Assistance scolaire personnalisée

un partenariat rue des écoles Maif
Jeudi 23 octobre 2014. Bonjour S'inscrire gratuitement       > Se connecter
icone FicheFiche
ExercicesExercices
Icône de rechercheRechercher

La respiration cellulaire

Les cellules de l'organisme ont besoin, par exemple pour renouveler leurs constituants ou fabriquer des substances, de nutriments (glucose, acides aminés, acides gras, etc.) qui constituent la matière première, et d'énergie chimique. On appelle métabolisme l'ensemble des réactions chimiques cellulaires qui mettent en jeu des nutriments. Ces réactions nécessitent la présence d'enzymes, qui jouent le rôle de biocatalyseurs, c'est-à-dire qu'elles accélèrent les réactions chimiques, et parfois de coenzymes, des assistants des enzymes, chargés par exemple de transporter des composés libérés par les réactions chimiques vers un autre compartiment cellulaire. Plusieurs compartiments cellulaires participent à la fabrication d'énergie.
1. Quelles sont les caractéristiques générales du métabolisme cellulaire ?
• Le métabolisme cellulaire peut être séparé en deux classes de réactions biochimiques complémentaires :
  • les réactions de synthèse, dites anaboliques, qui constituent l'anabolisme ; ces réactions ont absolument besoin d'énergie pour se produire, ont dit qu'elles sont endergoniques ;
  • les réactions de dégradation, dites cataboliques, qui constituent le catabolisme. La destruction des molécules libère de l'énergie, qui est alors disponible pour les réactions anaboliques. On dit que les réactions cataboliques sont exergoniques.
• L'ATP (adénosine triphosphate) est la molécule utilisée comme carburant par nos cellules pour toutes les réactions chimiques qui nécessitent de l'énergie. Il n'existe aucun stock réel d'ATP dans l'organisme, c'est pourquoi la moindre consommation d'ATP doit être compensée par une production équivalente, de façon à ce que sa concentration soit la plus stable possible.
• La cellule dégrade préférentiellement des molécules de glucose pour fabriquer de l'ATP, car c'est un nutriment rapidement disponible, et qui a un bon rendement énergétique.
• La réaction de combustion du glucose est la suivante:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP + chaleur
Glucose
• Parmi les molécules-clés de la production d'ATP, on retrouve des coenzymes tels que le NAD (nicotinamide dinucléotide) et le FAD (flavine adénine dinucléotide) : ce sont des transporteurs de protons et d'électrons, ils peuvent se trouver dans la cellule sous une forme oxydée (NAD+ et FAD), ou sous une forme réduite, avec l'apport de deux électrons et de deux protons (NADH, H+ et FADH2).
Exercice n°1Exercice n°2
2. En quoi consiste la première étape, cytoplasmique, de la combustion du glucose ?
• On appelle glycolyse la première étape de la combustion complète du glucose, qui consiste en la transformation de chaque molécule de glucose (à 6 atomes de carbone) en deux molécules d'acide pyruvique (ou pyruvate), à 3 atomes de carbone, qui pourront être pris en charge et dégradés à leur tour lors d'une seconde étape (voir plus loin). Littéralement, la molécule de glucose est « cassée en deux », ce qui produit un peu d'énergie. La glycolyse désigne en fait une succession de réactions enzymatiques :
  • le glucose est phosphorylé (on lui ajoute un groupement phosphate) en glucose-6-phosphate, ce qui consomme une molécule d'ATP, puis transformé en fructose-6-phosphate ;
  • le fructose-6-phosphate est phosphorylé à son tour, pour donner du fructose-1,6-diphosphate ;
  • le fructose-1,6-diphosphate, à 6 atomes de carbone, va être « cassé » en deux molécules à 3 atomes de carbone, nommées 3-phosphoglycéraldéhyde (3-PGA) ;
  • le 3-PGA subit ensuite plusieurs transformations qui vont aboutir à une molécule-clé de la combustion du glucose, l'acide pyruvique ou pyruvate. Cette étape est marquée également par la réduction de coenzymes et la production d'ATP.
• Bilan : 1 glucose produit 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH, H+ + 2H2O
• Cette étape cytoplasmique du catabolisme du glucose ne nécessite pas d'apport en dioxygène, elle peut donc se dérouler dans toutes les cellules, quelle que soit leur activité, pourvu que l'apport en glucose soit suffisant.
Exercice n°3Exercice n°4
3. En quoi consiste la seconde étape, mitochondriale, de la combustion du glucose ?
• La mitochondrie est un organite présent dans le cytoplasme de quasiment toutes les cellules du corps. En forme de bâtonnet, elle est remplie d'un liquide, la matrice mitochondriale (1), et enveloppée par une double membrane, la membrane mitochondriale externe (2) et la membrane mitochondriale interne (3), qui délimitent l'espace intermembranaire (4). Chaque mitochondrie possède son propre matériel génétique, indépendant de celui de la cellule qui l'héberge, de sorte qu'elle peut assurer sa reproduction en fonction des besoins de la cellule.
La membrane interne se replie de nombreuses fois à l'intérieur de la matrice pour former des structures très particulière, les crêtes mitochondriales (5). Celles-ci possèdent des enzymes responsables de la fabrication d'ATP, les ATPases (ou sphères pédonculées) (6), et une chaîne respiratoire constituée d'une succession de transporteurs d'électrons (voir plus loin).
