Les phénomènes responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique au niveau de la cellule

Introduction

Les cellules vivantes ont besoin d’énergie pour assurer leurs activités. Les nutriments organiques contiennent de l’énergie chimique potentielle. Leur dégradation, plus ou moins complète, par les cellules libère l’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP.

• Quelles sont les réactions responsables de la conversion de l’énergie potentielle contenue dans les métabolites en énergie utilisable par les cellules ?
  

I – Les voies métaboliques responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique.

1 – Mise en évidence de ces voies métaboliques.

Données expérimentales : on prépare deux solutions de levures (Saccharomyces cerevisiae : champignon unicellulaire) . Une solution bien oxygénée (milieu aérobie), et l’autre solution sans oxygène (milieu anaérobie). À la fin de l’expérience, on mesure les concentrations d’O₂, CO₂, glucose… dans ces milieux.
Le tableau suivant montre les résultats obtenus à la fin de l’expérience.

Q-1 – Décrivez les résultats obtenus dans chaque milieu.
Q-2 – Déterminez la voie métabolique utilisée par la levure dans chaque milieu, et donnez la réaction générale de chaque voie.
Q-3 – proposez une hypothèse pour expliquer la différence entre la quantité de levure produite dans les deux milieux.

R-1 – Dans le milieu aérobie : on constate la consommation de toute la quantité initiale (150 g) du glucose avec une forte libération de H₂O et CO₂, et la production d’une quantité importante de levure (1,97 g).

Dans le milieu anaérobie : on constate la consommation d’une partie de la quantité initiale du glucose (45 g de 150 g), avec la libération d’alcool et d’une faible quantité de CO₂, et la production d’une quantité faible de levure (0,255 g).

R-2- Dans le milieu aérobie, la levure consomme le glucose (matière organique) en présence d’O2 et libère du CO₂ et H₂O. Donc, la voie métabolique utilisée dans ce cas est la respiration cellulaire. C₆H₁₂O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.

Dans le milieu anaérobie, la levure consomme le glucose en absence d’O₂ et libère de l’alcool (éthanol). Donc, la voie métabolique utilisée est la fermentation alcoolique. C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH₂OH + 2CO₂.

R-3 – Hypothèses :

• Peut-être que la plus grande quantité du glucose utilisé dans le milieu aérobie a fourni plus d’énergie pour la multiplication des cellules de levures, et donc production d’une plus grande quantité de levures.
  
• Peut-être que la respiration libère plus d’énergie (de chaque molécule de glucose) que la fermentation. C’est-à-dire que le rendement énergétique de la respiration est plus fort que la fermentation.
  

2 – Compartiments cellulaires responsables de la respiration et la fermentation.

La figure suivante montre l’observation microscopique de la cellule de la levure en milieu anaérobie A, et en milieu aérobie B.



Q – Que peut-on déduire de la comparaison entre les deux cellules (A) et (B) ?

R – Comparaison : les deux cellules présentent un noyau et des vacuoles. Mais, on constate

que les mitochondries ne sont présentes que dans la cellule mise en aérobie.

Conclusion : les mitochondries sont les organites cellulaires responsables de la respiration, alors que la fermentation se fait seulement dans le cytoplasme (hyaloplasme).

Bilan : la respiration et la fermentation sont les deux voies métaboliques responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique.

II – La glycolyse : étape commune entre la respiration et la fermentation

1 – Destinée du glucose dans la cellule

Données expérimentales : des cellules de levure sont cultivées dans un milieu aérobie (respiration) contenant du glucose (G) radioactif marqué au ₁₄C. Des prélèvements effectués aux temps t₀, t₁, t₂, t₃ et t₄ permettent de noter l’apparition de nouvelles substances radioactives : le pyruvate (P), les acides du cycle de Krebs (K) et CO₂. Les résultats obtenus sont représentés dans le tableau suivant :

Q-1 – Déterminez les étapes de transformation du G dans la cellule durant la respiration.

Q-2 – Réalisez un dessin schématique illustrant ces étapes.

La même expérience réalisée en milieu anaérobie donne les résultats suivants :

• Présence de G et P, mais absence des mitochondries et K.
  
• Production d’éthanol.
  

Q-3 – Déterminez la voie utilisée par les cellules dans cette deuxième expérience, le compartiment cellulaire où elle se fait, et ses étapes.

