Chapitre 4: Origine de l’ATP nécessaire au fonctionnement cellulaire.

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Bac Général Spé SVT 2022 – Métropole Sujet 1

Notions fondamentales : Respiration cellulaire, glycolyse, cycle de Krebs, ATP, réactions d’oxydo-réduction, fermentation, rendement, produits dopants.

Notre corps utilise 50kg d’ATP par jour et pourtant nous n’en avons que quelques grammes en stock : comment notre corps fait-il pour recycler tout l’ATP nécessaire au fonctionnement de nos cellules ?

Voir introduction: Notion d’énergie:

Un muscle est doué de propriétés contractiles, c’est-à-dire qu’il a une capacité intrinsèque de mouvement et comme nous l’apprennent les physiciens, tout mouvement nécessite, pour pouvoir se réaliser, la consommation d’une énergie. Une voiture consomme des hydrocarbures. Et nos muscles, quelle énergie consomment-t-ils ? Presque la même, mais pas exactement la même dans le sens où ce sont des molécules hydrogénocarbonées comportant aussi de l’oxygène dont la formule générale est C₆H₁₂0₆, autrement dit du glucose. Le glucose est notre carburant.

D’où vient le glucose dont nos cellules ont besoin ?

1-La digestion, une nécessité!

De la digestion de nos aliments comme le pain, les pâtes, le riz, les fruits et les légumes se fait dans notre tube digestif. Tous ces aliments possèdent des polymères de glucose que nos enzymes digestives s’emploient à réduire en leur plus simple expression afin que les monomères (ou nutriments) puissent traverser la paroi de notre tube digestif.  C’est le cas du glucose. Il fera une petite halte par le foie avant d’être libéré à la demande dans la circulation sanguine. Les cellules, en général et les musculaires en particulier, pourront se servir dans la circulation sanguine selon les besoins.

Comment la cellule musculaire va-t-elle convertir l’énergie chimique du glucose en ATP ?

2-La respiration cellulaire conduit au recyclage de l’ATP

On peut résumer ce mécanisme à trois étapes: la glycolyse, le cycle de Krebs, et la phosphorylation oxydative.

a-La glycolyse:

Tout d’abord, la molécule de glucose est scindée en deux molécules à trois atomes de carbone nommées pyruvate. Cela se passe dans le cytoplasme: c’est la glycolyse. Cette action permet de recycler une molécule porteuse de protons H+, le NADH,H+ qui va alimenter un gradient inter-membranaire de protons ainsi que de recycler 2 moles d’ATP.

b-Le cycle de Krebs ou de l’acide citrique:

Puis les deux pyruvates entrent dans la mitochondrie. Dans la matrice, ces deux molécules vont subir une oxydation complète à l’origine de la réduction de plusieurs moles de NAD+ en NADH,H+. C’est ce que l’on appelle le cycle de Krebs ou de l’acide citrique. Les moles de NADH,H+ vont alimenter le gradient inter-membranaire de protons. A la fin, le glucose de départ, une molécule réduite à 6 atomes de carbone, devient 6 molécules à un atome de carbone, le CO2, une molécule oxydée qui regagne le sang.

c-La phosphorylation oxydative:

Cette oxydation aboutit à la création d’un gradient de protons H+ dans l’espace inter-membranaire de la mitochondrie à l’origine d’une force proto-motrice. Le retour des protons vers l’espace où ils sont le moins concentrés, la matrice mitochondriale, se fera au travers d’une protéine-turbine, l’ATP synthétase, dont le travail consiste à associer un groupement phosphate sur une molécule d’ADP pour reformer de l’ATP. On parle aussi de chaine respiratoire pour décrire ce phénomène.

Bilan: Il se forme en moyenne 36 moles d’ATP. Chaque mole d’ATP représente environ 30kJ. La respiration permet de former environ 1100kJ par mole de glucose oxydé. Les protons et les électrons finiront associés au dioxygène ce qui formera de l’eau.

3-L’absence de dioxygène conduit à la fermentation

Le dioxygène étant l’accepteur final des protons et électrons issus de l’oxydation du glucose, en son absence, le processus complexe de la respiration ne peut avoir lieu. Du coup, il n’y a pas besoin de mitochondrie, tout se passe dans le cytoplasme. Par conséquent il existe une autre voie métabolique de production d’ATP qui ne nécessité pas de dioxygène et donc pas de mitochondrie. Mais ce processus est pauvre en ATP, seulement deux moles produites et produit un déchet organique : l’éthanol. C’est ainsi que la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) produit le vin et la bière. Chez les humains, c’est de l’acide lactique qui s’accumule au lieu de l’éthanol: c’est la causes des crampes du sportif qui est à bout de souffle…

Conclusion: pour se fournir en énergie, les bactéries ont probablement d’abord inventé la fermentation dans le cytoplasme. En effet, au débuts de la vie sur terre, il n’y avait pas de dioxygène (Voir cours d’enseignement scientifique) puis, lorsque le dioxygène est apparu, des bactéries associées les unes aux autres ont mis a profit le pouvoir oxydant du dioxygène pour oxyder totalement la molécule de glucose et ainsi en extraire totalement l’énergie. La respiration était née, avec le succès qu’on lui connait aujourd’hui puisque presque tous les êtres vivants de la planète possèdent des mitochondrie.

Sources : Biologie de Campbell, chapitre 9, la respiration cellulaire.

Travaux Pratiques:

• réaliser des expérimentations assistées par ordinateur (ExAO) de respiration cellulaire et de fermentation
• Observer des électronographies de mitochondries à légender et à interpréter
• comparer l’ATP recyclé dans le cas de la respiration et dans le cas de la fermentation

TP Métabolisme du glucose par une suspension de levures