La respiration chez les cellules eucaryotes

Tout organisme vivant nécessite de l'énergie rapidement utilisable pour réaliser l'ensemble des réactions chimiques nécessaires à son fonctionnement. Cette énergie rapidement mobilisable par la cellule se trouve notamment sous forme d'ATP. (Adenosine Tri-phosphate)

La respiration est une voie métabolique permettant la synthèse de cette molécule à partir d'ADP (Adenosine Di-phosphate) et de Pi (Groupement phosphate)

Comment les cellules forment-elles leur ATP ? Quelles sont les différentes étapes nécessaires?

PLan:

I) Respiration chez les cellules eucaryotes

     A) Mise en evidence

     B) La mitochondrie, organite clé de la respiration

     C) Substrat de la mitochondrie ou comprendre que l'oxydation du glcose nécessite 2 étapes

II) Les différentes étapes de l'oxydation du glucose et régénération des composés réduits

     A) La glycolyse

     B) Le cycle de Krebs

     C) Nécessité de régénérer les composés réduits par les 2 étapes précédentes: la chaîne respiratoire

III) Bilan

     A) au niveau energétique

     B) Schéma bilan

Quelques liens

I) les cellules et la respiration: VISION GLOBALE

A) mise en évidence de la respiration de différentes cellules

Activité 1, Partie 1:Toutes les cellules ont besoin d’énergie pour réaliser l'ensemble des réactions chimiques nécessaires à leur "bon" fonctionnement? Cette énergie chimique est contenu dans la molécule d'ATP déjà étudiée. On cherche à montrer que toutes les cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent.

Pour l'oral du bac, on vous propose de matériel, par exemple:

  • végétal chlorophyllien (élodée)
  • végétal non chlorophyllien (racines)
  • levures (champignon, ne possédant pas de chloroplastes)
  • glucose
  • bandelettes « test de glucose »
  • verrerie, instruments, balance, chaine ExAO...
  • informatique et d'acquisition numérique

On vous donne différentes ressources:

Équation de la respiration C6H12O6 + 6 O2 → 6CO2 + 6 H2O + Énergie

remarque: la respiration n’est pas mesurable ici sur des cellules qui photosynthétisent (car la photosynthèse prend le dessus)

Ensuite à vous de jouer pour l'étape 1:

Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème (durée maximale : 10 minutes)

Proposer une démarche d’investigation permettant de mettre en évidence que la respiration est une voie métabolique présente chez tous les eucaryotes.

Votre proposition peut s’appuyer sur un document écrit (utiliser les feuilles de brouillon mises à votre disposition) et/ou être faite à l’oral.

Proposition de réponse pour un protocole simplifiée :

  • mettre chaque type de cellule (l'une après l'autre...) dans le bioréacteur,
  • mesurer la concentration en O2 en fonction du temps grâce à la chamine d'ExAO

Faîtes un schéma pour expliquer la mise en place du protocole à l'examinateur.

On anticipe les résultats:

  • On s'attend à ce que la concentration en O2 diminue ce qui signifie que les cellules respirent.

Activité 1, Partie 1: Analyse de documents : (avec réponses rapides)

Conso o2 racine      Conso o2 feuille      Evol teneur o2 levures      Influence glucose sur intensite respi      Apparition ethanol       Cellules levures microscope

Les documents sont dans l'ordre.

1. Quelles conclusions tire-t-on des doc 1 et 2 ?

          doc 1 : il y a diminution de la concentration en O2 : les cellules végétales non photosynthétiques (racines) respirent

            doc2 : à l’obscurité : concentration en O2 diminue, à la lumière concentration en O2 augmente.

