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1 CHAP A : évolution climatique et atmosphérique récentes Analyse des glaces polaires : le delta 18O des glaces Un delta 18 oxygène des glaces faible est synonyme de glaciation Depuis ans plusieurs glaciations ont eu lieu avec périodicité Analyse de tourbe : les grains de pollens La composition de l atmosphère a bien changé depuis ans... 7 Chapitre B : le système climatique terrestre et l effet de serre au lieu de - 18 C : l effet de serre, on lui dit merci Modélisation des changements climatiques & rétroactions L importance de l albédo L importance de la couverture nuageuse L importance la pompe physique océanique L importance de la pompe biologique océanique Chapitre C : variations climatiques et atmosphériques depuis la formation de la Terre A la recherche d indices dans les roches Des indices climatiques Des indices de la composition atmosphérique Des coups de chauds et des coups de froids L. Guérin Page 1 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

2 Chapitre D : photosynthèse La photosynthèse permet la conversion d une énergie lumineuse en énergie chimique Première phase de la photosynthèse : la phase photochimique Les pigments photosynthétiques Production de RH2 et ATP Seconde phase de la photosynthèse : la phase chimique Chapitre E : respiration et fermentation, même combat : produire de l ATP L ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire Description de l ATP Toutes les activités cellulaires consomment de l ATP Contraction musculaire et ATP Le sarcomère, unité fondamentale du muscle La rigidité cadavérique expliquée Production de l ATP dans la cellule : respiration & fermentation Bilan de la respiration cellulaire : 36 molécules d ATP à partir d 1 glucose Crêtes mitochondriales = usine de production de l ATP Cycle de Krebs = usine de production de composés réduits R H Glycolyse = usine de production du pyruvate à partir du glucose Bilan de la fermentation : 2 molécules d ATP à partir d 1 glucose Tous les dimanches je fermente et vous? L. Guérin Page 2 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

3 Chapitre F : les glucides alimentaires et la régulation de la glycémie Diversité des glucides alimentaires Maintien de la glycémie Des catalyseurs biologiques : les enzymes La régulation de la glycémie Rôle du pancréas Schéma fonctionnel : régulation de la glycémie Chapitre G : les diabètes Comparaison des 2 types de diabètes Prédisposition du diabète de type Prédisposition du diabète de type L. Guérin Page 3 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

4 CHAP A : évolution climatique et atmosphérique récentes Le climat d une région correspond aux moyennes mesurées (températures, précipitations, etc.). Les climats sont répartis par bandes parallèles à l équateur et s expliquent par des variations d insolation terrestre liées à la sphéricité de la Terre. Pb : comment étudier les climats passés? Quels sont les paléo-thermomètres? 1. Analyse des glaces polaires : le delta 18O des glaces 1.1. Un delta 18 oxygène des glaces faible est synonyme de glaciation Il existe 2 isotopes de l oxygène : O 18 et O 16. On distingue donc : l eau H 2 O 18, plus «lourde» l eau H 2 O 16, plus «légère» Conséquence pendant le cycle de l eau, il y a un fractionnement isotopique de l eau : les glaces accumulées au pôle nord et sud ont une proportion en (H 2 O 18 / H 2 O 16 ) plus faible que l océan. Les climatologues calculent le delta O 18 : Plus le delta O 18 dans la glace est négatif et plus la température, de fractionnement, était froide. Pour aller plus loin : logiciel O18/016 en téléchargement : Remarque : même raisonnement avec les isotopes de l hydrogène et le delta Deutérium. L. Guérin Page 4 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

5 1.2. Depuis ans plusieurs glaciations ont eu lieu avec périodicité Alternance de cycles réguliers qui durent chacun environ ans : Période glaciaire de ans Période interglaciaire de ans.!!! Les réchauffements sont brutaux!!! Actuellement nous sommes dans une ère interglaciaire Remarque : ces variations de températures s expliquent par les variations des paramètres astronomiques de la Terre autour du soleil. Ces modifications ont un effet direct sur l insolation c est à dire la quantité d énergie solaire reçue par la Terre et donc logiquement sa température! Pour aller plus loin, la théorie de Milankovitch : L. Guérin Page 5 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

