L’organisme a des besoins pour fonctionner : Cf photosynthèse: acquisition de l’énergie et investissement dans la matière Solaire Besoins d’énergie Contenue dans les aliments Cette énergie est donc stockée dans des molécules organiques (glucides, lipides, protides) Comment l’organisme récupère-t-il l’énergie stockée dans les molécules organiques ?

En classe de première, nous avons vu que les fibres musculaires possèdent deux types de métabolisme: fibres glycolytiques (anaérobie), et fibres oxydatives (aérobie) La première étape de la dégradation est commune aux 2 types de fibres : la glycolyse (anaérobie) La deuxième étape est spécifique : - anaérobie: fermentation - aérobie: respiration

LA GLYCOLYSE (1ère étape commune à la respiration et à la fermentation)

La glycolyse est la dégradation d’une molécule de glucose (6 carbones) en 2 molécules d’acide pyruvique ( 3 carbones) et 2 molécules d’ATP. Ces réactions se déroulent dans le cytosol en conditions anaérobies. Rappel: elle est réalisée chez les autotrophes comme chez les hétérotrophes. L’exemple suivant se déroule dans une cellule animale.

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) Membrane plasmique noyau Glucose

glucose 2 ATP 1:Activation du glucose par 2 ATP 2ADP Fru-1,6bi-P 2: scission du fru1,6biP en 2 molécules à 3C (DHAP et GAP) 2 NAD+ 3: oxydation des molécules à 3C par le NAD+ (NADH,H+) et déphosphorylation des DHAP et GAP  formation d’ATP 2 NADH,H+ 2 acides pyruviques

Comment les NADH,H+ sont-ils réoxydés ? Bilan de la glycolyse 2 acides pyruviques 2 ATP 2 NADH,H+ 2ADP 2 NAD+ 2Pi glucose Comment les NADH,H+ sont-ils réoxydés ? Que devient l’acide pyruvique ?

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) noyau Membrane plasmique Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) Glucose 2 Acides pyruviques glycolyse Suite de la fermentation dans le cytosol (conditions anaérobies)

LA FERMENTATION

Il existe plusieurs types de fermentation dont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique. Le produit final de la fermentation alcoolique (réalisée chez des levures par exemple) est de l’éthanol. Cette réaction est utilisée par l’industrie agroalimentaire à des fins de production (bière par exemple). Les cellules musculaires humaines utilisent la fermentation lactique lorsque l’oxygène est rare (au tout début d’un effort physique intense). La fermentation correspond à une dégradation partielle du substrat (glucose) en absence de dioxygène. Elle se déroule entièrement dans le cytosol. L’acide pyruvique produit lors de la glycolyse (1ère étape de la fermentation) est alors réduit en lactate (acide lactique) par du NADH,H+ dans les muscles.

2 acides pyruviques 2 NADH,H+ 4 : réduction de l’acide pyruvique par le NADH,H+ (NAD+) et formation d’acide lactique. 2 NAD+ 2 acides lactiques

La fermentation lactique glucose 2 ATP 2ADP Fru-1,6bi-P 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ La fermentation lactique Couplage entre les 2 phases de la fermentation pour régénérer les accepteurs d’électrons 2 NADH,H+ 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques

Bilan simplifié de la fermentation (lactique) glucose 2 ADP+2Pi 2 acides lactiques 2 ATP la fermentation est un catabolisme faiblement énergétique : la dégradation partielle d’une molécule de glucose permet la synthèse de 2 ATP.

Comment se produit la dégradation du glucose en conditions aérobies ?

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) Membrane plasmique Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) noyau Glucose 2 Acides pyruviques Suite de la dégradation dans le cytosol en conditions anaérobies (suite de la fermentation) En conditions aérobies, suite de la dégradation dans la mitochondrie (suite de la respiration)

LA RESPIRATION CELLULAIRE

La respiration cellulaire est une dégradation totale du substrat ( glucose) en 6 CO2 et 6H2O en conditions aérobies. La première étape ( glycolyse) se déroule dans le cytosol. Les 2nde et 3ème étapes se déroulent dans la mitochondrie en présence de dioxygène et produisent au maximum 36 ATP.