                      à l’obscurité des cellules photosynthétiques respirent (elles le font aussi à la lumière, mais la photosynthèse est plus forte donc le bilan est positif pour O2)

2. Pourquoi l’ajout de cyanure est-il important ?

             Le cyanure bloque spécifiquement la respiration : ainsi doc 1 la consommation de O2 était bien due à la respiration. En 2, on voit que la production de O2 n’est pas liée à la respiration. C'est l'inverse. La quantité de dioxygène produite augmente davantage. Donc Respiration existe en même temps que la photosynthèse

3. Quelle hypothèse peut-on faire sur la localisation de la respiration dans les cellules ?

             Le cyanure agit sur les mitochondries : ces organites doivent être impliqué dans la respiration (certaines étapes de la respiration doivent avoir lieu dans la mitochondrie)

4. Pourquoi les levures s’arrêtent très vite de respirer (doc3) ?

           Les levures s’arrêtent de respirer car il doit manquer un réactif consommé lors de la respiration. Il n’y a pas de matière organique dans le milieu (sucre)

5. Quelle manipulation proposez-vous pour vérifier cette hypothèse ?

            Il faudrait ajouter du glucose

6. Le document 4 confirme-t-il votre hypothèse ?

             L'ajout de glucose entraîne une forte diminution de la quantité de O2 ⇒ la respiration nécessite la présence de matière organique.

             Lorsque la quantité de O2 devient trop faible, la respiration s'arrête. On observe la production d'éthanol

                      3 phases sur le graphique

                                  1 : diminution de la quantité de O2 augmentation légère de CO2

                                  2 : Introduction de glucose : Grosse diminution de la quantité d'O2 ; forte augmentation du rejet de CO2.

                                 3 : plus de O2 : augmentation de la quantité de CO2, forte production d'éthanol

7. Quels autres paramètres aurait-on pu mesurer pour mettre en évidence la respiration ?

            On aurait pu suivre l’augmentation de CO2, ou la diminution du glucose

Bilan:

L'équation bilan de la respiration est donc:

C6H12O6 + 6O2  → 6CO2 + 6H2O + énergie

Le glucose, qui est de la matière organique à l’état réduit (sans faire trop de chimie, on le voit car il possède bcp de protons H, il a donc accepté bcp d'électrons ) subit lors de la respiration une oxydation par le dioxygène. Le dioxygène subit lui une réduction en H2O. (il récupère les é et les H).

La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent. A l’aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale (CO2 + H2O).

L'énergie qui apparait dans cette équation est de l'énergie chimique rapidement utilisable, donc de l'ATP. En fait, l'énergie contenue dans les liaisons entre les atomes de la molécule de glucose est convertie sous forme d'ATP, énergie chimique directement utilisable dans les réactions chimique du métabolisme.

Où la respiration a-t-elle lieu?

B) La mitochondrie: organite de la respiration

Mitochondrie microscope

1: membranes externe et interne

2 : matrice mitochondriale

3 : crête mitochondriale

4 : ribosome

La mitochondrie possède un ADN (ADN mitochondrial) qui la rend en partie autonome.

La mitochondrie semble impliquée dans la respiration (production d’ATP, de CO2). Quelles réactions permet-elle ? Quelles substances utilise-t-elle lors de sa participation à la respiration ?

C) Le substrat de la mitochondrie ou comprendre que l'oxydation du glucose nécessite 2 étapes

 Activité 2 ExAO : On s'attend à ce que les mitochondries consomment du glucose, or ce n'est pas le cas.

                                                 Parcours carbone dans cellule a partir de glucose radioactif 1G : Glucose, P : Pyruvate, Co2 : Dioxyde de carbone

Le glucose est la molécule dégradée lors de la respiration. Cela paraît logique que ce soit elle qui soit utilisée par les mitochondries. Le doc précédent montre que le glucose entre dans le cytoplasme de la cellule. Cependant, il n’entre pas dans les mitochondries. Seul le pyruvate y est présent.

Dans une activité Exao, il est donc logique de tester aussi le pyruvate.

Protocole proposé:

  • On travaille sur une suspension de mitochondries de carottes (ou de chou). On mesure la concentration en O2 dans la suspension afin d'y observer l'intensité de la respiration (O2 diminue = respiration)
  • On y injecte du glucose. On observe la concentration d'O2.
  • On y injecte du pyruvate. On observe la concentration d'O2.

