer les étapes de la respiration cellulaire ♦Démontrer la complémentarité entre la photosynthèse et la respiration cellulaire. Biologie générale II Contenu Réactions anaboliques et cataboliques Formes d’énergie, lois de thermodynamique, entropie, enthalpie, énergie libre, travail, composés phosphatés Catalyseur, vitesse de réaction, dénaturation, isothermie, spécificité, nomenclature Sites actifs, énergie d'activation, inhibiteurs, régulation allostérique, cofacteurs et coenzymes, réactions en cascade, concentration (enzymesubstrat), température, pH Système I et II (P700 et P680), spectre d'absorption des pigments, phase lumineuse et obscure, production d'ATP cyclique et non-cyclique, oxydoréduction et potentielredox. Glycolyse aérobie, glycolyse anaérobie, fermentation lactique et alcoolique, cycle de Krebs, accepteurs finaux des électrons. Producteurs et consommateurs de CO2, et d'O2. Cahier d’apprentissage Activités pédagogiques Exposé informel, exercices, lecture Exposé informel, exercices, lecture Évaluation formative Exercice, schématisation Exposé informel, exercices, lecture Labo 4 : Activité enzymatique (5%) Exposé informel, exercices, lecture Labo : 5 : Métabolisme cellulaire (1%) Schématisation Exposé informel, tableau synthèse Lecture Tableau synthèse 29 Évaluation sommative Tâche Répondre à divers types de questions portant sur le métabolisme cellulaire. Biologie générale II Critères d’évaluation Utilisation appropriée des concepts et de la terminologie. Description claire des principales étapes composant un processus biologique. Description des processus cellulaires de transformation de la matière et de l’énergie. Description claire des facteurs qui conditionnent les processus de transformation de la matière et de l’énergie. Explication claire de la contribution des systèmes à l’homéostasie Cahier d’apprentissage Conditions de réalisation Individuellement, en classe, durant deux heures, sans les notes de cours 30 % 20 2.1 LE MÉTABOLISME, L’ÉNERGIE ET LA VIE À lire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 96 à 97 Le métabolisme correspond à l'ensemble des réactions biochimiques d'un organisme. L'ensemble de ces réactions résulte des interactions spécifiques entre les molécules dans l'environnement ordonné de la cellule. Les glucides se transforment en acides aminés, et vice versa. De petites molécules s'unissent pour former des polymères que la cellule peut, par la suite, hydrolyser selon ses besoins. De nombreuses cellules exportent des produits chimiques à la demande d'autres parties de l'organisme. Le processus appelé respiration cellulaire assure le fonctionnement de la cellule en extrayant l'énergie emmagasinée dans les glucides et d'autres sources d'énergie. La cellule utilise cette énergie pour accomplir ses différentes fonctions. 2.1.1 L’énergie et la thermodynamique À lire : À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 98 à 99 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p. 112 #2 à 4 Toutes les réactions métaboliques comprennent des transformations d’énergie faisant l'objet d'une partie de la physique appelée la thermodynamique. L’énergie c’est : L'énergie libre est un concept important, c’est la portion de l’énergie d’un système qui peut produire du travail à une température et à une pression constantes. L'énergie est «stockée» dans des liens chimiques à l'intérieur de composés particuliers, les composés phosphatés. Ces mécanismes de mise en réserve se font en isothermie. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 31 Nommez et décrivez 3 types d’énergie Énergie Définition Exemple L'intensité du travail est évaluée en déterminant les forces qui agissent sur la matière. Les transformations de l'énergie chez les êtres vivants sont en accord avec les principes de la thermodynamique. Décrivez en vos mots les 2 principes de la thermodynamique : Décrivez en vos mots ce que l’on veut dire par le flux d’énergie : Biologie générale II Cahier d’apprentissage 32 2.1.2 L'énergie, la cellule et l’ATP À lire : À faire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 100 à 101 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p. 112 #5 et p. 113 # 1 à 2 http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_biochemistry-ATPstructure.htm La cellule est un système ouvert qui effectue des travaux grâce au couplage d’énergie. Ces travaux sont de différentes natures : mécanique, transport transmembranaire et chimique (synthèse). La cellule produit et utilise de l'énergie qui est «stockée» dans des liens chimiques à l'intérieur de composés particuliers, des composés phosphatés. Une des stratégies importantes du métabolisme cellulaire consiste à amorcer les réactions endergoniques en les couplant à des réactions exergoniques au moyen d'un intermédiaire énergétique appelé ATP, adénosine triphosphate. Cette molécule fait partie des macromolécules d’acides nucléiques. Définissez réactions endergoniques et exergoniques : L’ATP est l'exemple classique de composés phosphatés. Celui-ci ne sert pas vraiment à stocker l'énergie mais à transférer l'énergie à d'autres composés. Décrivez la structure de l’ATP : www.chm.bris.ac.uk/motm/atp/atp1.htm. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 33 La queue triphosphatée de l'ATP est instable, et les liaisons entre les groupements phosphates peuvent être rompues par hydrolyse. Lorsque l'eau hydrolyse la liaison du phosphate terminal, une molécule de phosphate inorganique est libérée et l'ATP devient alors l'adénosine-diphosphate ou ADP. Il s'agit d'une réaction exergonique. Presque tout le travail cellulaire repose sur la capacité de l'ATP d'activer des molécules par transfert de groupements phosphate. Par exemple, l'ATP assure le mouvement des muscles en transférant des groupements phosphate aux protéines contractiles. Un organisme au travail utilise continuellement de l'ATP, heureusement, l'ATP est une ressource renouvelable qui peut être régénérée. Schématiser le cycle ATP-ADP et donnez un exemple ? L’ATP est une molécule importante du métabolisme. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 34 2.1.3 L’oxydoréduction À lire : À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 101 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 112 #6 Pour bien comprendre le métabolisme, il faut considérer les diverses réactions sous l'aspect de l'oxydoréduction: L'oxydation d'un corps s'accompagne toujours de la réduction d'un autre. Les électrons ne peuvent pas se balader tout seuls et sont nécessairement captés, on parle d'une réaction d'oxydoréduction. L'oxydation est une demi-réaction de l'oxydoréduction, et la réduction est l'autre demi-réaction. On peut classer les donneurs d'électrons en une série graduée allant de ceux qui possèdent une forte pression d'électrons (tendance à se débarrasser des électrons) à ceux dont la pression est faible. On peut mesurer indirectement la pression d'électrons ou l'affinité comme l'équivalent du potentiel d'un courant électrique entre un composé donné et sa forme oxydée ou réduite. Par exemple, l’O2 et sa forme réduite H2O, est appelé un couple. Le flot d'électrons entre les membres du couple constitue le potentiel d'oxydoréduction ou potentiel REDOX (flot d'électrons entre la forme réduite et la forme oxydée). Le CO2 et sa forme réduite (CH2O)n est un autre couple En biochimie, on dit que les donneurs d'électrons, dont la pression d'électrons est élevée, possèdent un potentiel d'oxydoréduction négatif élevé. Tandis que les accepteurs d'électrons, dont l'affinité est grande, possèdent un potentiel d'oxydoréduction positif élevé. Plus les potentiels respectifs des deux couples sont différents, plus la quantité d'énergie, soit requise, soit libéré au cours du passage des électrons d'un couple à l'autre, est grande, c'est-à-dire le passage de la forme oxydée à la forme réduite, de la forme réduite à la forme oxydée demandant ou libérant de l'énergie. Normalement, le transfert d'électrons se fait thermodynamiquement d'un composé négatif à un autre composé qui est un peu moins négatif. Ainsi, l'énergie est libérée lorsque l'électron passe d'un transporteur à un autre (analogie avec une pierre qui monte et qui descend, l'état d'équilibre dans ce cas est de tomber et tout mouvement contraire nécessite un apport d'énergie). Cependant, le déplacement d'un électron dans le sens opposé (une pierre qui monte), d'un composé à un potentiel d'oxydoréduction positif vers un autre dont le potentiel d'oxydoréduction est négatif nécessite de l'énergie et la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter le niveau énergétique d'un électron à celui de son accepteur équivaut à la différence de potentiel entre le donneur originel (le réducteur H2O) et l'accepteur terminal (l'oxydant le CO2). Biologie générale II Cahier d’apprentissage 35 2.1.4 Gestion cellulaire de l’énergie À lire : À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 102 à 103 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p 112 #7 et p 113 # 3 et 4 Afin de gérer l’énergie et les substances dans la cellule, il y a plusieurs acteurs. Nommez et décrivez cinq acteurs de la gestion de l’énergie et des substances ? Le métabolisme est l’ensemble des réactions biochimiques dans un organisme ou dans une cellule. Toutes ces réactions impliquent des processus regroupés sous le nom de nutrition, soit l’alimentation, la digestion, le transport, l’élimination, ... Les réactions métaboliques peuvent s’effectuer selon deux voies. Nommez, définissez et donnez un exemple des deux voies métaboliques du métabolisme ? Les voies métaboliques peuvent suivre des principes de réactions différents, linéaires, cyclique ou ramifiée. Les réactions métaboliques ont aussi la caractéristique d’être réversible. Illustrez la réversibilité d’une réaction métabolique ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 36 2.1.5 Chaîne de transport d’électrons À lire : À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 104 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p 112 #8 et p.113 #5 Biologie générale II Cahier d’apprentissage 37 Voici un résumé du métabolisme Biologie générale II Cahier d’apprentissage 38 2.2 LES ENZYMES À lire : À faire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 105 à 109 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.112 #9 à 11 et p.113 #6 à 9 http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_biochemistry-enzymosubstrat.htm