R-1 –

• À t₀ le glucose se situe dans le milieu extracellulaire, puis il entre progressivement dans la cellule (hyaloplasme), où il se transforme en acide pyruvique.
  
• À t₂ l’acide pyruvique entre dans la matrice mitochondriale où il est transformé en acides du cycle de Krebs et en CO₂.
  
• Enfin, le CO₂ est libéré à l’extérieur de la cellule.
  

R-2-

R-3 – la voie métabolique est la fermentation, elle se déroule uniquement dans l’hyaloplasme, et se fait en deux étapes : la glycolyse puis la fermentation.

2 – la glycolyse

La figure suivante présente les étapes de la glycolyse.

Q-1 – Décrivez les étapes de la glycolyse.
Q-2 – Déterminez le bilan énergétique (en ATP) de la glycolyse.

R-1 – La glycolyse se déroule selon les étapes suivantes :

• Formation du fructose diphosphate avec consommation d’énergie : le glucose fixe un groupement phosphate issu de l’hydrolyse d’une molécule d’ATP et devient glucose phosphate. Ce dernier fixe lui aussi un groupement phosphate issu de l’hydrolyse d’une molécule d’ATP et se transforme en fructose diphosphate.
  
• Formation de l’acide glycérique diphosphate : la molécule du fructose diphosphate se scinde en deux molécules d’un sucre en C₃ appelé glycéraldéhyde phosphate. Chaque molécule de ce sucre fixe un groupement phosphate et subit une oxydation, elle libère des e- et de H⁺ que sont fixés par une molécule de NAD⁺, celle-ci est réduite en NADH, H⁺. À la suite de ces réactions, le glycéraldéhyde phosphate se transforme en acide glycérique diphosphate.
  
• Formation de l’acide pyruvique avec synthèse de l’ATP : chaque molécule d’acide glycérique diphosphate cède ses deux groupements phosphates à deux molécules d’ADP. Il en résulte la synthèse de quatre molécules d’ATP et la transformation de l’acide glycérique diphosphate en acide pyruvique.
  

R-2 – durant les étapes de la glycolyse, 2 ATP sont consommées au début et 4 sont produites à la fin, donc le bilan énergétique en ATP est 4 - 2 = 2 ATP.

Remarque : la glycolyse produit aussi 2 NADH, H⁺ (molécule riche en énergie).

Bilan : La glycolyse est la première étape de la respiration et de la fermentation. La réaction générale de la glycolyse peut être écrite comme suivant :

III – Destinée de l’acide pyruvique durant la respiration cellulaire

1 – Rôle de la mitochondrie

Données expérimentales : les manipulations suivantes sont réalisées par EXAO, sur des mitochondries isolées de cellules animales.
On place une suspension de mitochondries dans une solution nutritive riche en O₂. On ajoute à la solution du glucose au temps t₁, de l’acide pyruvique au temps t₂ et l’ADP + Pi au temps t₃. La figure () présente les résultats obtenus.

Q – Décrivez les résultats présentés par la figure et déterminez le rôle de la mitochondrie.

R –

• Du temps 0 à t₂, les concentrations d’O₂ et d’ATP sont restées constantes, les mitochondries ne consomment pas O₂ et ne produisent pas l’ATP malgré la présence du glucose. Donc, les mitochondries n’utilisent pas le glucose directement comme métabolite énergétique.
  
• L’ajout de l’acide pyruvique au temps t₂ a provoqué la diminution (consommation) de la concentration d’O₂ et l’augmentation (synthèse) du taux d’ATP. Donc, les mitochondries utilisent l’acide pyruvique comme métabolite énergétique.
  
• L’ajout de l’ADP + Pi au temps t₃ a causé l’élévation du taux de consommation d’O₂ et aussi de la synthèse d’ATP. Donc, le métabolisme énergétique des mitochondries est stimulé en présence d’ADP + Pi (concentration élevée).
  

Conclusion : Donc les mitochondries consomment l’O₂ et l’acide pyruvique (produit par la glycolyse du glucose au niveau de l’hyaloplasme) et synthétisent l’ATP.

2 – Structure de la mitochondrie

Données expérimentales : la figure montre une observation microscopique accompagnée d’un schéma simplifié de la mitochondrie.

Le tableau présente les constituants des différents éléments d’une mitochondrie.

