La respiration cellulaire Mitochondries et production d’ATP Chapitre 9

Collège Lionel-Groulx Plan du cours Introduction au métabolisme La mitochondrie Réactions d’oxydoréduction Respiration cellulaire aérobie Fermentation Polyvalence du métabolisme Régulation de la respiration Collège Lionel-Groulx

Métabolisme = anabolisme et catabolisme Les molécules emmagasinent de l’énergie au sein de leurs liaisons. L’ensemble des réactions de synthèse des molécules se nomme anabolisme. Le catabolisme est l’ensemble des réactions de dégradation permettant d’aller puiser l’énergie contenue dans ces réserves. Énergie libérée permet : Accomplir un travail cellulaire Dissipée sous forme de chaleur Collège Lionel-Groulx

Métabolisme cellulaire Chaque étape est catalysée par une enzyme La respiration cellulaire est au cœur du métabolisme ! Collège Lionel-Groulx

Respiration cellulaire Comment est produite l’ATP ? En dégradant des molécules organiques Réaction de phosphorylation 2 possibilités: Avec O2 Sans O2 Une cellule musculaire régénère l’ATP à raison de 10 millions de molécules/seconde ! Collège Lionel-Groulx

Respiration cellulaire Respiration cellulaire aérobie (O2) : Principal carburant = glucose Glycolyse Oxydation du pyruvate Cycle de l’acide citrique Phosphorylation oxydative Voies anaérobies (≠ O2) : Respiration cellulaire anaérobie Fermentation alcoolique Fermentation lactique C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O + énergie Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Oxydoréduction Transfert d’électrons : Réactions d’oxydation : Perte d’électrons au profit d’un agent oxydant Réactions de réduction : Gain d’électrons aux dépends d’un agent réducteur Figure 9.3 Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Oxydation du glucose L’oxydation doit être faite par petites étapes, de façon contrôlée. L’énergie libérée permet la synthèse d’ATP. Figure 8.8 Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Mitochondries L’enveloppe est formée de deux membranes et deux espaces : Membranes interne (repliée) et externe (lisse) Espace intermembranaire et matrice Figure 6.17 Collège Lionel-Groulx

La respiration cellulaire 4 étapes : Le glucose entre d’abord dans la cellule via des perméases situées sur la membrane plasmique. Cytoplasme 3 4 1 2 Animation 3D résumant les 4 étapes Figure 9.6 Collège Lionel-Groulx

Deux façons de fabriquer des ATP La phosphorylation au niveau du substrat Le groupement PO4- est transféré d’une molécule à une autre L’énergie utilisée est de l’énergie chimique issue de l’instabilité de la liaison covalente Collège Lionel-Groulx

Deux façons de fabriquer des ATP La phosphorylation oxydative Le groupement PO4- utilisé était libre dans la cellule L’énergie utilisée est de l’énergie potentielle issue d’un gradient électrochimique (H+) Travail de l’enzyme ATP synthase Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Étape 1 – La glycolyse Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Étape 1 – La glycolyse Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx La glycolyse Formation d’ATP: Phosphorylation au niveau du substrat Formation de NADH + H+ : Des déshydrogénases oxydent le substrat (perte d’électrons) et réduisent le NAD+ (qui devient NADH + H+ ) Le NADH + H+ est un transporteur d’électrons riches en énergie potentielle Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Réduction du NAD+ Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Quelles molécules obtenons-nous après le passage de 5 molécules de glucose dans la glycolyse? Exercice Collège Lionel-Groulx

Étape 2 – Oxydation du pyruvate NADH + H+ Collège Lionel-Groulx

Oxydation du pyruvate Bilan: Carboxyle = peu d’énergie donc on évacue en CO2 Bilan: On doit le faire 2 fois, car 1 glucose génère 2 pyruvates 1 acétyl-CoA 1 NADH + H+ 1 CO2 Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Quelles molécules obtenons-nous pendant l’oxydation du pyruvate si 4 molécules de glucose ont été consommées? Exercice Collège Lionel-Groulx

Étape 3 – Cycle de l’acide citrique NADH + H+ Collège Lionel-Groulx

Étape 3 – Cycle de l’acide citrique Bilan: 2 CO2 1 ATP 3 NADH+H+ 1 FADH2 2 fois pour un glucose ! Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Quelles molécules obtenons-nous pendant le cycle de l’acide citrique si 3 molécules de glucose ont été consommées? Exercice Collège Lionel-Groulx

Étape 4 La phosphorylation oxydative NADH + H+ Collège Lionel-Groulx

Étape 4a Chaîne de transport d’électrons Formés pendant la glycolyse, l’oxydation du pyruvate et le cycle de l’acide citrique Collège Lionel-Groulx