On anticipe les résultats:

On peut s’attendre à ce que les mitochondries utilisent le pyruvate et donc que la concentration en O2 diminue dans l’enceinte aprs son injection.

Remarque: Manip Exao délicate puisqu'il faut préalablement isoler les mitochondries. Au lycée, cela ne fonctionne pas toujours très bien. Il faut par contre être capable d'expliquer le principe de la manip.

On obtient (si tout va bien) le résultat suivant:

                                                                           Courbe pyruvate

                                                                         Mise en évidence de la consommation de Pyruvate par les mitochondries

On constate que le glucose n’a pas d’effet sur la respiration des mitochondries. Il n’est pas utilisé par ces organites.

Par contre, lorsqu’on injecte le pyruvate, la concentration en O2 diminue fortement. Cela montre que l’intensité de la respiration augmente.

Le pyruvate est utilisé par les mitochondries. C’est le substrat utilisé lors de la respiration mitochondriale.

Une petite vidéo pour se détendre:

                                             

Comment est formé le Pyruvate ? Quel processus permet la transformation du glucose (C6H12O6) en acide pyruvique ou pyruvate ?

II) Les réactions de la respiration: Les différentes étapes (glycolyse, cycle de Krebs, Chaîne respiratoire)

A) Transformation du glucose en pyruvate. La glycolyse

On part du glucose : Formule à connaître : C6H12O6

On obtient de l'acide pyruvique (ou pyruvate) : C3H4O3

En tant que biologistes (avec quelques bases de chimie...), nous constatons qu'il y a proportionnellement moins d'Hydrogène dans le pyruvate que dans le glucose. Qui dit présence de protons dit présence d'é sinon notre molécule serait chargée. Il s'agirait alors d'un ion (cation ou anion).  Le pyruvate est donc plus oxydé que le glucose.

La transformation du glucose en pyruvate est donc une oxydation. Il nous faut donc un accepteur d'électron qui en même temps que les électrons va récupérer des protons (H+). Nous noterons cette accepteur R. Il deviendra RH2 quand il captera les é et protons du glucose.

D'autre part, la glycolyse permet la formation de 2 ATP à partir de 2(ADP+Pi)

Cela nous donne la réaction suivante: C6H12O6 + 2 R + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H4O3 + 2 RH2 + 2 ATP

En général cette équation s'écrit plutôt sous la forme:

                                                                                          Equ glyco source

Ici, les réactions d'oxydation et de réductions ont été séparées.

En effet, on ne fait pas entrer l'ADP, Pi et l'ATP dans l'équation car ils ne partagent rien avec le glucose et lu pyruvate. L'oxydation du glucose entraîne un transfert d'énergie "récupérée" par l'ATP. L'ATP va être immédiatement utilisé pour réaliser d'autres réactions dans la cellule.

Une autre version :

Glycoly copie 1 source

La glycolyse a lieu dans le cytosol aussi appelé hyaloplasme (c'est à dire le cytoplasme sans les organites). Elle ne permet la synthèse que de 2 molécules d'ATP.

Le pyruvate est une molécule organique qui contient encore beaucoup d'énergie.

Le pyruvate pénètre ensuite dans la mitochondrie (voir suivi de la radiactivité du C* tableau I.C)... Comment son énergie est-elle "récupérée", transformée pour pouvoir être utilisée par la cellule?

B) Le devenir de l'acide pyruvique: entrée dans le cycle de Krebs

 

Krebs 2015 source

Le Pyruvate entre dans le cycle de Krebs grâce à une autre molécule à laquelle il s’associe (accepteur de Pyruvate). (Rappel dans le cycle de Calvin, le RUBP acceptait le CO2).bUn certain nombre de transformations ont lieu (décarboxylation et déhydrogénation) libérant au total 6CO2.  Il s'agit une nouvelle fois d'oxydations. Ces réactions nécessitent 10 accepteurs d'électrons R' qui sont résuits en R'H2 et permettent la synthèse de 2 molécules d'ATP à partir de 2ADP+Pi

En Résumé:

Le cycle de Krebs a lieu dans la matrice grâce à un ensemble d’enzymes. Il s’y déroule notamment des décarboxylations. 2 molécules de pyruvate sont ainsi dégradées. Il en sort 6 molécules de CO2.