http://ead.univangers.fr/~jaspard/Page2/COURS/4EnzymologieLicence/1COURS1/3AnimEnerActiv/EnergieActivation .htm Qu’est-ce qu’un enzyme (nature chimique, rôle, caractéristiques) ? Qu’est-ce que l’énergie d’activation ? Dans une réaction chimique, les molécules de réactifs doivent absorber de l'énergie pour que leurs liaisons se brisent, et il y a libération d'énergie lorsque les liaisons des molécules de produits se forment. Cette énergie, nécessaire pour briser les liaisons dans les molécules de réactifs, se nomme énergie d'activation. L'énergie d'activation est habituellement fournie par l'environnement sous la forme de chaleur absorbée par les molécules de réactifs (théorie des collisions). Alors, les liaisons des réactifs se rompent seulement si les molécules ont absorbé suffisamment d'énergie pour devenir instables (noter que les systèmes riches en énergie libre sont instables et que les systèmes instables sont réactifs). Lorsque les réactifs atteignent un état instable ou état de transition, les liaisons des réactifs sont plus fragiles et plus faciles à rompre La barrière créée par l'énergie d'activation est essentielle à la vie. En l'absence de cette barrière, les protéines, l'ADN et les autres molécules de la cellule, riches en énergie libre, pourrait se décomposer spontanément. Heureusement, très peu de ces molécules peuvent franchir l'état de transition aux températures normales des cellules. Cette particularité permet aux êtres vivants de les conserver ou d'en contrôler l'utilisation au moyen de catalyseurs biologiques appelés ENZYMES. Ces enzymes augmentent la vitesse d'une réaction en abaissant l'énergie d'activation, de sorte que les réactifs franchissent plus facilement l'état de transition, même à des températures normales, en isothermie. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 39 2.2.1 Spécificité enzymatique Chaque enzyme catalyse une réaction spécifique. Ce fait repose sur le SITE ACTIF de l'enzyme auquel se lie le substrat. Ce site actif est fait d'acides aminés contigus ou éloignés les uns des autres et se présente en 3 dimensions. La spécificité d'une enzyme réside dans le fait que la forme de son site actif correspond exactement à la forme du substrat après que celui-ci est procédé à un ajustement induit. 2.2.2 Centre catalytique des enzymes Dans une réaction enzymatique, le substrat se lie au site actif pour former un complexe enzyme - substrat. Le substrat est généralement retenu dans le site actif par des interactions faibles, comme des liaisons hydrogènes ou quelquefois des liaisons ioniques. Au niveau du site actif, à mesure que le site actif épouse étroitement les contours des réactifs, l'enzyme exerce une pression sur les molécules de réactifs, étirant et déformant les liaisons chimiques, ces liaisons deviennent alors plus faciles à rompre et les réactifs exigent une moins grande quantité d'énergie libre pour atteindre l'état de transition. 2.2.3 Régulation métabolique et facteurs d’influence La régulation des enzymes contribue à la régulation du métabolisme de la cellule. Les différentes voies métaboliques qui existent dans la cellule sont rigoureusement contrôlées et réglés pour qu'elles s'effectuent selon un ordre et un moment de réalisation. C'est la régulation de l'activité enzymatique qui assure l'ouverture et la fermeture des différentes voies. Plusieurs facteurs influencent l’activité enzymatique. Nommez des enzymatique ? facteurs Biologie générale II physique, chimique, Cahier d’apprentissage … qui vont influencer l’activité 40 a) La température La vitesse de réaction enzymatique augmente avec la température, car les molécules de substrat heurtent les sites actifs plus fréquemment. Cette augmentation n’est pas infinie car à partir d'une certaine température, la vitesse de la réaction enzymatique chutera brusquement. L'agitation thermique de la molécule d'enzyme brise les liens hydrogène, les liens ioniques et les autres interactions faibles qui stabilisent sa conformation active, c’est la dénaturation ou coagulation de l'enzyme. b) Le pH Le pH agit aussi sur la forme des protéines. Il existe pour chaque enzyme un pH optimal. Le pH exerce son action d'une autre façon, sur les charges du substrat et de l'enzyme. c) Les sels Les enzymes sont également sensibles aux concentrations de sels. Les solutions extrêmement salines, par leurs ions inorganiques, viennent interférer avec les liaisons ioniques dans la protéine, ce qui peut provoquer la dénaturation et donc un changement de forme 3D de la protéine. d) Cofacteurs et coenzymes Les cofacteurs ou coenzymes sont des auxiliaires ou aides pour les enzymes. Ils accomplissent leur rôle en se liant soit fortement au site actif de façon permanente ou faiblement de façon réversible en même temps que le substrat. Lorsque ces substances sont inorganiques, zinc, fer, cuivre, on les nomme cofacteurs Si ces substances sont organiques, ce sont des coenzymes. La plupart des vitamines sont des coenzymes. e) Les inhibiteurs enzymatiques Certaines substances chimiques inhibent de façon sélective l'action d'enzymes spécifiques. Si l'inhibiteur se lie à l'enzyme par des liaisons covalentes, l'inhibition