La respiration cellulaire Thème 2.8 La respiration cellulaire Idée Essentielle: la respiration cellulaire fournit de l’énergie pour les fonctions de la vie.

Nature de la science L’évaluation de l’éthique de la recherche scientifique : l’utilisation d’invertébrés pour réaliser des expériences avec un spiromètre a des implications d’ordre éthique. (4.5) Notions-Clés 2.8 N1 La respiration cellulaire est la libération contrôlée d’énergie provenant de composes organiques pour produire de l’ATP. Les details des voies metaboliques de la respiration cellulaire ne sont pas requis mais il faut connaitre les substrats et les dechets finals 2.8 N2 L’ATP découlant de la respiration cellulaire est immédiatement disponible en tant que source d’énergie dans la cellule. 2.8 N3 La respiration cellulaire anaérobie produit un petit rendement d’ATP a partir du glucose. 2.8 N4 La respiration cellulaire aérobie nécessite de l’oxygène et produit un grand rendement d’ATP a partir du glucose

Nature de la science L’évaluation de l’éthique de la recherche scientifique : l’utilisation d’invertébrés pour réaliser des expériences avec un spiromètre a des implications d’ordre éthique. (4.5) Compétences et Applications 2.8 A1 L’utilisation de la respiration cellulaire anaérobie dans les levures pour produire de l’éthanol et du dioxyde de carbone dans la cuisson. 2.8 A2 la production de lactate chez les êtres humains quand on utilise la respiration anaérobie pour maximiser le pouvoir des contractions musculaires. 2.8 C1 l’analyse des résultats d’expériences impliquant la mesure des taux de respiration dans des graines en germination ou chez des invertébrés en utilisant un spiromètre. On peut utiliser de nombreux spiromètres simples. Les élèves doivent savoir que l’on utilise un alcali pour absorber le CO2, et que, par conséquent, les réductions du volume sont dues a l’utilisation de l’oxygène. La température doit être gardée constante afin d’éviter les changements de volume découlant des fluctuations de la température.

Photosynthèse et respiration Autotrophes : Hétérotrophes : Photosynthèse et respiration. Fabriquent leur propre matière organique. Respiration ou fermentation. Transforment la matière organique végétale en matière organique animale.

Équation générale ADP + Pi ATP C6H12O6 + 6O2 --------------------- 6CO2 + 6H2O + énergie Glucose + Oxygène Gaz carbonique + Eau

La respiration libère de l'énergie. D'où vient cette énergie? 2.8.N1 La respiration cellulaire est la libération contrôlée d’énergie provenant de composes organiques pour produire de l’ATP 1 glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Énergie La respiration libère de l'énergie. D'où vient cette énergie? Des électrons Plus un électron est sur une orbitale élevée, plus il contient d’énergie. Il faut fournir de l’énergie à un électron pour qu’il passe d’une orbitale basse à une orbitale élevée. Inversement, un électron qui passe d’une orbitale élevée à une plus basse libère de l’énergie

Respiration du glucose: 1 glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Énergie La respiration libère de l'énergie. D'où vient cette énergie? Des électrons Lorsqu'un électron situé à un niveau élevé passe à un niveau plus bas, il perd de l'énergie. Au cours de la respiration, les électrons du glucose perdent de l'énergie.

Dans la respiration, l'énergie est libérée par étapes (et non d'un seul coup). Les électrons riches en énergie (niveau élevé) du glucose sont transférés à d'autres molécules: les transporteurs. À chaque transfert, l'électron perd de l'énergie.

Hydrogène "arraché" au glucose Électrons "arrachés" à l'hydrogène Formation d'eau Électron capturé par l'oxygène Électron transféré à un transporteur Etc. Électron transféré à un autre transporteur

L'énergie dégagée à chaque transfert est convertie en ATP L'ATP formé est libéré dans la cellule

La respiration se divise en quatre grandes phases: La glycolyse La réaction de transition Le cycle de Kreb La chaîne de transport d'électrons (ou chaîne respiratoire ou phosphorylation oxydative) Glycolyse , réaction de transition et cycle de Kreb: "déshabillage" de la molécule de glucose et extraction des électrons riches en énergie. Chaîne de transport des électrons: Utilisation de l'énergie des électrons pour former de l'ATP.

2 La glycolyse Se produit dans le cytoplasme 1 glucose (C6) 2 pyruvates (C3) 2 ATP produits (NET) 4 H (et leurs électrons) "arrachés" au glucose 2 ADP + 2P 2 ATP 2 pyruvate 4 H C3H4O3 glucose C6H12O6

Le NAD+ est un transporteur d'électrons riches en énergie. NAD+ = nicotinamide adénine dinucléotide Chaque NAD+ capte 2 électrons N.B. 2H = 1H + 1 H+ + 1 électron Substrat-H2 + NAD+ Substrat + NADH + H+