6 2. Analyse de tourbe : les grains de pollens La composition de la flore dans un paysage est en adéquation avec le climat dominant de la région. Grâce au principe d actualisme, on considérera que la végétation du passé peut être utilisée comme indicateur du climat de l époque. On peut donc rechercher les pollens dans une carotte de tourbe (matière végétale accumulée par dépôts successifs et sans dégradation), identifier l espèce végétale dont ils sont issus et connaissant les exigences écologiques de celle-ci, retrouver le climat passé. CQFD! Diagramme pollinique Quelques pollens au MEB CNRS L. Guérin Page 6 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

7 3. La composition de l atmosphère a bien changé depuis ans Les glaces polaires ont un second intérêt : elles emprisonnent l atmosphère contemporaine de l épisode neigeux. En recueillant ces bulles de gaz, on peut analyser la composition atmosphérique passée. Les concentrations atmosphériques en CO 2, méthane ont fortement évolué depuis ans. Le cycle est exactement le même que celui des variations de température à savoir ans. En effet, variations de température et la concentration atmosphérique en CO 2 sont étroitement liées (voir chapitre suivant sur les gaz à effet de serre). Pour connaître les toutes dernières valeurs de CO 2 dans la station de référence située en plein milieu de l océan Pacifique : Mais depuis la révolution industrielle au 19 ème, les valeurs augmentent de manière «exponentielle». On détecte également en plus des polluants anthropiques comme les CFC utilisés jusque dans les années 80, dans les circuits de refroidissement. L. Guérin Page 7 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

8 Chapitre B : le système climatique terrestre et l effet de serre Pb : comment l Homme impacte-t-il le climat terrestre? C est directement l insolation qui détermine la température terrestre. En effet, si notre soleil «éclaire moins», la température terrestre moyenne diminue logiquement. Or les paramètres orbitaux de la Terre autour du soleil expliquent une partie des variations climatique. Pour aller plus loin : la théorie de Milankovitch, au lieu de - 18 C : l effet de serre, on lui dit merci Observation de la Terre dans le domaine du visible et de l infra-rouge, meteosat : Conclusion : la Terre renvoie en permanence vers l espace des rayons infra-rouges car sa surface est éclairée par le soleil pendant la journée. Que deviennent ces IR? Réponse en schéma! Schéma bilan : modèle effet de serre (météofrance) Une animation (géniale) pour comprendre l effet de serre : Pour informations : Sur les 341 w/m2 de l éclairement solaire, 30% réfléchis, 20% absorbés par l atm, 50% absorbés par océan et continent. Le rayonnement émis par la Terre dans les IR est de 396 W/m2 (plus que les 341 w/m2) : on retrouve cette valeur par calcul en connaissant la température de la Terre. 90 à 95% de ces IR sont bloqués par l atm et ses gaz à effet de serre. L. Guérin Page 8 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

9 L effet de serre est un phénomène naturel sur toutes les planètes qui possèdent une atmosphère. Sans l effet de serre, la température sur la Terre ne serait que -18 C au lieu des + 15 C. En effet les rayons IR émis par la surface terrestre sont bloqués à 95% par l atmosphère au lieu de s échapper dans l espace : notre atmosphère joue donc le rôle d isolant. Les gaz jouant un rôle majeur sont : Vapeur d eau pour 60% CO 2 pour 26% O 3 pour 9% CH 4 pour 6% Par ses activités, l Homme rejette des GAS (= gaz à effet de serre). Il modifie ainsi la composition atm, ce qui entraine un forçage radiatif d origine anthropique et un réchauffement détectable à l échelle globale. Variation en CO2 atm mesurées à Mauna Loa dans le Pacifique L. Guérin Page 9 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

