Module 2: Les processus métaboliques SBI4U

Idées clés Tous les processus métaboliques comportent des modifications chimiques et des transformations d’énergie. La compréhension des processus métaboliques permet de prendre des décisions éclairées sur des enjeux personnels, sociaux et écologiques.

Attentes Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Analyser, en appliquant la méthode scientifique, les processus métaboliques cellulaires de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Mettre en évidence les liens entre l’avancement de la connaissance scientifique des processus métaboliques et les progrès technologiques, et reconnaître leur incidence sur la société et l’environnement.

Réactions chimiques dans les cellules ≈ chaîne de dominos

Chapitre 3: L’énergie et la respiration cellulaire Le colibri dépense beaucoup d’énergie pour se maintenir en vol.

3.1: Le métabolisme et l’énergie Anabolisme vs. catabolisme

Le métabolisme * Anabolisme Catabolisme Utilise de l’énergie. Synthétise des grosses molécules à partir des petites molécules. Libère de l’énergie. Dégrade des grosses molécules en petites molécules. Métabolisme: Ensemble de toutes les réactions chimiques qui se produisent dans une cellule.

Voie métabolique * Voie métabolique: Suite de réactions chimiques dans une cellule vivante. Chaque réaction est catalysée par une enzyme. Exemple:

L’énergie * Souvent, potentielle → cinétique Énergie Cinétique Associée au mouvement Stockée Souvent, potentielle → cinétique

Exemples: potentielle → cinétique * Le gradient électrochimique de Na+ est une énergie potentielle qui peut être utilisée pour le mouvement du Na+ à travers la membrane.

L’énergie de liaison * Ça prend de l’énergie pour briser des liaisons. + d’énergie = énergie potentielle ↑ car instables Donc, quand les liaisons se reforment ça libère de l’énergie (thermique, etc.) Énergie de liaison = énergie requise pour briser une liaison

Que devient l’énergie libérée? * Énergie thermique (ex. pour réchauffer le corps d’une mésange l’hiver). Mouvement des composés à travers la membrane cellulaire Contraction d’un muscle Émission de lumière

Lois de la thermodynamique Lequel? Système ouvert (échange matière et énergie avec le milieu) Système fermé (échange seulement énergie avec le milieu) Système isolé (n’échange ni matière ni énergie avec le milieu)

1ère loi de la thermodynamique * L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’un type en un autre et transférée d’un objet à un autre.

2e loi de la thermodynamique * Au cours de tout processus, l’univers tend vers le désordre. Entropie = mesure de désordre (symbolisé par S)

Votre tâche P.121 #1 à 6

Prédire des réactions chimiques * Énergie libre (G) = énergie disponible pour effectuer un travail Durant une réaction, les liaisons changent. ΔG = ΔH –TΔS H = chaleur T = température S = entropie (désordre)

Réactions endothermiques et exothermiques * Utilité du ΔG: prédire si une réaction va se produire Si ΔG > 0: réaction non spontanée Requiert de l’énergie pour se produire (ex. faire fondre de la glace ) ENDOTHERMIQUE

Réactions endothermiques et exothermiques * Si ΔG < 0: réaction spontanée Ne requiert pas d’énergie pour se produire (ex. CaCO3 dans le vinaigre) EXOTHERMIQUE

Exothermique ou endothermique? Faire geler de la glace Cuire un œuf Faire cuire du pain Une chandelle qui brûle Un clou qui rouille

La thermodynamique et le métabolisme * Réaction spontanée n’a pas nécessairement lieu. Doit être amorcée. Source d’énergie dans le corps = ATP (adénosine triphosphate) Liaisons de haute énergie

La thermodynamique et le métabolisme * Lorsque l’ATP est hydrolysé, il libère de l’énergie. Endothermique ou exothermique?

