2.2 – Respiration aérobie SBI 4U Dominic Décoeur

Respiration cellulaire La respiration cellulaire aérobie (en présence d’oxygène) produit 36 molécules d’ATP pour 1a molécule de glucose ce qui équivaut à 40 % de l’énergie emmagasiner dans le glucose. Le reste de l’énergie est perdu sous la forme de chaleur. Le but de la respiration cellulaire est d’extraire l’énergie des molécules complexes comme le glucose, et la convertir en ATP. L’ATP est l’intermédiaire énergétique qui fait le travail de la cellule.

Respiration cellulaire La respiration cellulaire aérobie se fait en 4 étapes : Glycolyse Réaction transitoire Cycle de Krebs Chaîne de transfert d’électron

Respiration cellulaire Introduction à la respiration cellulaire http://rea.decclic.qc.ca/dec_virtuel/biologie/101-NYA-05/Cellule_et_evolution/1.La_Cellule/Etapes_respiration_cellulaire/glintro.htm

Glycolyse Caractéristiques : Dégradation du glucose : catabolique Sans la présence de l’oxygène : anaérobie Se passe dans le cytoplasme : à l’extérieur de la mitochondrie Nécessite : 11 enzymes différentes Comprend deux phases : endothermique et exothermique Le réactif de départ : le glucose (6C) Produits : 2 acides pyruviques + 2 ATP + 2 NADH

La phosphorylation au niveau du substrat Le substrat donne un groupement phosphate à l’ADP, ce qui produit l’ATP. La réaction inverse, la déphosphorylation, peut produire de l’ADP.

Glycolyse I Pour déclencher la dégradation du glucose, on utilise 1 ATP et le P s’attache au glucose : glucose + 1 ATP → phosphate de glucose ( 6C – P ) Réarrangement du phosphate de glucose en phosphate de fructose : glucose – 6 – phosphate → fructose – 6 – phosphate À l’aide d’un ATP, le phosphate de fructose produit du diphosphate de fructose (endo) : phosphate de fructose + 1 ATP → P – 6C – P (diphosphate de fructose) Le diphosphate de fructose est séparé en 2 molécules de phosphate de glycéraldehyde (PGAL) : 2 x PGAL 3C – P

La glycolyse I comporte la formation de deux molécules de PGAL

Glycolyse II Par la suite, il y a une série de réactions d’oxydoréduction (NAD+ → NADH) et de phosphorylation (ajout de P) qui amène la formation de 4 ATP + 2 H2O + 2 acides pyruviques (pyruvates). Le NADH est produit grâce aux réactions d’oxydoréduction. L’ATP est produite grâce aux réactions de phosphorylation. Bilan : 2 ATP 2 NADH 2 pyruvates

Animation de la glycolyse http://www.biomultimedia.net/archiv/glycolys/glyanim.htm http://www.tfo.org/education/enseignants/toutes_les_ressources/horairescolaire/index.cfm#aSE0000002600~

Devoirs p. 68 (#2, 3, 4, 5, 7, 8)

La structure d’une mitochondrie

Réaction transitoire Caractéristiques : Bilan : C’est le début du processus aérobie. Elle se produit dans la matrice de la mitochondrie. Cette réaction sert de lien entre la glycolyse dans le cytoplasme et le cycle de Krebs dans la mitochondrie. L’acétyl-CoA provient aussi du catabolisme des protéines et lipides. Il peut, par anabolisme, reformer des lipides pour entreposer l’énergie. Bilan : 2 NADH

Lors de la réaction de transition, les acides pyruviques entrent dans la mitochondrie par une protéine et subissent 3 transformations : 1) Avant que le cycle de Krebs puisse commencer, un groupe carboxyle (COOH) est enlevé du pyruvate et est relâché dans le cytoplasme sous forme de CO2. 2) La molécule à 2 carbones qui reste forme l’acétate après la réduction du NAD+ en NADH. 3) La coenzyme A est attaché à l’acétate pour produire de l’acétyl-CoA.

Acétyl-CoA + oxaloacétate (4C) citrate (6C) + CoA Cycle de Krebs Caractéristiques : Dans la mitochondrie. C’est un processus cyclique qui produit 1 ATP + 3 NADH + 1 FADH2 pour chaque acétyl-CoA. Le cycle comporte 9 réactions. La première réaction du cycle de Krebs : Acétyl-CoA + oxaloacétate (4C) citrate (6C) + CoA La coenzyme A est ensuite libérée et retourne à la réaction transitoire (dans la matrice) afin de participer à une autre réaction.

Cycle de Krebs Par la suite, il y a une série de réactions (phosphorylation, hydrolyse et oxydoréduction) au bout desquelles on produit du CO2 + 1 ATP + 3 NADH + 1 FADH2 et on reforme l’oxaloacétate qui peut recommencer le cycle. Bilan : 2 x (1 ATP + 3 NADH + 1 FADH2)

Le cycle de Krebs est une suite cyclique de 8 réactions 1 : citrate (C6) 2 : isocitrate (C6) 3 : α-cétoglutarate (C5) 4 : succinyl-coenzyme A (C4) 5 : succinate (C4) 6 : fumarate (C4) 7 : malate (C4) 8: oxaloacétate (C4)

Animation du cycle de Krebs http://www.tfo.org/education/enseignants/toutes_les_ressources/horairescolaire/index.cfm#aSE0000002600~ http://highered.mcgraw-hill.com/classware/ala.do?isbn=0072956208&alaid=ala_900841&showSelfStudyTree=true