Q – Décrivez l’ultrastructure de la mitochondrie.

R – La mitochondrie est un organite délimité par deux membranes : externe et interne. La membrane interne présente des replis appelés crêtes, et elle limite la matrice à l’intérieur. Entre les deux membranes se trouve l’espace inter-membranaire.
La matrice se caractérise par l’abondance d’enzymes responsable de la déshydrogénation de la décarboxylation.
La membrane interne se caractérise par sa richesse en enzymes (catalysent des réactions d’oxydoréduction) et porte des sphères pédonculées tournées vers la matrice.

3 – Dégradation de l’acide pyruvique dans la matrice

La figure suivante représente les étapes de la dégradation de l’acide pyruvique (pyruvate) au niveau de la matrice mitochondriale.

Q – Décrivez les étapes de la dégradation du pyruvate.

R – La dégradation de l’acide pyruvique dans la matrice se fait en deux étapes que sont la formation de l'acétyl coenzyme A et le cycle de Krebs.
Formation de l'acétyl coenzyme (A) : l’acide pyruvique subit une décarboxylation (enlèvement de CO₂) et une déshydrogénation (enlèvement de H⁺) dont le résultat est un groupement acétyle CH₃CO qui se fixe sur un composé appelé coenzyme (A) pour donner l'acétyl coenzyme (A), cette étape est accompagnée par la formation d’un NADH, H⁺.

Cycle de Krebs : l’acétyle se lie à une molécule en C₄ (oxaloacétate) pour former une molécule en C₆ (acide citrique). Ce dernier est dégradé progressivement par des réactions de décarboxylation et de déshydrogénation. Chaque cycle de Krebs est accompagné par l’enlèvement de 2 CO₂, la formation de 3 NADH,H⁺ et 1 FADH₂, et la synthèse d’une molécule d’ATP.

Bilan : La réaction générale de la dégradation de l’acide pyruvique dans la mitochondrie peut être écrite comme suivant :

4 – La chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative

a – Données expérimentales

Pour mettre en évidence le rôle de la chaîne respiratoire dans la respiration cellulaire et les conditions de formation d’ATP, on propose les données suivantes :
Donnée 1 : Une solution enrichie en mitochondries est contenue dans un milieu confiné dépourvu d’O₂ et riche en coenzymes réduits TH₂ (T= NAD⁺ ou FAD).
En injectant une solution de O₂ (pulses), on étudie son influence sur la concentration des protons dans le milieu extérieur.
Le montage expérimental et les résultats obtenus sont présentés par la fig suivante.

Q-1 – Décrivez et expliquez ces résultats.

Donnée 2 : On traite des mitochondries aux ultrasons, ce qui induit la fragmentation de leurs membranes internes. Des vésicules de 100 nm de diamètre se forment (fig), ces vésicules contiennent des sphères pédonculées en contact avec le milieu extérieur qui contient O₂, l’ADP + Pi. On fait varier le pH du milieu extérieur (pHe) des vésicules mitochondriales et on mesure la quantité d’ATP synthétisé. Les résultats sont représentés par le tableau suivant.

Remarque : si on met des vésicules en présence de protéase (enzyme catalysant l’hydrolyse de protéines), les sphères se séparent des pédoncules qui restent attachés à la membrane interne. On constate alors que, placées dans les mêmes conditions que dans la 3ᵉ expérience, les vésicules portant les pédoncules uniquement sont incapables de phosphoryler l’ADP en ATP.

Q-2 – En vous basant sur ces résultats expérimentaux, déterminez les conditions de synthèse d’ATP.

R-1-

• Description des données :
  
  
• Avant l’injection d’O₂, on observe que la concentration de H⁺ dans le milieu extérieur est nulle.
  
• Juste après l’injection d’O₂, on observe une augmentation rapide suivie d’une diminution lente de la concentration de H⁺.
  
• Explication : En présence d’O₂, la respiration est activée. Les coenzymes réduits (NADH, H⁺) sont oxydés (NADH, H⁺ → NAD⁺ + 2e- + 2H⁺), et les protons H⁺ libérés sont transférés de la matrice à l’espace inter-membranaire, puis vers le milieu extérieur. Ce qui explique la forte augmentation de la concentration en H⁺. Dans un second temps, les protons retournent progressivement dans la matrice.
  