Les réactions couplées * L’ATP est hydrolysée et synthétisée de manière cyclique dans la cellule. Énergie provenant des réactions cellulaires exothermiques Énergie pour réactions cellulaires endothermiques

Les transporteurs d’électrons * Électron = tranporte de l’énergie Oxidé = a perdu un électron = a perdu de l’énergie Réduit = a gagné un électron = a gagné de l’énergie Transporteur d’électron = reçoit électrons d’un composé riche en énergie et les donne à un composé pauvre en énergie Deux exemples de transporteurs d’électrons: FAD NAD+

Votre tâche P.149 #56, 57, 58

3.2: La respiration aérobie

La respiration aérobie * Déf: Type de respiration dans laquelle l’oxygène est utilisé comme carburant. Fonction: Produire de l’ATP à partir du glucose (C6H12O6). Formule: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + énergie Respiration Aérobie Anaérobie Avec O2 Sans O2

Phosphorylation * Phosphorylation = association d’un phosphate à un composé organique. Phosphorylation au niveau du substrat: lorsqu’un phosphate est enlevé d’une molécule de substrat pour s’ajouter à un ADP et faire un ATP. Phosphorylation oxydative: lorsque l’énergie pour phosphoryler un ADP en ATP provient des réactions d’oxydoréduction dans le cycle de Krebs.

La respiration cellulaire: résumé * Voir fiche Étape Dessin 1 Glycolyse 2 Oxydation du pyruvate 3 Cycle de Krebs 4 Phosphorylation oxydative

1) La glycolyse * Phase d’investissement Phase de libération

Étape A Glucose entre dans la cellule. https://www.youtube.com/watch?v=8Kn6BVGqKd8 Glucose « activé » devient trop gros pour sortir de la cellule.

Étape B

Étape C

Étape D

Étape E

Étape F

Résumé de la glycolyse * Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 H2O + 2 NADH + 2 ATP

Ressources Drag-and-drop glycolysis: http://www.zerobio.com/drag_oa/glycolysis/glycolysis2.htm Vidéo sommaire sur la glycolyse: https://www.youtube.com/watch?v=8Kn6BVGqKd8

Vérifie tes connaissances Explique la différence entre la respiration cellulaire et la respiration cellulaire aérobie. Quelle équation générale décrit la respiration cellulaire? Indique s’il s’agit d’un résumé du processus ou d’une équation chimique ordinaire. Quelles sont les étapes du transfert d’énergie du glucose à l’ATP dans le contexte de la respiration aérobie, et dans quelles parties de la mitochondrie se déroulent-elles?

Vérifie tes connaissances (suite) Qu’est-ce que la phosphorylation au niveau du substrat? Qu’est-ce que la phosphorylation oxydative? Qu’est-ce que la glycose? Nomme ses matériaux initiaux et ses produits.

L’oxydation du pyruvate CoA = coenzyme A Étape intermédiaire entre glycolyse et cycle de Krebs

Votre travail P.133 #1, 2, 3, 4

Cycle de Krebs

1) Condensation Nom en violet = enzyme (différent pour chaque étape)

2-3) Isomérisation

4) Première oxydation Le NAD+ enlève 2 électrons.

5) Deuxième oxydation

6) Phosphorylation au niveau du substrat

7) Troisième oxydation FADH2 FAD

8-9) Régénération de l’oxaloacétate et 4e oxydation

Vérifie tes connaissances Qu’est-ce que le cycle de Krebs? Quelle est son importance dans le processus de la respiration aérobie? Qu’arrive-t-il au pyruvate engendré durant la glycolyse avant qu’il subisse le cycle de Krebs? Pour chaque molécule de glucose qui subit une glycolyse, il y a plus d’une exécution du cycle de Krebs. Explique pourquoi.

La phosphorylation oxydative * Glycolyse + oxydation du pyruvate + Krebs: chaque atome de C = transformé en CO2. Peu d’ATP produit Bcp de NADH et FADH2. Durant phosphorylation oxydative: NADH et FADH2 produisent beaucoup d’ATP

Système de transport d’électrons * Utilise protéines de la membrane interne Électrons sont transférés 1 par 1 Chaque transfert: énergie utilisée pour pomper H+ Accepteur d’électrons final = oxygène (pour faire H2O)

La chimiosmose * Gradient électrochimique de H+ = énergie potentielle électrique Utilisation du gradient de protons pour la phosphorylation de l’ADP (par ATP-synthase).