10 2. Modélisation des changements climatiques & rétroactions 2.1. L importance de l albédo Pb : la fonte de la banquise et des calottes glaciaires va-t-elle limiter la hausse de température? Albédo = lumière réfléchie par une surface / lumière incidente ; de 0 à 1 L albédo moyen de la Terre est de 0.3. Mais selon les régions cette valeur varie beaucoup : Neige fraiche 0.95 désert de sable 0.50 prairie 0.20 océan 0.05 NB : banquise = glace qui se forme à la surface de l océan comme au pôle nord. A ne pas confondre avec les glaciers qui eux sont de la glace à la surface des continents. Logiquement plus l albédo d une surface est élevé, plus la lumière réfléchie est forte, plus la lumière absorbée est faible et donc moins la surface se réchauffera! DANGER : Réchauffement planétaire fonte de vastes surfaces neigeuses remplacée forêt ou océan diminution de l albédo terrestre réchauffement planétaire = effet boule de neige = rétroaction positive 2.2. L importance de la couverture nuageuse Pb : les nuages vont-ils contribuer à refroidir ou réchauffer le climat? La couverture nuageuse joue un double rôle dans l équilibre thermique terrestre : Nuages cirrus Cumulus & stratus altitude Elevée (15 km) Basse (3 km) Impact de l albédo Peu (car laissent passer la lumière solaire) élevé (car ne laissent pas passer la lumière solaire) Impact sur l effet de serre Fort (car bloquent les IR terrestres) modéré Effet global sur la température terrestre Réchauffent Refroidissent Si globalement les climatologues pensent que la couverture nageuse augmentera avec le réchauffement, difficile de conclure sur l impact de la couverture nuageuse : rétroaction positive ou négative selon le type de nuages! Pour aller plus loin, poster CNES_calipso : p5124_7cc04bc1bc4bac93f3c78489a5e52df2Pancalipso_DDS2-1.pdf L. Guérin Page 10 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

11 2.3. L importance la pompe physique océanique Pb : les eaux océaniques vont-elles limiter la hausse de température? 75% de la surface terrestre est représentée par l océan. Ce dernier joue un rôle prépondérant dans le cycle du carbone car il peut se comporter : comme puits de CO 2 en le pompant depuis l atm vers l océan comme émettrice de CO 2 en le relargant dans l atm depuis l océan Il existe une grande hétérogénéité à la surface de l océan, globalement : La zone équatoriale est émettrice de carbone Les régions de moyennes latitudes sont des puits de carbone En effet la température de l eau influence directement ces échanges : plus la température de l eau est froide et plus le CO 2 est soluble dans celle-ci. Solubilité du CO2 dans l eau en fonction de la température DANGER : Réchauffement planétaire Réchauffement des eaux de surface diminution de la solubilité du CO 2 dégazage en CO 2 par l océan augmentation du CO 2 atm augmentation de l effet de serre réchauffement planétaire = effet boule de neige = rétroaction positive L. Guérin Page 11 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

12 2.4. L importance de la pompe biologique océanique Pb : le phytoplancton va-t-il limiter la hausse de température? La végétation n est pas uniquement cantonnée aux continents. Il existe une formidable faune marine représentée par le phytoplancton. Celui-ci en se développant dans les eaux superficielles des océans prélève du CO 2 pour la réalisation de la photosynthèse : on parle de la pompe biologique océanique en CO 2. Les régions océaniques tropicales représentent des déserts océaniques, non pas par manque d eau, mais par carence en sels nutritifs (nitrates et phosphates). Cartographie par satellite de la chlorophylle dans les océans Cartographie des nitrates dans les océans L. Guérin Page 12 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

13 DANGER : Réchauffement climatique réchauffement des eaux de surface eaux chaudes stagnent en surface limitation de la remontée des eaux profondes riches en sels nutritifs carence en sels minéraux des eaux de surface développement limité du phytoplancton diminution de la pompe biologique en CO 2 augmentation du CO 2 atm augmentation de l effet de serre réchauffement climatique = effet boule de neige = rétroaction positive Complément 1 1 Pour aller plus loin avec le cycle carbone : L. Guérin Page 13 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

14 Chapitre C : variations climatiques et atmosphériques depuis la formation de la Terre Pb : comment ont varié la température et la composition atmosphérique depuis la formation de la Terre il y a 4,5 milliards d années? 1. A la recherche d indices dans les roches 1.1. Des indices climatiques Les carottes de glaces ne permettent pas de remonter au-delà de ans. Au-delà, les climatologues recherchent des indices dans les roches sédimentaires. Grâce au principe d actualisme, postulant que les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient les mêmes dans le passé, les climatologues interprètent les données suivantes : Evaporite (exemple le gypse) : roche sédimentaire chimique formée par précipitation chimique d ions à partir d une solution salée et par évaporation intense Bauxite et latérite : roche sédimentaire détritique de couleur rouge riche en aluminium formée par altération intense en climat chaud et humide (tropical) Pétrole : roche sédimentaire biologique qui résulte de l accumulation et de l enfouissement du phytoplancton en bordure de marge continentale. Moraine : sorte de barrage naturel qui obstrue les vallées glaciaires et qui résulte de l accumulation de matériaux hétérogènes arrachés par le glacier. Tillite : accumulation et compaction de produits d érosion glaciaire des continents. Striation : rayures observables à la surface de roches qui correspondent à la trace laissée par le frottement d n glacier. Charbon : roche sédimentaire biologique qui résulte de l accumulation de débris végétaux en milieu continental ou littoral. Coraux : ce sont des animaux vivant en colonie. De nombreux coraux vivent en symbiose avec des végétaux unicellulaires, les zooxanthelles, dans les mers chaudes et peu profondes. = Indice climatique chaud = Indice climatique froid Calcrete = croute calcaire Dropstone = bloc erratique L. Guérin Page 14 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