R-2 – les conditions permettant la synthèse d’ATP sont :

• La présence d’ADP et de Pi.
  
• Un pH extra-vésiculaire plus important que le pH de l’intérieur des vésicules (pH_i < pH_e). Or le pH dépend de la concentration de protons du milieu (plus la concentration de protons est faible, plus le pH est élevé). Dans notre cas, [H⁺]_i > [H⁺]_e. Il y aura donc une tendance des protons à sortir des vésicules.
  
• La présence des sphères pédonculées.
  

b – Bilan :

La figure suivante montre un schéma synthétique du fonctionnement de la chaîne préparatoire et de la phosphorylation oxydative.

R-

• Les coenzymes réduits NADH, H⁺, FADH₂ (formés au cours de la glycolyse et la dégradation du pyruvate dans la matrice) subissent la réoxydation selon la réaction suivante : TH₂ → T + 2e- + 2H⁺.
  
• Les e- cédés par cette réoxydation sont transportés par les transporteurs membranaires de la chaîne respiratoire (suite à une succession de réaction d’oxydoréduction) jusqu’au dernier accepteur qui est O₂. Ce dernier est réduit selon la réaction 1/2 O₂ + 2e- + 2H⁺ → H₂O.
  
• Au cours du transport des e-. par la chaîne respiratoire, certains complexes enzymatiques de cette chaîne utilisent l’énergie libérée par les e-. pour pomper des H⁺ de la matrice vers l’espace inter-membranaire, pour former le gradient H⁺.
  
• Finalement, les protons passent de l’espace inter-membranaire vers la matrice à travers les sphères pédonculées, ces dernières utilisent l’énergie du flux des H⁺ pour la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP et Pi, selon la réaction suivante : ADP + Pi + énergie → ATP.
  

5 – Le bilan énergétique de la respiration cellulaire

Q – Sachant que l’oxydation d’une molécule de NADH, H⁺ permet la synthèse de 3 ATP, et l’oxydation d’une molécule de FADH₂ permet la synthèse de 2 ATP. Calculez le bilan énergétique de la respiration.

R-

Remarque : On accepte aussi que le bilan énergétique de la respiration soit égal à 36 ATP.

IV – Destinée de l’acide pyruvique durant la fermentation

La fermentation est caractérisée par la dégradation partielle de la matière organique en absence d’O2.

1 – Fermentation alcoolique

L’acide pyruvique issu de la glycolyse subit une décarboxylation, et il est réduit en éthanol avec régénération du NAD⁺. L’équation bilan de la fermentation est :

2 – Fermentation lactique

Certaines cellules, comme les bactéries lactiques et les cellules musculaires, sont capables de réaliser la fermentation lactique. Dans ce cas, l’acide pyruvique est directement réduit en l’acide lactique (sans décarboxylation) avec régénération du NAD⁺. L’équation bilan de la fermentation est :

V – Comparaison entre le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation

1 – Données expérimentales

Les études calorimétriques ont permis de calculer l’énergie emmagasinée dans une mole de glucose (2840 kJ), et l’énergie extraite durant la respiration et la fermentation lactique. Les réactions suivantes résument les résultats obtenus.

• C₆H₁₂O₆ + O_{6 →} 6CO2 + 6H₂O + 2840 KJ
  
• C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CHOH-COOH + 168 KJ
  

Q-1 – Comparez l’énergie extraite du glucose durant chaque voie métabolique, puis expliquez la différence constatée.
Q-2 – Calculez le rendement énergétique en ATP pour chaque voie.

• R=(énergie transformée en ATP/énergie contenue dans une mole de glucose)*100.
  

R-1-

• Comparaison : Durant la respiration, toute l’énergie emmagasinée dans le glucose (2840) est extraite. Alors que durant la fermentation, seulement 168 KJ est extraite.
  
• Explication : La respiration conduit à une dégradation complète du glucose (les produits : H₂O et CO₂ → 0 KJ), donc un dégagement complet de l’énergie qu’il emmagasine. Par contre, la fermentation conduit à une dégradation partielle du glucose, donc libération partielle de l’énergie (la plupart de l’énergie reste emmagasinée dans le composé produit par la fermentation).
  

R-2 – calcule du rendement :

• Pour la respiration : 40.81 %.
  
• Pour la fermentation : 2.15 %.
  

2 – Conclusion