est habituellement irréversible. Si l'inhibiteur se lie à l'enzyme par des liaisons faibles, l'inhibition est réversible. Les inhibiteurs compétitifs réduisent la productivité des enzymes en empêchant l'accès du substrat aux sites actifs, si l'inhibition est réversible, elle peut être contrée par une augmentation de la concentration de substrat Biologie générale II Cahier d’apprentissage 41 Les inhibiteurs non compétitifs diminuent l'activité enzymatique en se liant à une partie de l'enzyme éloignée du site actif. Comme cette interaction déforme la molécule d'enzyme, le site actif n'est plus réceptif au substrat ou encore l'enzyme catalyse avec moins d’efficacité Le DDT et le parathion sont des pesticides qui agissent comme inhibiteurs enzymatiques du système nerveux chez plusieurs insectes. De même, plusieurs antibiotiques comme la pénicilline sont des inhibiteurs enzymatiques spécifiques chez les Bactéries non résistantes. La pénicilline bloque le site actif d'une enzyme que la bactérie utilise pour fabriquer sa paroi cellulaire. On a souvent l'impression que l'inhibition enzymatique est anormale et dommageable. En fait, l'inhibition et l'activation sélectives des enzymes par des molécules naturellement présentes dans la cellule constituent des mécanismes de régulation métabolique essentiels. f) Régulation allostérique et coopérativité Beaucoup d'enzymes possèdent un ou plusieurs sites de liaisons pour des molécules appelées régulateurs de la fonction enzymatique. Lorsqu'un régulateur stimule l'activité enzymatique, on le nomme activateur. Lorsque le régulateur diminue l'activité enzymatique, on le nomme inhibiteur. Les régulateurs se lient à un site allostérique, un site récepteur spécifique situé dans une partie de la molécule d'enzyme éloignée du site actif. C'est le fait qu'un substrat qui se lie au site actif d'une sous-unité d'une enzyme, constituée de deux ou plusieurs sous unités, modifiera légèrement ce site actif de la sous-unité concernée en induisant l'ajustement de toutes les autres sous-unités de l'enzyme. Dit d'une autre façon, la coopérativité accroît la réponse de l'enzyme au substrat. g) Rétroinhibition La rétroinhibition est un des principaux mécanismes de régulation métabolique. Elle a lieu lorsqu'une voie métabolique se ferme parce que son produit final est un inhibiteur d'une enzyme de cette voie. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 42 Voici un schéma présentant les enzymes Biologie générale II Cahier d’apprentissage 43 2.3 EXERCICE FORMATIF: 1- Définir métabolisme, réactions anaboliques, réactions cataboliques, nutrition et thermodynamique? 2- Donnez et expliquez un exemple de transformation de l'énergie chez les êtres vivants? 3- Expliquez et démontrez, à l'aide d'exemples, a) les 2 lois de la thermodynamique? b) les réactions endergoniques et exergoniques? 4- Donnez la composition chimique de l'ATP et de l'ADP? 5- Donnez un exemple du processus de phosphorylation? 6- Définir catalyseur? 7- Nommez et expliquez les principales caractéristiques des enzymes? 8- Expliquez l'importance de la structure des protéines sur les mécanismes d'action enzymatique? 9- Définir site actif? 10- Définir énergie d'activation? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 44 11- Expliquez comment des molécules de réactifs peuvent atteindre l'énergie d'activation nécessaire pour réagir au niveau: a) d'une réaction chimique? b) d'une réaction biologique? 12- Dites pourquoi la température du corps n'est pas le facteur important pour régler la vitesse de réactions? 13- Caractérisez la réaction enzyme - substrat qui implique deux réactions successives? 14- Différenciez cofacteur et coenzyme? 15- Nommez des sortes de cofacteurs et de coenzymes? 16- Expliquez, à l'aide d'exemples, comment un cofacteur agit sur l'enzyme pour qu'elle puisse se fixer par son site actif sur un substrat spécifique? 17- Parlez de l'importance des réactions enzymatiques en cascade? 18- Expliquez le mode d'action d'une réaction enzymatique en cascade? 19- Donnez un exemple concret d'une réaction enzymatique en cascade? 20- Nommez et expliquez les facteurs qui affectent la vitesse des réactions enzymatiques? 21- Définir inhibiteur enzymatique? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 45 22- Précisez pour quelles raisons l'inhibition est quelquefois réversible et quelquefois irréversible? 23- Expliquez le mode d'action des inhibiteurs compétitifs? 24- Expliquez de quelle manière une inhibition réversible peut être contrée? 25- Expliquez le mode d'action des inhibiteurs non compétitifs? 26- Donnez quelques exemples concrets d'inhibiteurs enzymatiques? 27- Distinguez un régulateur activateur d'un régulateur inhibiteur? 28- Précisez ce qu'est un site allostérique? 29- Donnez et expliquez un exemple d'action d'un enzyme allostérique? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 46 2.4 FLUX D’ÉNERGIE : RESPIRATION ET PHOTOSYNTHÈSE À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 114 à 115 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 exercice #1 Pour accomplir ces fonctions, les cellules doivent travailler, elles ont donc besoin d’énergie. L’énergie peut provenir de la lumière solaire, pour les végétaux et autres organismes photosynthétiques, durant le processus de la photosynthèse. Les animaux, quant à eux, extraient l’énergie des molécules organiques et s’en servent pour régénérer l’ATP, molécule qui assure l’énergie au travail cellulaire. Le processus d’extraction et de régénération de l’énergie est expliqué par la respiration cellulaire et les voies métaboliques qui lui sont associées. La figure 7.2 page 115 résume bien le flux d’énergie. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 47 2.5 LA PHOTOSYNTHÈSE À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 114 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex #1 et auto #1 Définissez les terme suivant ? Photosynthèse : Autotrophes : Photoautotrophes : Hétérotrophes: 2.5.1 Anatomie d’une feuille et les chloroplastes À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 116 à 117 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex#2 Sur le dessin suivant, identifiez les structures de la feuille : http://www.infovisual.info/01/012_en.html Biologie générale II Cahier d’apprentissage 48 Décrire, sur le dessin légendé, le chloroplaste en le situant dans l’organisme végétal et en décrivant sa constitution. Coupe de feuille Cellule contenant environ 70 chloroplastes 5 milliards de chloroplastes par feuille http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/TexteTD/5TDBioCellL1/1TDComparProEucar/3Figures/2Organites/1Organites.htm Biologie générale II Cahier d’apprentissage 49 2.5.2 La lumière et les pigments À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 118 à 121 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex # 4 et 5 Les chloroplastes contiennent différents pigments localisés dans la membrane des thylakoïdes. Ces pigments ont la capacité d’absorber la lumière. - est le pigment bleu-vert, qui absorbe la lumière rouge et bleue, c’est la raison pour laquelle les feuilles nous paraissent vertes car elles diffusent ces longueurs d’onde. - est le pigment jaune-vert qui absorbe la lumière et transfert l’énergie à la chlorophylle a qui l’utilise comme si c’était elle qui l’avait captée. - sont des pigments, jaune à orangé, qui semblent d’avantage jouer un rôle de photo-protection. Au lieu de transmettre de l’énergie, ils l’absorbent et la dissipent pour éviter d’endommager les pigments. http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/701/chap3b_contenu.htm Lorsqu’un pigment absorbe la lumière sous forme de photons, un de ces électrons change d’orbital, il passe de l’état fondamental à l’état excité, il possède alors une plus grande énergie potentielle. Dans les chloroplastes, cet électron est transféré à un accepteur d’électron dans une organisation que l’on nomme photosystème. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 50 2.5.3 Les réactions biochimiques À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 116 et 117 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex # 6 et auto # 3, 5, 6 Dans le processus de la photosynthèse, une énergie de rayonnement est absorbée et transférée dans une combinaison chimique. Chimiquement, c’est l’élimination d'un hydrogène hors d’une molécule d'eau avec libération d'oxygène. L'hydrogène est transféré sur le dioxyde de carbone (CO2), et immobilisé sous forme de carbure. Le CO2 remplit la fonction de récepteur (accepteur) pour l'hydrogène. L'absorption du rayonnement photosynthétiquement actif se fait par la chlorophylle. D'une façon générale, on peut représenter le processus par une équation: On peut diviser la suite d'événements thermodynamiques et biochimiques de la photosynthèse en 2 phases : a) b) Complétez le dessin suivant en identifiant les 2 phases et en plaçant les éléments de l’équation ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 51 2.5.4 La phase lumineuse ou réactions photochimiques À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 122 à 124 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex # 6 et auto # 3, 5, 6 À voir : http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/photosynthesis.swf http://www.fw.vt.edu/dendro/forestbiology/photosynthesis.swf http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/701/chap3b_contenu.htm Ce site présente des animations qui résument bien la phase lumineuse de la photosynthèse Décrivez la réaction photochimique en quelques mots et mentionnez où elle se déroule dans la cellule et plus précisément dans l’organite ? 1 L'absorption de lumière a pour résultat l'excitation d'un électron (e-) dans chacune des molécules de chlorophylle a exposées. Deux photosystèmes sont présents, qui se différencient par les longueurs d’onde absorbées. Le photosystème I, P700, est constitué d’une chlorophylle a ayant la capacité d’absorber d’avantage la longueur d’onde de 700 nm. Le photosystème II, P680, est constitué d’une chlorophylle a ayant la capacité d’absorber d’avantage la longueur d’onde de 680 nm. Les électrons excités sont captés par les accepteurs d’électron (voir Chaines de transport d’électron) 2 Le vide électronique laissé dans le photosystème II est comblé par l'hydrolyse de l'eau en hydrogène et en oxygène par des enzymes. 