En comptant les carbones (6), on peut dire que la dégradation du pyruvate (et donc du glucose) est complète. (à partir de cette molécule ORGANIQUE, on n’obtient que des molécules MINERALE)

On a donc finalement:

2 C3H4O3 + 6 H2O + 10 R’ + 2ADP+ 2 Pi → 6 CO2 + 10 R’H2 + 2 ATP              

Qu'on écrit plutôt sous la forme:

Cykrebs

Nous pouvons remarquer que le cycle de Krebs n’apporte que 2 ATP... ce qui est faible au niveau énergétique. Au total, nous en sommes à 2ATP pour la glycolyse et 2 ATP pour le Cycle de Krebs... Et le glucose et totalement dégradé.

Lors de cette réaction, un composé réduit sont formés. Le R’H2 doit être régénéré (oxydé en R') afin de pouvoir de nouveau participer au cycle. c'est-à-dire éliminer les é et nécessairement les H2.

Quel est le rôle du dioxygène? Où a lieu l'oxydation de R'H2? Quel type de réaction est mis en jeu?

c) La régérération du R'H2: La chaîne respiratoire

La membrane interne des mitochondries contient un ensemble de complexe d'oxydo-réduction formant une chaîne respiratoire.

Oxydo reduction membrane interne

D'autre part, des ATP synthases sont présentes au niveau de la membrane interne.

Localisation des atp synthase

Schématisation plus complète de la régénération des R'H2 et conséquences:

Phospho ox

Dans la matrice, R'H2 est ré-oxydé:

  • Il cède ses électrons à la chaîne respiratoire. Les électrons sont transférés le long de cette chaîne pour être finalement cédés au dioxygène, qui est alors réduit en eau (H2O). (c’est pour cela que nous expirons de la vapeur d'eau visible lorsqu’il fait froid ou lorsque nous expirons sur une vitre). Nous pouvons nous demander d'où viennent les H+...
  • Il perd ses protons qui passent dans l'espace intermembranaire → acidification de l'espace intermembranaire. Les protons vont regagner la matrice en passant par les ATP synthases permettant la synthèse d'ATP à partir d'ADP + Pi.

Les électrons et les protons permettent la réduction du O2 en H2O qui sera expirée avec le CO2 produit lors du cycle de Krebs.

On a donc: Chresp 1

III) Bilan

A) Au niveau énergétique:

  • Au total, la glycolyse fournit 2 R’H2. La chaîne respiratoire ne fournit 10 soit 12 R’H2 au total. La réduction de ces 12R’H2 nécessite 6O2 et entraîne la fabrication de 32ATP
  • Du point de vue énergétique le bilan total de la dégradation d'une molécule de glucose est le suivant :

2 ATP (glycolyse) + 2 ATP (cycle de Krebs) + 32 ATP (phosphorylations oxydatives) = 36 ATP

 

Rendement de la respiration:

Une mole d'ATP correspond une énergie chimique potentielle de 30.5kJ

L'oxydation complète in vitro d’une mole de glucose libère 2 860 kJ,

Donc le rendement énergétique de la respiration est de;  (36 x 30.5)/2860 x100 = 38.4%

 

B) Schéma bilan

Schema bilan pour net   cliquez là Schema bilan respirationSchema bilan respiration

source

 

 

Quelques liens pour réviser:

Notion de couplage

Animation

Sur le mécanisme de la respiration (de l'atmosphère aux alvéoles pulmonaires 5eme)

http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0003-3

https://www.reseau-canope.fr/corpus/video/la-respiration-92.html

 

La notion officielle:

 La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits R'H2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production d'ATP qui permet les activités cellulaires.