La glycolyse 4 ATP produits (2 pour chacun des 2 PGAL produits) 2 ATP consommés Le glucose (C6) est brisé en 2 molécules à 3C (PGAL) 2 H+ et 2 électrons arrachés Le PGAL est transformé en pyruvate (C3)

http://www.youtube.com/watch?v=0WX8X3qoaOU

Bilan Bilan de la glycolyse 1 Glucose (C6) 2 Pyruvates (C3) Vers la réaction de transition 2 ATP (net) 2 H2O 2 NADH + H+ À être utilisé dans la chaine de transport

Réaction de transition (Décarboxylation oxydative) Raccourcir le Pyruvate (C3 ) en acétyl-CoA un (C2 ), donc il y a production de 2 CO2 Le NAD+ supprime 2 électrons afin d’oxyder le pyruvate Demande de l’ O2 et se produit aussi longtemps que les niveaux d’O2 sont disponibles Se passe dans le cytoplasme, la membrane externe, l’espace intermembranaire, la membrane interne et la matrice de la mitochondrie (partout !!!) Produit 2 NADH+ + H+ Acétyl-CoA est une co-enzyme qui contient un groupement fonctionnel à base de souffre électro-négatif

Bilan Bilan de la réaction de transition 2 Pyruvates (C3) 2 Acétyl - CoA) Vers cycle de Krebs 0 ATP 2 CO2 2 NADH + H+ À être utilisé dans la chaine de transport Bilan de la glycolyse et de la réaction de transition (cumulatif) 1 Glucose (C6) 2 Acétyl - CoA) Vers cycle de Krebs 2 ATP (net) 2 CO2 2 H2O 4 NADH + H+ À être utilisé dans la chaine de transport

Le cycle de Kreb (ou cycle de l'acide citrique) Sir Hans Kreb (1900-1981) Prix Nobel 1953 pour la découverte dans les années 30 du cycle qui porte son nom. Le pyruvate contient encore de nombreux électrons riches en énergie. Ils sont extraits dans cette phase. Les enzymes du cycle de Krebs terminent l’oxydation des pyruvates. Le pyruvate entre dans les mitochondries. Le cycle de Kreb se déroule dans les mitochondries (matrice).

Cycle de Krebs

Le glucose a complètement été démoli en CO2 et H Bilan à la fin du cycle de Kreb Le glucose a complètement été démoli en CO2 et H Seulement 4 ATP net ont été produits pour chaque glucose (2 dans la glycolyse et 2 dans le cycle de Kreb). L’énergie du glucose est contenue dans les électrons des hydrogènes transportés par le NADH et le FADH; ces électrons sont encore à des niveaux énergétiques élevés.

Bilan du Cycle de Krebs C’est un cycle qui commence avec de l’oxaloacétate (C 4) et se termine avec de l’oxaloacétate (C4 ) Voie métabolique qui oxyde l’Acétyl-CoA en CO2 + H2O pour former l’ATP 9 réactions au total Enzyme enlève le groupement acétyl de Acétyl-CoA Combine avec une mole oxaloacétate à 4 C pour faire un citrate à 6 C Une fois le groupement acétyl enlevé, la coenzyme est libérée Demande de l’ O2 Se passe dans la matrice 1 Pyruvate 2 Pyruvates ATP 1 2 CO2 4 NADH 3 6 FADH2

Bilan Bilan du Cycle de Krebs 2 Acétyl CoA (C2) 2 FADH2 À être utilisé dans la chaine de transport 2 ATP -2 H2O 4 CO2 6 NADH+ + H+ Bilan des trois premières étapes (cumulatif) 1 Glucose (C6) 2 FADH2 À être utilisé dans la chaine de transport 4 ATP (net) 6 CO2 0 H2O 10 NADH+ + H+

La chaîne de transport d'électrons Se déroule sur la membrane interne des mitochondries. Transporteurs d’électrons, pompes à protons et enzymes synthétisant de l’ATP (ATPsynthétases) NADH FADH2 Les électrons riches en énergie provenant du glucose (transportés par les NADH et FADH2) sont transférés à des transporteurs d'électrons situés sur la membrane interne. Les plis de la membrane interne (crêtes) permettent d’en accroître la surface.

Le NADH (ou le FADH2) cède ses électrons riches en énergie à un transporteur d'électrons de la membrane interne de la mitochondrie. L'oxygène accepte les électrons à la fin de la chaîne et se combine aux 2 H+ pour former de l'eau. Les électrons passent d'un transporteur à l'autre. À chaque transfert, ils perdent de l'énergie.

Chaîne de transport d'électrons dans la membrane interne de la mitochondrie Les électrons riches en énergie sont transférés du NADH ou du FADH2 à des transporteurs d'électrons de la membrane interne de la mitochondrie. À chaque transfert, l'électron perd de l'énergie. À la fin de la chaîne, l'électron qui a perdu beaucoup d'énergie peut être accepté par l'oxygène. Les électrons perdent de l'énergie à chaque transfert.