3 Les électrons voyagent des accepteurs d’électron du photosystème II au photosystème I via une chaîne de transport d’électrons qui débute avec la plastoquinone (Pq). 4 Ce passage des électrons dans la chaîne de transport assure la photophosphorylation de l'ADP en ATP grâce à l’ATP synthétase située dans la membrane des thylakoïdes. L’ATP formé se retrouve dans le stroma des chloroplastes 5 Le vide électronique laissé dans le photosystème I est comblé par l’arrivée des électrons de la chaîne de transport (photosystème I). 6 Les électrons excités du photosystème I sont acceptés et entrent dans une seconde chaîne de transport et sont emmagasinés dans une molécule de nicotinamide dinucléotide phosphate (NADP) pour former le NADPH + H+ Biologie générale II Cahier d’apprentissage 52 Sur l’image suivante, identifiez les différentes étapes (1 à 6) mentionnées précédemment ? http://www.com.univ-mrs.fr/IRD/atollpol/glossaire/ukphotos.htm Dans certain cas, l’accepteur d’électron du photosystème I agit via la chaîne de transport pour former de l’ATP car les besoins en ATP sont plus grands que ceux en NADPH + H+. On nomme ce phénomène, la phosphorylation cyclique. (voir figure 10.14) http://www.com.univ-mrs.fr/IRD/atollpol/glossaire/ukphotos.htm Biologie générale II Cahier d’apprentissage 53 Sur l’image suivante, identifiez les éléments manquants ? http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/701/chap3b_contenu.htm Voici une autre représentation des réactions photochimiques http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/701/chap3b_contenu.htm Biologie générale II Cahier d’apprentissage 54 2.5.5 La phase obscure ou cycle de Calvin À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 125 Starr, C. et Taggart, R. Bio générale, p.130 ex #3, 7, 8, auto #4, 7, 8, 9 Décrivez le cycle de Calvin en quelques mots et mentionnez où elle se déroule dans la cellule et plus précisément dans l’organite ? D’où proviennent l’énergie et le potentiel réducteur nécessaire à cette réaction cyclique ? Le cycle de Calvin produit non pas un glucose mais une mole de monosaccharide à 3 carbones, le PGAL (Phosphoglycéraldéhyde), et ce à partir de 3 moles de CO2. Le cycle se divise en 3 étapes qui sont : 1- La fixation du carbone du CO2 se fait sur une molécule de cinq carbone, le ribulose diphosphate (RuDP) (5C) donnant une molécule à 6 carbones très instables qui se scinde en 2 molécules de 3 C. 2- En utilisant de l’ATP et en transférant les électrons du NADPH + H+ il se produit une réduction qui permet de former le PGAL 3- Une série de réaction utilisant de l’ATP, permet de réarranger les chaînes de carbones en RuDP, accepteur de CO2. C’est la régénération. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 55 Complétez le dessin suivants avec les noms d’étapes et les principaux éléments chimiques impliqués Le bilan du cycle de Calvin à partir de 3 molécules de CO2 est le suivant : ATP utilisé : NADPH + H+ utilisé : PGAL produit : Pour produire une mole de glucose, combien des molécules suivantes sont nécessaires : CO2 : ATP utilisé : NADPH + H+ utilisé : PGAL produit : Biologie générale II Cahier d’apprentissage 56 2.5.6 Facteurs influençant et adaptation de la photosynthèse À lire : À faire: Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 126 et 127 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.130 ex #9 et 10 Nommez des facteurs qui peuvent influencer la photosynthèse et expliquant comment? La photorespiration est un processus qui permet aux végétaux, même par temps chaud et sec, de produire des nutriments mais en moins grandes quantités. Les plantes, pour éviter la perte d’eau, peuvent fermer leurs stomates empêchant ainsi le CO2 d’entrer dans la feuille. Le RuDP fixe du O2 au lieu du CO2. Il y a alors production d'un intermédiaire qui sera recyclé dans les peroxysomes et qui produira du CO2. Le résultat est la destruction de la matière organique. Elle peut aboutir à la perte d'un tiers du dioxyde de carbone fixé par photosynthèse. La photorespiration contribue à tamponner la teneur en O2 des cellules végétales. http://www.cours-pharmacie.com/biologie-vegetale/la-photosynthese.html Biologie générale II Cahier d’apprentissage 57 D’autres plantes sont adaptées à des conditions non idéales pour la photosynthèse sans utiliser la photorespiration. Ces plantes de type C4 utilisent un autre mode de fixation du carbone, avant le cycle de Calvin. En fait, l’organisation des cellules et les cellules elles-mêmes, où se déroulent les étapes, sont différentes, ce qui permet d’éviter la photorespiration. Les plantes succulentes aussi se sont adaptées au climat aride en utilisant un mode de fixation du carbone appelé CAM. Le carbone du CO2 est incorporé durant la nuit à un acide organique qui est ensuite, le jour dirigé vers le cycle de Calvin. Biologie générale II Cahier d’apprentissage 58 2.6 RESPIRATION CELLULAIRE À lire : À lire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 132 à 135 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.147 #1 http://www.ac-amiens.fr/pedagogie/svt/info/logiciels/animmetabo/respi.htm Les organismes qui font de la respiration cellulaire oxydent le glucose, pour y récupérer de l’énergie sous forme d’ATP. Ce processus