15 1.2. Des indices de la composition atmosphérique Indice stomatique : aujourd hui les biologistes ont remarqué une corrélation inverse entre la quantité de CO 2 atmosphérique et l abondance en stomates sur la feuille. Plus l air est riche en CO 2 et plus le nombre de stomates sur une feuille est faible. L analyse de vieilles feuilles fossilisées de Ginko a permis ainsi d estimer la teneur en CO 2 à l époque de vie de ces plantes. NB : aujourd hui la valeur de CO 2 est proche de 390 ppm. Rapport CO 2 passé / CO 2 actuel (une valeur de 10 signifie qu il y avait 10 fois plus de CO2 qu aujourd hui) On constate que la teneur en CO 2 atm n a cessé de varier depuis plus de 600 millions d années. Ainsi il y a 300 millions d années elle était au plus bas. L explication : voir la partie 2 de ce chapitre Hématites : avant 3,5 milliards d années l atmosphère primitive ne contenait pas d oxygène. Celuici est apparu avec la vie et les premières bactéries photosynthétiques aquatiques (les cyanobactéries) qui ont rejeté un déchet : le dioxygène O 2. La présence de sols rouges avec des niveaux d hématites (Fe 2 O 3 ) datés de 3,5 milliards d années témoigne d une altération des roches continentales qui ont sédimenté au fond de l océan ; avec la présence de conditions oxydantes, ces minéraux se sont oxydés (Fe 2+ Fe 3+ ) permettant la formation d hématite. Ce n est qu après 2,2 milliards d années que l oxygène a diffusé dans l atmosphère ce qui a permis la transformation partielle en ozone (O 3 ). Sans cette couche d ozone, les UV solaires hautement mutagènes empêchaient toutes conquêtes de la vie sur les continents! L. Guérin Page 15 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

16 Evolution de la composition atmosphérique pour info L. Guérin Page 16 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

17 2. Des coups de chauds et des coups de froids Les grands bouleversements climatiques qui ont touché la Terre depuis sa formation s expliquent essentiellement par 2 paramètres : la teneur en CO 2 qui module l effet de serre et la paléogéographie continentale. Quand? Coup de chaud Exemple au Crétacé, il y a Ma Coup de froid Exemple au Carbonifère, il y a Ma 1- Paléogéographie Conséquence paléogéographie sur l albédo planétaire Albédo Faible faible réflexion forte absorption des rayons solaires réchauffement +++ Vaste continent centré sur le pôle sud Calotte glaciaire immense albédo très élevé forte réflexion refroidissement Teneur en CO 2 Elevée Faible Conséquence CO2 : Effet de serre 2.1 Volcanisme = rejet de CO Altération des roches continentale = pompage de CO Piégeage dans les végétaux = pompage de CO 2 Fort effet de serre réchauffement +++ Origine des variations de CO 2 : Très élevé car l Atlantique s ouvre : la dorsale déchire tout l Atlantique Faible Faible Faible effet de serre refroidissement +++ Faible Très élevée car érosion intense de la chaine de montagne Hercynienne Très élevé car les grands gisements de charbon du Carbonifère se constituent En violet = facteur responsable réchauffement en bleu = facteur responsable refroidissement Pour aller plus loin sur la paléogéographie : L. Guérin Page 17 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

18 Pour aller plus loin sur l altération des roches continentales : Schéma bilan climats anciens L. Guérin Page 18 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