Votre travail P.133 #1 à 10

Question On vient d’étudier la façon dont le glucose est décomposé pour produire de l’énergie. Toutefois, on ne mange pas seulement du glucose. Qu’est-ce qui arrive quand on mange des protéines? Des lipides?

Les interrelations des voies métaboliques * La plupart des glucides: dégradés et transformés en glucose. Protéines: amine enlevé, transformé en intermédiaire du cycle. Graisses: glycérol devient G3P, acides gras deviennent acétyl-CoA

La régulation des voies cataboliques aérobies * Si ATP utilisée lentement, synthétisée lentement. Si ATP utilisée vite, synthétisée vite. Qu’est-ce qui contrôle? 2 contrôleurs: Phosphofructokinase Pyruvate déshydrogénase

Phosphofructokinase * Activé par ADP (si beaucoup d’ADP, fonctionne plus vite) Inhibition non compétitive par ATP (si beaucoup d’ATP, arrête de fonctionner) Inhibition non compétitive par citrate

Pyruvate déshydrogénase * Inhibé par excès de NADH.

3.3: La respiration anaérobie et la fermentation

Avec ou sans oxygène * Métabolisme du glucose Avec O2 Respiration aérobie Sans O2 Respiration anaérobie Fermentation

Dans la respiration aérobie… Nous avons appris que la respiration anaérobie se passe quand il n’y a pas d’oxygène. Mais où est l’oxygène dans le processus de la respiration aérobie?

Dans la respiration aérobie… Nous avons appris que la respiration anaérobie se passe quand il n’y a pas d’oxygène. Mais où est l’oxygène dans le processus de la respiration aérobie? * O2 est l’accepteur d’électrons final.

Dans la respiration anaérobie… * Accepteur d’électrons final: CO2 NO3- (nitrate) SO42- (sulfate) Tout le reste du métabolisme est identique à la respiration aérobie. Organismes unicellulaires seulement.

Dans la fermentation * Seulement la glycolyse se produit. Donc, très peu d’ATP est produit. Problème: manque de NAD+ (nécessaire à la glycolyse). Deux solutions

La fermentation * 2 types de fermentation: Fermentation lactique C’est le pyruvate qui accepte les électrons du NADH, ce qui le transforme en lactate. Dans organismes unicellulaires et multicellulaires (muscles, durant activité intense). Où va le lactate ensuite? Si organisme unicellulaire: lactate rejeté hors de la cellule. Si muscle: lactate envoyé dans le sang à d’autres cellules musculaires au repos pour le briser. Responsable des muscles endoloris après un effort intense.

La fermentation (suite) * Fermentation alcoolique Le pyruvate est converti en acétaldéhyde, qui lui prend les électrons du NADH. Produit éthanol + CO2

Fermentation alcoolique et industrie * Produit par des levures (cellule) à l’aide de divers sucres (nourriture). Sucres de céréales (ex. maïs, riz, etc.) = bière. Sucres du miel = hydromel. Sucres de raisin = vin. A permis de produire durant la 1ère guerre mondiale: Butanol (caoutchouc pour pneus et machines) Acétone (poudre sans fumée)

Fermentation alcoolique et industrie (suite) * Comme la fermentation ne brise pas le glucose au complet, les produits finaux peuvent encore être utilisés comme source d’énergie. Ex. Lampes à l’éthanol. Ex. Voitures essence & éthanol.

Votre travail * P. 137 #1, 2, 3, 4, 5, 7

Chapitre 4: La photosynthèse 4.1: Phase lumineuse 4.2: Phase obscure

4.1: Capter l’énergie solaire: les réactions de la phase lumineuse

Importance de la photosynthèse Produit 1,4 x 1015 kg de sucre par année (train = 100 fois distance Terre-Lune) 95% de la masse sèche d’une plante

Réaction globale * 6CO2 + 6 H2O + énergie → C6H12O6 + 6O2 Deux étapes: Inclut plus de 100 réactions chimiques Deux étapes: Réactions de la phase lumineuse (photo-) Réactions de la phase obscure (-synthèse)