s’effectue habituellement en présence de dioxygène jusqu’à ce que l’hydrogène et l’oxygène soient réunis sous forme d’eau. Le gaz carbonique qui servait auparavant de support à l’hydrogène est devenu inutile et est libéré et même que l’énergie chimique des liaisons rompues. Définissez le terme respiration cellulaire? Quelle est l’équation globale de la respiration cellulaire aérobie ? Ce processus est exergonique, car toute l’énergie contenue dans la molécule de glucose sous forme de liaison chimique est libérée sous forme d’ATP et de chaleur. La libération d’une aussi grande quantité d’énergie ne se produit pas d’un seul coup mais peu à peu en passant par de nombreux états intermédiaires. La respiration cellulaire aérobie s’effectue en 3 étapes principales impliquant une série de réactions et de nombreuses enzymes. - La première étape est la qui est caractérisée par une suite de réactions enzymatiques qui mènent, à partir d’une molécule de glucose à deux molécules d’acide pyruvique (pyruvate) et de l’énergie (ATP). - La seconde étape est le qui est caractérisé par une série d’étapes qui permettront de produire du gaz carbonique (CO2), de l’énergie (ATP) ainsi que le transfert d’électrons sur des transporteurs - La troisième étape est la , qui est caractérisé par une série de réactions au cours desquelles des hydrogènes (H2) sont dirigés vers une chaîne de transporteurs (chaîne des cytochromes) qui produiront des molécules d’ATP et de l’eau (H2O). Biologie générale II Cahier d’apprentissage 59 Sur l’image suivante, identifiez les principales étapes, les éléments chimiques intermédiaires et finaux des réactions? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 60 2.6.1 La glycolyse À lire : À lire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 136 à 137 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p. 148 auto #1 et 2 http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/glycolysis.html La première étape, la glycolyse, est constituée de 10 étapes se divisant en 2 phases, les 5 premières étapes nécessitent de l’énergie pour se produire tandis que le 5 suivantes produisent de l’énergie. Où se déroule la glycolyse dans la cellule ? Sur la figure, manquants ? identifiez les éléments Quel est le bilan de la glycolyse à partir d’une mole de glucose ? http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-21.htm Biologie générale II Cahier d’apprentissage 61 2.6.2 Le cycle de Krebs À lire : À lire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 138 à 139 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.147-148 ex #3, 6 http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/krebs.html Une fois produit dans le cytosol de la cellule, les molécules de pyruvate sont dirigées et transportées, par un transporteur membranaire (perméase), dans la matrice de la mitochondrie. Il se déroule alors une transformation charnière entre la glycolyse et le cycle de Krebs, la conversion du pyruvate en acétyl-CoA grâce à la coenzyme A. Complétez l’image suivante ? Quel est le bilan de l’étape charnière à partir de 2 molécules de pyruvate ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 62 Par la suite, l’acétyl-CoA entre dans un cycle en 8 étapes, le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique. Durant ce cycle, il y a production de CO2, transfert d’électron au NAD+ et à un autre accepteur électron, le FAD ainsi que la phosphorylation du substrat produisant des ATP. Complétez l’image suivante ? http://perso.orange.fr/alphonse.nass/cycledekrebs.htm Quel est le bilan du cycle de Krebs est Si on tient compte de l’étape charnière et du cycle, quel est le bilan total Biologie générale II Cahier d’apprentissage 63 2.6.3 La chaîne de transport d’électrons À lire : À lire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 140 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.147-148 ex #4, 5, auto #4 http://www.decclic.qc.ca/?561348BA-6DA3-4EE1-A084-04B16322AE18 La chaîne de transport d’électrons est une série de molécules enchâssées dans la membrane de la mitochondrie qui s’oxydent et se réduisent (acceptent et cèdent des électrons). Ces molécules sont pour la plupart des protéines que l’on nomme des cytochromes. Lors de ce transfert d’électron en cascade, le dernier cytochrome (a3) cède ses électrons à un dioxygène (O2) qui recueille ses protons d’H+ ce qui forme une molécule d’eau (H2O). Le NADH et le FADH2 cèdent leurs électrons au cytochrome. Le flux exergonique d’électrons véhicule les H+ vers l’espace intermembranaire. Ces derniers par un phénomène nommé chimiosmose veulent revenir dans la matrice mitochondriale. C’est une ATP synthétase qui permet au H+ de traverser la membrane, ce qui permet de phosphoryler une molécule d’ADP en ATP, d’où la production importante d’énergie par phosphorylation oxydative. On peut donc considérer la chaîne de transporteur d’électron, comme une réaction de l’hydrogène dirigée produisant une grande quantité d’énergie. Complétez l’image suivante ? http://www.reactome.org/cgi-bin/eventbrowser?DB=gk_current&ID=163200&ZOOM=2 Quel est le bilan de la chaîne de transport d’électron ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 64 2.6.3 Bilan de la respiration