La mitochondrie (vue au MET) Membrane externe Membrane interne Crêtes mitochondriales matrice hyaloplasme = cytosol

Cycle de Krebs (simplifié) acide pyruvique Cycle de Krebs (simplifié) Fixation d’un coenzyme coA, décarboxylation (libération d’un CO2), et réduction du NAD+ en NADH,H+formation d’acétyl-coA Fixation de l’acétyl-co-A sur le substrat (oxaloacétate) et libération du coenzyme A formation de citrate CoA décarboxylation Acétyl-co-A citrate CoA Réduction du NAD+ en NADH,H+,fixation du coA et réorganisation de la molécule carbonée en succinyl-coA Synthèse d’ATP et libération du coA formation de succinate Réduction du NAD+ en NADH,H+ et réorganisation de la molécule carbonée en -cétoglutarate oxaloacétate Réduction du FAD en FADH2 et formation de malate Réduction du NAD+ en NADH,H+et régénération de l’oxaloacétate (substrat du cycle) décarboxylation CG CoA malate FAD FADH2 Succinyl-coA Succinate CoA

Donc le bilan est le suivant: Lors de la glycolyse, la dégradation du glucose produit 2 molécules d’acides pyruviques… Donc le bilan est le suivant: 2 ATP 8 NADH,H+ 2 FADH2 6CO2 8 NAD+ 2ADP 2Pi 2 acides pyruviques 2 FAD

Nous avions vu que la dégradation d’une molécule de glucose en conditions aérobies produisait 36 molécules d’ATP. Or, 2 molécules ont été produites lors de la glycolyse et 2 lors de la phase suivante. Comment sont produites les autres molécules d’ATP ? De plus comment les accepteurs d’électrons sont-ils réoxydés pour être réutilisés dans le cycle de Krebs ? 3ème phase de la respiration: couplage de la chaîne de transfert d’électrons à la synthèse d’ATP au niveau des membranes internes de la mitochondrie.

Synthèse d’ATP couplée à la chaîne de transporteurs d’électrons… Les protons , les électrons récupérés de NADH,H+ réagissent alors avec la molécule d’O2 pour former de l’eau qui est ensuite libérée dans le milieu externe. Matrice mitochondriale Membrane interne Espace intermembranaire Membrane externe mitochondriale e- H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+… Chaine de transfert des électrons H+,H+ 2H+ + 1/2O2 H2O ATP synthase Le gradient de protons ainsi créé est utilisé comme source d’énergie par l’ATP synthase pour synthétiser de l’ATP à partir d’ADP +Pi. Oxydation de NADH,H+,prise en charge des électrons par la chaîne de la membrane interne de la mitochondrie et transfert des H+ dans l’espace intermembranaire.

Bilan de la respiration cellulaire glucose 2 ATP 2ADP Fru-1,6bi-P 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ Bilan de la respiration cellulaire 1: glycolyse 2: Cycle de Krebs e- 2H+, +1/2 O2 H2O H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+… H+,H+ 3: Synthèse d’ATP par phosphorylation oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale

Bilan de la respiration cellulaire 6CO2 36 ATP 6H2O glucose 36ADP +36Pi 6O2 Les accepteurs d’électrons ont été ré oxydés lors de la 3ème phase… la respiration est un catabolisme hautement énergétique : la dégradation totale d’une molécule de glucose permet la synthèse de 36 ATP.