Quiz Apprendre les noms et les endroits des molécules impliquées dans les différentes réactions http://stl_bjb.ac-dijon.fr/bioch.htm Apprendre le nom des 9 molécules impliquées http://stl_bjb.ac-dijon.fr/bioch/bkrebsexo1.htm

Bilan des 3 premières étapes ATP NADH FADH2 Glycolyse 2 Réaction transitoire Cycle de Krebs 6 Total 4 10

Chaîne de transfert d’électron Caractéristiques : Dans les crêtes de la double membrane de la mitochondrie. Chaque NADH produit 3 ATP. Chaque FADH2 produit 2 ATP. Il est donc moins énergétique que le NADH. Le NADH de la glycolyse ne produit que 2 ATP. La production d’ATP s’appelle phosphorylation oxydative.

Chaîne de transfert d’électron La glycolyse et le cycle de Krebs ont produit que 4 ATP par la phosphorylation au niveau du substrat. La majeure partie de l'énergie extraite des molécules de nourriture est entreposée dans les molécules de NADH et FADH2 et se fait relâcher par une chaîne de transport d'électrons pour faire la phosphorylation oxydative.

Phosphorylation oxydative La phosphorylation oxydative produit la majeure partie de l'ATP dans le processus de la respiration cellulaire. Lors de ce processus le NADH + H+ et le FADH2 donnent leurs électrons à une série de transporteurs d'électrons situés dans la membrane interne de la mitochondrie.

La chimiosmose : le couplage du transport d'électrons à la synthèse d'ATP Il y a dans la membrane interne de mitochondries plusieurs copies de l'enzyme l'ATP synthétase. Cette enzyme utilise l'énergie d'un gradient de proton pour faire la synthèse d'ATP. La chaîne de transport d'électrons pompe des H + (protons) de la matrice vers l'espace intermembranaire. Les H+ retournent à la matrice en passant par l'ATP synthétase. Par ce mécanisme nommé la chimiosmose, le passage exothermique des protons est couplé avec la phosphorylation de l'ATP.

Chaîne de transfert d’électron C’est la différence de concentration de H+, qui est plus élevé dans l’espace intermembranaire que dans la matrice, et de charge dû au H+ qui amène l’énergie nécessaire pour former l’ATP. NADH et FADH2 : amènent les électrons qui seront transférés. Les électrons aspirent des H+, ce qui augmente la concentration et permet de synthétiser l’ATP grâce au canal du complexe ATP synthétase. Les électrons à la fin de la chaîne sont acceptés par l’oxygène qui formera une molécule d’H2O.

Chaîne de transfert d’électron À trois points le long de la chaîne de transport d'électrons, les protéines de la chaîne pompent des protons vers l'espace intermembranaire. Cette force pousse les H+ à travers l'ATP synthétase, ce qui synthétise l'ATP.

Chaîne de transfert d’électron Fig. 9.15 NADH NAD+ H+ H+ H+ H+

Chaîne de transfert d’électron Fig. 9.15 H+ NAD+ NADH H+ H+ H+

Chaîne de transfert d’électron Fig. 9.15 H+ H+ NAD+ NADH H+ H+

Chaîne de transfert d’électron Fig. 9.15 H+ H+ H+ 2 H+ + ½ O2 H20 NAD+ NADH H+ chaîne de transport d’é chimiosmose

Chaîne de transfert d’électron 2 H+ + ½ O2 H20 NAD+ NADH ATP ADP + P H+

Animations La chaine respiratoire http://www.biologieenflash.net/sommaire.html http://www.tfo.org/education/enseignants/toutes_les_ressources/horairescolaire/index.cfm#aSE0000002600~

Animations La chaîne respiratoire http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/etc/movie.htm http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/atpgradient/movie.htm http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter9/animations.html#

FIGURE 3.12 (p. 76)

Bilan global Étape Molécule impliquée Nombre d’ATP Glycolyse I 2 NADH 4 Glycolyse II 2 ATP 2 Cycle de Krebs 8 NADH 24 2 FADH2

Résumé Les étapes de la glycolyse et du cycle de Krebs sont des étapes cataboliques. Donc, à ces étapes, le glucose sera dégradé. La glycolyse se fait dans le cytoplasme et le cycle de Krebs se fait dans la matrice de la mitochondrie. Quelques molécules d’ATP sont produites directement lors de certaines réactions spécifiques de la glycolyse et du cycle de Krebs. Ces ATP sont produit par le processus de phosphorylation au niveau du substrat. Ici, une enzyme transfère une groupement phosphate d’un substrat directement à l’ADP afin de produire l’ATP.

Résumé Durant la glycolyse et le cycle de Krebs, il y a réduction du NAD+ pour produire le NADH. Ces molécules réduites passeront à l’étape de la chaîne de transport d’électrons où les électrons seront éventuellement transférés à l’oxygène pour produire de l’eau. L’énergie relâchée à chaque étape de la chaîne est utilisée pour la synthèse de l’ATP. Les ATP produit via la chaîne de transport d’électrons sont produit par le processus de phosphorylation oxydative, c’est-à-dire, par le transfert exothermique d’électrons des nutriments à l’oxygène.

Quiz La respiration cellulaire http://membres.lycos.fr/ajdesor/CAHIER.htm Allez à la section de Biologie et cliquer sur le titre « Respiration Cellulaire ».