cellulaire aérobie À lire : À lire : À voir : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 141 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.147-148 ex #2, auto #3 et 9 http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/etc.html En lisant les notions de la respiration cellulaire ci-dessus ainsi que ceux de votre volume de référence, compléter un schéma illustrant le processus général de la respiration cellulaire aérobie en incluant le bilan des éléments formés et utilisés. http://www.ustboniface.mb.ca/cusb/abernier/biologie/metabolisme/Resp6.html Biologie générale II Cahier d’apprentissage 65 2.7 Les fermentations À lire : À lire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 142 et 143 Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, p.148 ex #7, auto #5 à 8 Dans les fermentations anaérobies (glycolyse anaérobie), ce n’est pas l’O2 mais d’autres composés qui servent de récepteurs d’hydrogène. Selon le substrat qui est utilisé comme accepteur d’hydrogène, les produits résultants des processus de fermentation sont divers et les fermentations sont nommées en conséquence. Ainsi, on parle de fermentation alcoolique et lactique. Complétez l’image suivante ? Fermentation lactique Quel est le bilan de la fermentation lactique à partir d’une mole de glucose ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 66 Fermentation alcoolique Quel est le bilan de la fermentation alcoolique à partir d’une mole de glucose ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 67 À partir des bilans de chacun des processus, respiration cellulaire aérobie, fermentation alcoolique et fermentation lactique, comparer les produits finaux, les accepteurs finaux d’électrons et l’énergie libérée. Étapes ou réactions Respiration cellulaire aérobie Fermentation alcoolique Fermentation lactique Élément de départ Réactions ou étapes # Accepteurs d’électrons formés Produits finaux formés Énergie produite Biologie générale II Cahier d’apprentissage 68 2.8 EXERCICE FORMATIF 1- Décrivez, brièvement, sous quelle forme, à quel endroit et le rôle des différents pigments nécessaires à la photosynthèse? 2- Distinguez les deux systèmes de pigments? 3- Décrivez l'unité fonctionnelle (organite cellulaire) de base de la photosynthèse? 4- Expliquez pourquoi on peut dire que la phase lumineuse est caractérisée par la photolyse de l'eau et la phase obscure par la fixation du CO2? 5- Quels sont les buts respectifs de la phase lumineuse et de la phase obscure de la photosynthèse? 6- Expliquez ce que l'on entend par la photophosphorylation de l'ADP? 7- Nommez un transporteur d'hydrogène dans la photosynthèse? 8- Expliquez ce que signifie un potentiel d'oxydoréduction négatif ou positif? 9- Dans la photosynthèse, précisez ou donnez la forme réduite du CO2 et la forme réduite de l'oxygène? 10- Expliquez les différences qui existent entre la photophosphorylation cyclique et non cyclique? 11- Précisez les conditions qui amènent la photophosphorylation non cyclique? 12- Quel est le principal donneur d'électrons dans la photosynthèse? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 69 13- Quel est le principal accepteur d'électrons dans la photosynthèse? 14- Résumez les principales réactions de la phase lumineuse de la photosynthèse? 15- Résumez les principales réactions de la phase obscure de la photosynthèse? 16- Quel est le principal produit de la photosynthèse? 17- Nommez et décrivez brièvement les principales étapes de la respiration cellulaire et donnez, pour chacune, un bilan si la réaction débute avec une mole de glucose ? 18- Comparez la glycolyse aérobie à la glycolyse anaérobie en termes de produits et d'énergie dégagée en mettant en évidence les accepteurs d'hydrogène (finaux) dans chacun des cas ? 19- Précisez à quel endroit dans la cellule s'effectuent chacune des grandes étapes de la respiration cellulaire? 20- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) d'un manque d'oxygène au niveau de la respiration cellulaire ? 21- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) de la présence d’un inhibiteur enzymatique au début du cycle de Krebs de la respiration cellulaire ? 22- Mettez en évidence les différences entre la fermentation lactique et la fermentation alcoolique? 23- Expliquez la complémentarité qui existe entre la photosynthèse et la respiration cellulaire ou entre les végétaux et les animaux? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 70 24- Faites un tableau synthèse de la respiration cellulaire à partir d’une mole de glucose pour chacune des étapes et sous étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les produits formés, l’ATP utilisé, le NADH+H+ et FADH2 formés, l’ATP formé par phosphorylation sur le substrat et par phosphorylation oxydative ? 25- Faites un tableau synthèse des fermentations à partir d’une mole de glucose , en mentionnant le lieu dans la cellule, les produits formés, l’ATP utilisé, le NADH+H+ et FADH2 formés, l’ATP formé ? 26- Faites un tableau synthèse de la photosynthèse pour chacune des étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les éléments utilisés (réactifs) et les produits formés ? Biologie générale II Cahier d’apprentissage 71