La fermentation lactique glucose 2 ATP 2ADP Fru-1,6bi-P 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ 1: glycolyse Rappel: La fermentation lactique 2 NADH,H+ 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques 2: réoxydation des transporteurs d’électrons

36 ATP Bilan de la glycolyse (cytosol) 2ADP 2 NAD+ 2Pi glucose 2 acides pyruviques 2 ATP 2 NADH,H+ Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie) glucose 36ADP +36Pi 6O2 6CO2 36 ATP 6H2O Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol) glucose 2 ADP+2Pi 2 acides lactiques 2 ATP

Synthèse de 2 molécules d’ATP lors de la glycolyse, la 2ème phase de la fermentation permet uniquement de réoxyder les accepteurs d’électrons. Les 2ème et 3ème phases de la respiration cellulaire permettent de réoxyder les accepteurs d’électrons et de synthétiser 36 molécules d’ATP supplémentaires en conditions aérobies!!! Remarque : 2 molécules d’ATP sont consommées pour le transfert des molécules du cytosol vers la mitochondrie…

Comment l’ATP est-il régénéré durant l’activité musculaire ? L’ATP est la seule source d’énergie directement utilisable pour la contraction musculaire. Or, les stocks d’ATP ne peuvent assurer qu’une contraction de 4 à 6 secondes. Il doit donc être régénéré . Comment l’ATP est-il régénéré durant l’activité musculaire ? Suite Module M3

Phosphorylation directe (couplée à la créatine phosphate) Cette voie de régénération de l’ATP permet de fournir l’énergie nécessaire à un effort musculaire de 10 secondes environ . Créatine-phosphate: molécule à haute énergie emmagasinée dans les muscles. Réaction réversible lors d’une production trop importante d’ATP ( stockage d’énergie sous forme de créatine-P) Cette voie s’active en présence ou en absence de O2 mais n’utilise pas de O2 d’où voie anaérobie. Durée de la réserve d’énergie : 30 à 60 s. Problèmes: rendement faible (2ATP/molécule de glucose) et accumulation d’acide lactique à l’origine de fatigue musculaire. Fermentation lactique (voie anaérobie) Lors d’une activité physique légère et prolongée; permet de réaliser un exercice durant plusieurs heures. Rendement énergétique important (36 ATP /molécule de glucose) mais besoin de O2.Peut utiliser également acides gras et acides aminés comme source d’ATP au lieu d’acide pyruvique. Déchets: H2O et CO2. Respiration cellulaire (voie aérobie)

Systèmes énergétiques mis en jeu pendant les activités sportives… Énergie nécessaire pour exercices intenses mais brefs (haltérophilie, sprint, plongeon…) provient uniquement des réserves d’ATP et de la créatine phosphate. Exercices avec efforts intermittents (football, tennis, nage 100m…) alimentés presque exclusivement par voie anaérobie. Exercices d’endurances (marathon, course à pied: voie aérobie). En réalité, voies aérobie et anaérobie intimement liées, voie anaérobie intervient surtout au début d’un effort physique pendant que créatine-P s’épuise et que voie aérobie se met en place. Mais voie anaérobie peut compléter voie aérobie si elle ne suffit plus (effort très intense et très long).

AU TRAVAIL !!!!

Doc.1

Doc.2 1: 2: 3:

Doc.3 4 :

Doc.4 glucose Fru-1,6bi-P 2 ATP 2ADP 2 NAD+ 2 NADH,H+ 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ Doc.4 2 NADH,H+ 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques

Doc.5

Doc.6

H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+… Doc.7

Bilan de la respiration cellulaire glucose 2 ATP 2ADP Fru-1,6bi-P 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ Bilan de la respiration cellulaire 1: 2: Doc.8 e- 2H+, +1/2 O2 H2O H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+… H+,H+ 3: par phosphorylation oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale

Doc.9 36 ATP Bilan de la glycolyse (cytosol) 2ADP 2 NAD+ 2Pi glucose 2 acides pyruviques 2 ATP 2 NADH,H+ Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie) glucose 36ADP +36Pi 6O2 6CO2 36 ATP 6H2O Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol) glucose 2 ADP+2Pi 2 acides lactiques 2 ATP