Étape 4 (a et b) Chaîne de transport d’électrons Les NADH+H+ et FADH2 amassés se dirigent vers la chaîne de transport d’électrons. NADH+H+ cède ses électrons au début de la chaîne. Le FADH2 les cède plus loin. La chaîne de transport des électrons génère le gradient de H+. Chimiosmose = utilisation d’un gradient électrochimique comme source d’énergie. Les électrons du NADH + H+ ont un meilleur rendement énergétique 1 NADH+H+  2,5 ATP 1 FADH2  1,5 ATP Collège Lionel-Groulx

Étape 4 La phosphorylation oxydative é é é L’O2 est l’accepteur final d’é H+ H+ H+ H+ Collège Lionel-Groulx

Étape 4b - La chimiosmose C’est l’ATP synthase qui convertit l’ADP + Pi  ATP. 90% de la production totale d’ATP par la cellule. Alimentée par la force protonmotrice des H+ : Diffusent selon leur gradient électrochimique. Phénomène = chimiosmose Collège Lionel-Groulx

Bilan final pour 1 mole de glucose Glycolyse : 2 moles d’ATP Cycle de l’acide citrique complet : Phosphorylation oxydative : 26 ou 28 moles d’ATP La respiration cellulaire génère au total 30 ou 32 moles d’ATP par glucose Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Bilan final : 30 ou 32 ATP ? 5 ATP 3 ATP Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Quelles molécules obtenons-nous pendant la phosphorylation oxydative si 4 glucose ont été consommés? Exercice Collège Lionel-Groulx

Voie anaérobique : Fermentation La fermentation alcoolique La fermentation lactique

Comment la cellule fait-elle son choix? Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Fermentation Glycolyse seulement : Ne nécessite pas l’utilisation d’O2 PAS de chaîne de transport d’électrons Solution de rechange pour les électrons du NADH + H+: on les envoie sur le pyruvate Se passe entièrement dans le cytoplasme 2 types : Fermentation alcoolique: produit de l’éthanol Fermentation lactique : produit de l’acide lactique (ou lactate) La fermentation génère seulement 2 ATP par glucose! Collège Lionel-Groulx

Fermentation alcoolique Glucose  2 pyruvate  2 acétaldéhhyde  2 éthanol Production : 2 ATP 2 NADH+2H+ Retournent sous forme NAD+ Conversion acétaldéhyde  éthanol Figure 9.17 2 ADP + 2 P 2 ATP glucose glycolyse 2 pyruvate 2 NAD+ 2 NADH+H+ 2 CO2 2 éthanol 2 acétaldéhyde Collège Lionel-Groulx

Fermentation lactique Glucose  2 pyruvate  2 lactate Production : 2 ATP 2 NADH+2H+ Retournent sous forme NAD+ Conversion pyruvate  lactate Figure 9.17 2 ADP + 2 P 2 ATP glucose glycolyse 2 NAD+ 2 NADH+H+ 2 pyruvate 2 lactate Collège Lionel-Groulx

Polyvalence du catabolisme Il n’y a pas que le glucose dans la vie! Plusieurs nutriments peuvent être utilisés … mais entrent à des endroits différents dans le cycle : Glucides Lipides Protéines Collège Lionel-Groulx Fig. 9.19

La -oxydation des acides gras Pour un acide gras de 2n carbones: Perte de 1 ATP (activation) Production de: n acétyl-CoA n – 1 NADH + H+ n – 1 FADH2 Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le catabolisme d’une molécule de graisse, possédant 3 acides gras d’une longueur de 10 carbones chacun, donne combien d’ATP? Pensez aussi au glycérol! Exercice Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx La complexe réalité Collège Lionel-Groulx

Régulation de la respiration Pour éviter les surplus et les carences en ATP. Homéostasie par un mécanisme de rétro-inhibition. La phosphofructokinase est activée par l’AMP (un dérivé de l’ADP) et inhibée par le citrate et l’ATP. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx En résumé… L’oxydation du glucose et des autres sources d’énergie se fait dans la mitochondrie (sauf la glycolyse). L’O2 est l’accepteur final d’électron de la respiration cellulaire aérobie. Le CO2 est produit en retirant les atomes de carbone des molécules utilisées. Une minorité de l’ATP est produite par phosphorylation au niveau du substrat (glycolyse et cycle de l’acide citrique). Une majorité de l’ATP est produite par phosphorylation oxydative (utilisation du gradient de H+ comme source d’énergie, = chimiosmose). La vitesse de réaction est contrôlée par rétroinhibition grâce à l’effet qu’on respectivement l’AMP, l’ATP et l’acide citrique sur l’enzyme phosphofructokinase (PFK). Collège Lionel-Groulx