Organisation structurelle * Photosynthèse a lieu dans les chloroplastes. Structures: Membrane externe Membrane interne Stroma (liquide entre grana, a enzymes) Grana (pile de thylakoïdes) Thylakoïdes (disque, forme de sac)

Les propriétés de la lumière * Voyage sous forme d’ondes. Beaucoup d’énergie Peu d’énergie Les ondes ont une longueur. Lumière visible = 380 nm à 750 nm

Absorption de l’énergie lumineuse * Pigment = composé qui absorbe certaines longueurs d’ondes et en rejette d’autres. Ex. cholorophylle a et chlorophylle b absorbent tout sauf vert. Ex. Béta-carotène absorbe tout sauf rouge-orange Durant phase lumineuse, pigments de membrane thylakoïdienne absorbent énergie du soleil.

Les photosystèmes captent l’énergie * L’énergie lumineuse est absorbée par des groupes de protéines et pigments nommés photosystèmes. Photosystème = groupe de pigments (antenne réceptrice) qui captent l’énergie lumineuse et la transmettent à 1 chlorophylle spécifique (groupe réactionnel) qui l’utilise pour faire passer un électron d’un donneur à un receveur.

Votre travail P.159 #1 à 6

Les réactions de la phase lumineuse * Résumé des 4 étapes : Molécule P680 du photosystème II absorbe un photon et excite (perd) un électron. Électron est transporté à travers le complexe b6-f. Forme un gradient de protons. Molécule P700 du photosystème I absorbe un photon et excite (perd) un électron. Électrons sont utilisés pour transformer NAD+ en NADP.

Étape 1 *: Molécule P680 du photosystème II absorbe un photon et excite (perd) un électron. Molécule P680 est positive. Arrache 4 électrons à l’eau avec l’aide de 4 photons. 2H20 + énergie → 4H+ + 02 + 4e- 4H+ restent dans l’espace thylakoïdien 4 e- sont transférés à l’accepteur d’électrons 02 libéré dans l’environnement

Étape 2 *: Électrons transférés à travers différents transporteurs Énergie libérée à chaque transfert pompe des H+ à l’intérieur de l’espace thylakoïdien par complexe b6-f

Étape 3 *: Molécule P700 du photosystème I absorbe un photon et excite (perd) un électron. Cet électron est remplacé par les électrons perdus du photosystème II

Étape 4 *: Électrons excités par photosystème I sont utilisés par NADP réductase pour changer le NADP+ à NADPH.

Fabrication de l’ATP par chimiosmose * À cause de l’étape 2, surplus de H+ dans l’espace thylakoïdien. Membrane est imperméable aux H+. Seule sortie = ATP-synthase. Produit: ADP + P → ATP Question: Qu’est-ce qui arriverait au rendement en ATP si on ajoutait aux chloroplastes un agent chimique qui rend les membranes perméables aux protons?

En résumé https://www.youtube.com/watch?v=XmFg91BmS-o

Photophosphorylation cyclique et non cyclique * Quelles sont les différences? Phosphorylation cyclique Phosphorylation non cyclique

Imitations de la photosynthèse par les humains * Panneaux solaires Décomposition de l’eau Comme dans Photosystème II Ensuite utilisé comme combustible pour pile à hydrogène Problème des piles à hydrogène: produire H2 est trop polluant

Votre tâche P.165 #1 à 5 et #7

4.2: Fixer le dioxyde de carbone: les réactions de la phase obscure

Le cycle de Calvin Durant la phase obscure, ATP et NADPH sont utilisés pour convertir CO2 en glucose. Phase 1: CO2 + RuBP → C6 instable → 2 PGA

Voir simplification au tableau Composés (autre que le glucose) faits à partir du G3P: Amidon Cellulose Huiles végétales (ex. huile d’olive)

Les plantes C3 * Si plante utilise seulement cycle de Calvin pour fixer CO2: plante C3. Autres types de plantes: C4, CAM

Adaptations *

Le cycle de l’énergie dans la respiration aérobie et la photosynthèse * Voir fiche

À votre tour! P.171 #1, 2, 3, 6, 7, 9