Comment les animaux qui hibernent peuvent-ils se réveiller après un jeune aussi long ?

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 ?

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.

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

2 cas sont possibles selon qu’il y ait ou non du dioxygène dans le système.

1-Une origine cytoplasmique de l’ATP

En l’absence de dioxygène (= anaérobie), les levures cultivées dans une eau riche en glucose montrent une absence de mitochondries.

Par ailleurs, le liquide s’enrichit en alcool. (Voir TP )

TP/Montrer la consommation de glucose par des levures

Les levures survivent, mais ne se multiplient pas: elles produisent de l’énergie mais pas suffisamment.

Par conséquent, il existe une voie métabolique de production d’ATP qui ne nécessite pas de dioxygène, pas de mitochondries, et qui ne fait pas appel à la respiration: c’est la glycolyse.

La glycolyse

Lors de ce processus, la molécule de glucose est oxydée en deux molécules à trois atomes de carbone nommées pyruvate.

Cette réaction chimique permet :

• de réduire une mole porteuse de protons H+, et d’électrons: le NADH,H+

• et de recycler 2 moles d’ATP.

Elle se déroule dans le cytoplasme.

Mais puisque la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) produit de l’éthanol lorsqu’on lui injecte du glucose en l’absence d’O2, cela signifie nécessairement que le pyruvate peut devenir de l’éthanol.

C’est ce qui s’appelle la fermentation:

1 mole de Glucose (C₆H₁₂O₆)

=> 2 moles de pyruvate (CH₃-CO-COO^–)

=> 2 moles d’Acéthaldéhyde (CH₃-COH) + CO₂

=> 2 moles d’Éthanol (CH₃-CH₂-OH)/ou Acide lactique chez l’humain

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…

Bilan:

Dans le cytoplasme, se déroulent deux réactions chimiques en anaérobiose:

• la glycolyse : obtention de 2 moles de pyruvate, 2 moles d’ATP et 2 moles de NADH,H⁺

• puis la fermentation : obtention de 2 moles d’éthanol

Transition: Mais en présence de dioxygène, la fermentation n’a pas lieu.

À la place, il va se dérouler la respiration, dans la mitochondrie.

Alors comment la mitochondrie va-t-elle s’y prendre pour recycler de l’ATP à partir du pyruvate ?

Réaction globale de la respiration:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ -> 6CO₂ + 6H₂O + ÉNERGIE (=ATP)

On comprend alors que tous les protons H⁺ vont être arrachés à la molécule de glucose et avec les protons viennent les électrons e^–.

Le glucose va donc être oxydé et le dioxygène être réduit.

2-Une origine mitochondriale de l’ATP

Mise en évidence du pyruvate comme substrat et non du glucose

TP/Mettre en évidence la respiration chez une plante

On peut résumer la respiration à trois étapes:

• le cycle de Krebs:
  • oxydation du pyruvate : formation de CO₂
  • réduction de molécules de type R’H,H⁺ (NADH,H⁺ et FADH₂)

• la chaine respiratoire: transfert des protons H⁺ dans l’espace inter-membranaire
• la phosphorylation oxydative: formation d’ATP grâce à la force proto-motrice du gradient de protons H⁺

Le cycle de Krebs: une oxydation totale du pyruvate.

Les deux moles de pyruvates CH₃-CO-COO^– issues de l’oxydation d’une mole de glucose peuvent entrer dans la mitochondrie.

Dans la matrice de la mitochondrie, ces deux moles de pyruvates vont subir une oxydation: 3 moles de CO₂ vont être formées.

Les protons et les électrons libérés vont aller réduire plusieurs moles de NAD⁺ en NADH,H⁺ et de FAD⁺ en FADH₂ .

C’est ce que l’on appelle le cycle de Krebs ou de l’acide citrique car c’est cette molécule qui se forme en premier.

Ce cycle fait appel à une série d’enzymes spécifiques de chaque réaction chimique.

À la fin du cycle de Krebs, 6 moles de CO₂ sont donc produites à partir d’une mole de glucose. C’est l’origine du CO₂ que nous expirons.

Que va-t-il advenir des molécules réduites, NADH,H⁺ et FADH₂ ?

La chaine respiratoire: un transfert de protons.

Les moles de NADH,H⁺ et de FADH₂ vont alors être réduites par une série de protéines enchâssées dans la membrane interne de la mitochondrie: c’est cette série de protéines que l’on appelle la chaine respiratoire.

La conséquence du transport d’électrons par la chaine respiratoire est la formation d’un gradient inter-membranaire de protons H⁺.

Et la formation d’un gradient de protons H⁺ dans l’espace inter-membranaire de la mitochondrie est à l’origine d’une force proto-motrice: comme dans le chloroplaste!

Et à quoi va servir cette force proto-motrice ?

La phosphorylation oxydative: une machine à recycler de l’ATP

Le retour des protons H⁺ vers l’espace où ils sont le moins concentrés, la matrice mitochondriale, se fera au travers d’une protéine-turbine, l’ATP synthétase.

Son travail consiste à associer un groupement phosphate sur une molécule d’ADP pour reformer de l’ATP.

On parle aussi de phosphorylation oxydative pour décrire ce phénomène.

Bilan:

Il se forme en moyenne 36 moles d’ATP et de la chaleur.

Chaque mole d’ATP représente environ 30kJ.

La respiration permet de former environ 1100kJ par mole de glucose oxydée.

Les protons et les électrons finiront associés au dioxygène ce qui formera de l’eau.

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 dans l’eau grâce à la photosynthèse, 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 mitochondries.

Schémas à connaitre:

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QCM/ Comment les cellules de notre corps se procurent-elles de l’énergie ?

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Une sélection de Sujets de Bac à consulter:

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Sources :

• Biologie de Campbell, chapitre 9, la respiration cellulaire.
• Physiologie animale, de Schmidt-Nielsen
• Bioénergétique, l’ATP dans la cellule, de Boitard.
• Travaux pratiques de Biologie de Didier Pol.