La mitochondrie
• Deux étapes se déroulent dans la matrice mitochondriale :
  • La décarboxylation du pyruvate (perte d'un atome de carbone par libération d'une molécule de CO2), et son association avec une autre molécule, le coenzyme A, pour donner naissance à de l'acétyl-coenzyme A. Cette étape est très importante, et constitue une charnière des voies métaboliques de la cellule, car le catabolisme des acides gras permet également de produire de l'acétyl-coenzyme A pour produire de l'ATP.
  • Le cycle de Krebs : au cours de cette étape, les atomes de carbone des molécules d'acétyl-coenzyme A vont être progressivement éliminés sous forme de CO2, mais peu d'énergie est encore produite, par contre des coenzymes sont réduits.
• Bilan :
1 pyruvate produit 3CO2 + 1 GTP (équivalent à l'ATP) + 4 NADH, H+ + 1 FADH2
Coenzymes réduits Coenzyme réduit
• Les coenzymes réduits se déplacent ensuite jusqu'à la chaîne respiratoire, qui va réduire le NADH, H+ et le FADH2, et envoyer dans l'espace intermembranaire les protons libérés. Les électrons libérés vont réduire des molécules de dioxygène et les transformer en molécules d'eau :
[EMBED soffice.StarMathDocument.6] O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O
• Les protons se sont concentrés dans l'espace intermembranaire, ils ont créé un gradient (une différence de concentration) entre celui-ci et la matrice mitochondriale. L'enzyme va profiter du retour de chacun de ces protons dans la matrice par son canal central pour associer de l'ADP et une molécule de phosphate, et fabriquer ainsi une molécule d'ATP.
• Bilan énergétique de l'oxydation des coenzymes :
1 NADH, H+ permet la fabrication de 3 ATP, contre 2 ATP pour FADH2
• Le bilan global de la combustion du glucose est donc le suivant :
− glycolyse :
2 ATP + 6 ATP (3 x 2 NADH, H+) = 8 ATP
− cycle de Krebs :
2 pyruvate : 2 GTP + 24 ATP (2 x 4 NADH, H+ x 3) + 4 ATP (2 x 1 FADH2) = 30 ATP
• La combustion d'une molécule de glucose produit 36 molécules d'ATP et de la chaleur.
• La chaleur produite sert au maintien de la température corporelle, l'excès est évacué à l'extérieur par les liquides excrétés, ou dissipé au niveau de la peau et des muqueuses.
Remarques
• L'organisme est également capable de produire de l'ATP à partir des acides aminés et des acides gras. Ces derniers sont intéressants : le catabolisme de l'acide palmitique produit 130 ATP.
• Dans les hématies et les cellules musculaires, en absence de dioxygène, la combustion complète du glucose n'est pas possible, il va donc être transformé en acide lactique, ce qui est peu rentable au niveau énergétique : 2 ATP produits au lieu de 36 pour une molécule de glucose. C'est la fermentation lactique ou respiration anaérobie (en absence d'oxygène). De plus, l'accumulation d'acide lactique, lors d'un effort musculaire par exemple, provoque l'apparition de crampes.
Exercice n°5Exercice n°6Exercice n°7
4. Quelle est la structure de l'ATP ? Quels sont ses rôles ?
• L'ATP, ou Adénosine TriPhosphate, est un nucléotide, c'est-à-dire l'unité de structure de l'ADN. Elle est composée d'une base azotée, l'adénine, et d'un ose (ribose) sur lequel sont accrochés trois groupements phosphate (acide phosphorique).
• Comme les autres nucléotides (GTP, CTP, TTP, UTP), c'est une molécule dont les liaisons entre les groupements phosphate sont riches en énergie : la cassure d'une de ces liaisons est exergonique.
• La liaison entre les deux derniers phosphate est la plus riche en énergie, la réaction ATP → ADP + Pi catalysée par l'ATPase libère en effet 30 kJ.
• Dans la cellule, l'ATP joue quatre rôles principaux :
  • permettre à la pompe Na-K de maintenir constamment le déséquilibre des concentrations intra et extracellulaires en ions Na+ et K+ (plus de Na+ hors de la cellule, plus de K+ dans la cellule), ce qui revient à maintenir le potentiel de repos ;
  • fournir l'énergie nécessaire à toutes les réactions de synthèse (réactions endergoniques) ;
  • permettre aux cellules musculaires de se contracter (poste qui consomme le plus d'énergie dans la cellule), en faisant glisser les filaments d'actine ;
  • permettre le transport vers l'intérieur (concentration) ou l'extérieur (sécrétion) de la cellule de substances, dans le sens inverse de la diffusion : c'est le transport actif.
Exercice n°8
À retenir
• Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques de la cellule, il est composé du catabolisme (dégradations) et de l'anabolisme (synthèses).
• La glycolyse est la transformation du glucose en deux molécules d'acide pyruvique, elle se déroule dans le cytoplasme.
• L'acide pyruvique est transformé en acétylcoenzyme A, qui sera totalement dégradé dans la matrice de la mitochondrie.
• La chaîne respiratoire oxyde les coenzymes réduits au cours des réactions précédentes, et permet à l'ATPase de produire de l'ATP, au niveau des crêtes mitochondriales.
• Le bilan global de la combustion d'une molécule de glucose est la production de 36 molécules d'ATP et de chaleur.
• L'ATP est une molécule énergétique car la cassure de la liaison entre les deux derniers phosphate libère beaucoup d'énergie : 30 kJ.
© rue des écoles. Tous droits réservés.
Partager
Partager sur Tweeter