19 Chapitre D : photosynthèse Pb : quelles sont les réactions chimiques détaillées de la photosynthèse? 1. La photosynthèse permet la conversion d une énergie lumineuse en énergie chimique Schéma d une coupe transversale de feuille (voir cours tronc commun) Rappels : c est uniquement dans les chloroplastes des cellules foliaires que la P$ se déroule en présence de lumière. En effet, à la surface des feuilles, il existe des orifices (= ostioles) situés entre les 2 cellules stomatiques qui permettent l entrée du CO 2. Il circule alors jusque dans les cellules chlorophylliennes du parenchyme où il est assimilé dans les chloroplastes : A la lumière & dans les chloroplastes 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O L énergie véhiculée dans les photons sert à créer les liaisons de covalence pour fabriquer le glucose. L. Guérin Page 19 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

20 2. Première phase de la photosynthèse : la phase photochimique 2.1. Les pigments photosynthétiques Pb : pourquoi sur la côte, observe-t-on successivement du haut vers le bas, les algues vertes, brunes, rouges? << La chromatographie des pigments d une plante verte permet de séparer les différents pigments photosynthétiques : Chlorophylle B Chlorophylle A Xanthophylle Carotène Sur ce premier graphique, les 3 spectres d absorption sont superposés : chlorophylle A, pic vers 450 nm et 680 nm chlorophylle B, pic vers 480 nm caroténoïde, pic vers 450 nm et 500 nm Sur ce second graphique, on mesure l intensité de la photosynthèse en fonction de la longueur d onde : L intensité de la photosynthèse, d une plante verte, est maximale dans le bleu et le rouge qui correspondent aux longueurs d ondes captées par les pigments CQFD! L. Guérin Page 20 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

21 << Les algues rouges et brunes possèdent des pigments supplémentaires : phycocyanine phycoérythrine. Le spectre d absorption de ces 2 pigments est très différents des pigments précédents et leur permet de récupérer l énergie des photons dans les longueurs d ondes entre 500 et 600 nm. Schéma répartition des algues pour info Les pigments chlorophylliens ont été localisés très précisément dans la cellule, dans les chloroplastes, plus exactement dans la membrane de petits sacs aplatis (= thylacoïdes) qui flottent à l intérieur des chloroplastes (= stroma). Observation au MET d un chloroplaste Schéma d interprétation A connaître : thylacoïdes, stroma, amidon L. Guérin Page 21 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

22 2.2. Production de RH2 et ATP Pb : D où vient le dioxygène libéré lors de la photosynthèse? Quelles sont les conditions de la phase photochimique???? Résultats expérimentaux avec l aimable collaboration de Tristan et Madeleine 2015 Temps et conditions expérimentales 0 à 5 min pas de lumière et pas d accepteur d électrons De 5 à 8 min lumière mais pas d accepteur d électrons De 8 à 12 min lumière et injection d accepteur d électrons Résultats Contrairement à ce que l on voit, la concentration en O2 devrait diminuer Concentration d O2 diminue Concentration d O2 augmente ( mg/l/min) Interprétations Photolyse de l eau impossible mais respiration qui consomme O2 Toujours Photolyse de l eau impossible mais respiration qui consomme O2 Photolyse de l eau : 2 H 2 0 O 2 + 4H + + 4é Conclusion : la première réaction de la photosynthèse est la photolyse de l eau qui se réalise dans le chloroplaste et qui nécessite de la lumière et un accepteur d électrons. L. Guérin Page 22 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

23 Pour info : c est la chlorophylle (a) qui collecte au final l énergie des photons. Cette chlorophylle (a) excitée va alors perdre un électron qui est transporté dans la membrane des thylacoïdes via une chaine d oxydo-réduction : La chlorophylle (a) récupère ensuite un électron en l arrachant à l eau. On parle de photolyse de l eau. L électron pris en charge par la chaine d oxydo-réduction est finalement capté par un accepteur final d électron appelé R : R + 2 H + + 2e - RH2 R est la forme oxydé RH2 est la forme réduite Les électrons qui transitent dans la chaine d oxydo-réduction permettent l accumulation d ions H + à l intérieur des thylacoïdes dans le stroma. Ce phénomène génère une énergie potentielle, un peu comme un barrage qui accumule de l eau en amont! Le gradient de H + va permettre la synthèse de molécule d ATP riche en énergie. En effet les ions H + suivent le gradient de concentration et passent par une protéine canal ATP synthase qui fabrique l ATP. A retenir : cette première phase de la photosynthèse, appelée phase photochimique, permet de convertir l énergie lumineuse en énergie chimique sous deux formes : Les composés réduits RH2 qui ont un fort pouvoir réducteur Les molécules d ATP dont l hydrolyse libère beaucoup d énergie = ATP synthase = Chlorophylle (a) & chaîne d oxydoréduction Schéma détaillé de la phase photochimique dans le thylacoïde des chloroplastes - pour information L. Guérin Page 23 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