L'énergie provenant des électrons transférés sert à "pomper" des ions H+ dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie (entre la membrane externe et l'interne)

Formation d'un gradient électrochimique Accumulation d'ions H+ dans l'espace intermembranaire Gradient de concentration : l'espace intermembranaire devient plus concentré en ions H+ (plus acide). Gradient électrique : un côté de la membrane devient positif (accumulation d'ions +) et l'autre, négatif (déficit en ions + par rapport aux ions -).

Gradient électrochimique ==> les ions H+ ont tendance à diffuser vers la matrice (= force protomotrice). Ils le font en passant par des ATP synthétases.

Chimiosmose La force protomotrice (ions H+ qui diffusent à travers l'ATP synthétase) permet la formation d'ATP à partir d'ADP et P. Matrice Espace intermembranaire

Bilan de la chimie osmose ou chaine de transport 2.8.N4 La respiration cellulaire aérobie nécessite de l’oxygène et produit un grand rendement d’ATP a partir du glucose Bilan de la chimie osmose ou chaine de transport 2 NADH+ + H+ 4 ATP Provenant de la glycolyse 6 ATP Provenant de la réaction de transition 6 NADH+ + H+ 18 ATP Provenant du cycle de Krebs 2 FADH2 Total 32 ATP Bilan de la respiration cellulaire (cumulatif) 1 Glucose (C6) 36 ATP (net) 6 CO2 H2O Note: Les électrons du NADH dans le cytoplasme peuvent produire seulement 2 ATP car ils doivent traverser la membrane externe de la mitochondrie. (Glycolyse) Les électrons du NADH (R. de transition et Cycle de Krebs ) sont déjà dans la matrice donc peuvent produire 3 ATP.

Bilan de la respiration : Théoriquement, chaque mole de glucose - rendement d’environ 40% (40% de l’énergie du glucose convertie en ATP et 60% en chaleur) En pratique, la cellule parvient à tirer environ une trentaine d’ATP par molécule de glucose.

3.2 Les voies métaboliques alternatives

Lipides Protéines Glucose Glycolyse PGA Pyruvate Acétyl-CoA Glycérol + Acides gras Glycérol PGA Acides gras Pyruvate Acétyl-CoA Acide Citrique Cétoglutarate Succinate Oxaloacétate

Chez beaucoup de procaryotes, une structure semblable à l’ATPsynthétase sert à faire tourner un long fouet appelé "flagelle" permettant à la cellule de se déplacer.

La Fermentation Fermentation = Respiration Cellulaire Anaérobie 2.8.N3 La respiration cellulaire anaérobie produit un petit rendement d’ATP à partir du glucose La Fermentation Fermentation = Respiration Cellulaire Anaérobie La fermentation est un processus d’utilisation du glucose pour l’obtention d’ATP sans la présence d’oxygène ou lorsque l’oxygène vient à manquer. C’est une voie métabolique qui sert aussi au recyclage du NAD+. Réactions se produisent à l’extérieur de la Mitochondrie

Fermentation Production d'énergie sans utilisation d'oxygène Produit beaucoup moins d'énergie : 2 ATP par molécule de glucose contre 36 pour la respiration Plusieurs types : fermentation alcoolique, fermentation lactique, etc.

Un organisme pourrait-il fonctionner en ne faisant que de la glycolyse? La cellule finirait par manquer de NAD+

La Fermentation des Cellules Végétales Le glucose passera par tout le processus normal de la glycolyse. Les molécules de pyruvates seront ensuite transformées en CO2 et en molécules de transition : les acétaldéhydes. Ces acétaldéhydes deviendront ensuite de l’éthanol ou aussi dits acides éthyliques. Les dernières réactions serviront à redonner des molécules de NAD+ à partir des NADH produits en glycolyse. On dit dont que la fermentation est un processus de reformation des NAD+ permettant ainsi de continuer la glycolyse.

Fermentation alcoolique La transformation du pyruvate en acétaldéhyde puis en alcool permet de redonner du NAD+ à partir du NADH

La Fermentation des Cellules Animales Le glucose passera par tout le processus normal de la glycolyse. Les molécules de pyruvates seront ensuite transformées en lactate ou aussi dits acides lactiques. Là encore, les dernières réactions serviront à redonner des molécules de NAD+ à partir des NADH produits en glycolyse.

Fermentation lactique Les muscles font de la fermentation lactique s'il n'y a pas assez d'oxygène. Le lactate produit peut être converti dans le foie en pyruvate qui peut ensuite être respiré. Le NAD+ est recyclé par la transformation du pyruvate en lactate (acide lactique)

Bibliographie / Remerciement Gilles Bourbonnais Cégep de Sainte-Foy Damon, Alan, et al. Higher Level Biology. London, England. Pearson Education Limited. 2007. 710 pages. ANONYME. Biology. Australia. IBID Press. 2008 Allot, Andrew. Biology for the IB diploma – Standard and higher level. New York. IB Study Guides. Oxford University Press. 2007. WALPOLE, Brenda et al.  Biology for the IB Diploma. New York, Cambridge University Press, 2011, 602pages.   REECE, Jane. et al. Biologie 4e édition, ERPI, 2012, 1458 pages