24 3. Seconde phase de la photosynthèse : la phase chimique La seconde phase de la photosynthèse permet de fixer le CO 2 pour fabriquer du glucose. Il faut pour cela créer des liaisons de covalence entre les atomes de carbone du CO 2 et donc transférer de l énergie au système. Les produits de la première phase, RH2 et ATP vont donc être utilisés : on dit que les 2 phases sont couplées. Elle se déroule dans le chloroplaste mais cette fois dans le stroma. Une enzyme la Rubis CO va fixer un CO 2 sur une molécule de Ru BP* à 5 carbones générant ainsi un sucre à 6 carbones qui se scinde immédiatement en 2 molécules d APG* à 3 carbones. Commence alors une succession compliquée de réactions chimiques, appelée cycle de Calvin, qui permettent de régénérer le Ru BP en consommant le RH2 et l ATP. * Ru BP = Ribulose 1,5 Bis-Phosphate * APG = acide phosphoglycérique A retenir : cette seconde phase de la photosynthèse, appelée phase chimique, permet de fabriquer du glucose en fixant le CO 2 au cours d un ensemble des réactions chimiques complexes du cycle de Calvin qui consomment les produits de la première phase, l ATP et RH2. L. Guérin Page 24 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

25 3 CO2 3C Etape 1, catalysée par la Rubisco 3 Ru BP 3 fois 5C = 15C 6 APG 6 fois 3C = 18C Etape 4 5 trioses Phosphate 5 fois 3C = 15C Etape 2 ATP RH2 Etape 3 R + 2 H + ADP + Pi 1 glucose formé à partir 2 trioses P 1 triose Phosphate 6C 2 fois 3C 3C En réalisant 2 fois le cycle on obtient 1 glucose Etape 1 = fixation d un CO2 sur un RuBP par l enzyme Rubisco qui génère l APG Etape 2 = consommation du RH2 et ATP pour réduire l APG en triose P Etape 3 = sortie d un triose P Etape 4 = conversion des trioses P en RuBP Schéma bilan du cycle de Calvin dans le stroma du chloroplaste = phase chimique - pour information L. Guérin Page 25 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

26 Phase chimique Chloroplaste vu en 3D et découpé pour voir l intérieur. Schéma bilan de la photosynthèse simplifié (minimum à connaître) L. Guérin Page 26 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

27 Schéma bilan de la photosynthèse (plus complet) Belin L. Guérin Page 27 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

28 Chapitre E : respiration et fermentation, même combat : produire de l ATP Pb : comment fabriquer de l énergie, sous forme d ATP, dans la cellule? 1. L ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire 1.1. Description de l ATP > L ATP (= adénosine triphosphate) est une molécule organique de la catégorie des nucléotides formée : Un sucre, le ribose Une base azotée, l adénine 3 groupements phosphate Le rôle principal de l ATP est de fournir l énergie nécessaire aux réactions chimiques des cellules. La réaction d'hydrolyse de l ATP en adénosine di phosphate (= ADP) + phosphate inorganique (= Pi) est une réaction exergonique, c est à dire qu elle est couplée à la libération d énergie : ATP + H 2 O ADP + Pi ΔG ' = -30,5 kj mol -1. Au contraire, la réaction de synthèse de l ATP à partir d'adénosine di phosphate (= ADP) et de phosphate inorganique (= Pi) est une réaction endergonique, c est à dire qu elle nécessite un couplage d énergie : ADP + Pi ATP + 2 H 2 O ΔG ' = 30,5 kj mol Toutes les activités cellulaires consomment de l ATP Exemple de la synthèse de l acide aminé glutamine Fixation d une fonction amine sur le groupement carboxyle. Pour créer cette liaison de covalence, il faut fournir de l énergie. C est justement l hydrolyse de l ATP qui apporte cette énergie. L. Guérin Page 28 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

29 1.3. Contraction musculaire et ATP Pb : comment expliquer la rigidité cadavérique? 2 animations indispensables «figure 5» et «figure 6» : Le sarcomère, unité fondamentale du muscle Une cellule musculaire, observée au microscope optique, présente une alternance de bandes claires et sombres. En effet ces cellules sont entièrement spécialisées dans la fonction motrice : en se contractant, elles raccourcissent et ce faisant, elles tirent sur l os auquel le muscle est rattaché, ce qui provoque le mouvement (extension ou flexion). «Tout» le cytoplasme des cellules musculaire est donc rempli de protéines contractiles, appelées myofibrilles. L unité fondamentale est représentée par un sarcomère. Chaque sarcomère est constitué de 2 types de protéines : Les filaments d actine, fins Les filaments de myosine, épais Au cours d une contraction musculaire, le sarcomère raccourcit par coulissement des filaments d actine et myosine. La contraction musculaire résulte d interactions entre les filaments de myosine et d actine L. Guérin Page 29 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

30 La rigidité cadavérique expliquée Schéma de la contraction musculaire Pour info Jussieu Le déplacement relatif des filaments d actine et myosine se fait toujours suivant le même enchaînement : 1. Hydrolyse de l ATP par la tête de myosine, ce qui l active 2. Fixation de la tête de myosine sur un filament d actine 3. Rotation de la tête de myosine qui reprend sa forme de départ 4. Séparation de l actine et de la myosine par fixation d une nouvelle molécule d ATP Chaque cycle permet le déplacement relatif de l actine et de la myosine de quelques nanomètres seulement, mais répété des milliers de fois, ce mécanisme permet bien de raccourcissement du sarcomère c est à dire la contraction du muscle. La rigidité cadavérique, décrit l état des membres après le décès d une personne. Impossible de plier ou déplier les membres, ils sont comme figés. En effet, après la mort cellulaire, il n y a plus d ATP donc l étape 4 devient impossible ce qui veut dire que tous les filaments d actine et myosine sont comme soudés, empêchant le muscle de fonctionner, CQFD! L. Guérin Page 30 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

31 2. Production de l ATP dans la cellule : respiration & fermentation Enregistrement Exao : mesure de la consommation d O2 par des levures affamées après injection de glucose Un peu de méthodologie : analyse graphique On mesure la concentration en O2 dans le milieu contenant des levures affamées. On distingue 3 phases successives : De 0 à 2 minutes : avant l injection de glucose. La concentration en O2 en stable à 10 mg/l De 2 à 6 minutes : après l injection de glucose. La concentration en O2 diminue de 10 à 0 mg/l De 6 à 9 minutes : la concentration en O2 reste nulle. Interprétations : De 0 à 2 minutes, les levures sont au repos. Il n y a pas de métabolisme car il manque une source d énergie. De 2 à 6 minutes, l injection de glucose dans le milieu déclenche immédiatement le métabolisme respiratoire. Les levures consomment le glucose en présence de dioxygène pour produire leur ATP : c est la respiration cellulaire Après 6 minutes les levures, privées d oxygène, peuvent-elles continuer à produire de l ATP? La réponse est oui, non plus par respiration cellulaire, mais par fermentation. Voir la suite. Conclusion repos respiration cellulaire fermentation La respiration cellulaire = une dégradation complète du glucose en milieu aérobie La fermentation = une dégradation incomplète du glucose en milieu anaérobie L. Guérin Page 31 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

32 3. Bilan de la respiration cellulaire : 36 molécules d ATP à partir d 1 glucose 3.1. Crêtes mitochondriales = usine de production de l ATP L ATP est fabriquée essentiellement, dans les cellules eucaryotes, dans les organites mitochondrie. Les mitochondries possèdent 2 membranes, interne et externe, et comportent au centre un volume appelé matrice. L espace entre les 2 membranes s appelle espace inter membranaire. La membrane interne avec ses replis (= crête) est recouverte d une enzyme capitale : ATP synthase. Schéma structure mitochondrie pour info Caractéristiques des compartiments de la mitochondrie pour info Un site indispensable pour comprendre la fabrication d ATP : http :// Rappelez-vous dans le chapitre sur la photosynthèse, nous avions découvert que la phase photochimique permettait la synthèse de composés réduits = RH2 et d ATP. Ils étaient utilisés secondairement dans la phase chimique pour fabriquer le glucose. Ici d autres composés réduits sont fabriqués au cours de la respiration cellulaire, nous les appellerons R H2. L. Guérin Page 32 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

33 Pour informations uniquement, ces composés réduits R H2 vont : 1. Céder leurs électrons à des chaines de transporteurs situés dans la membrane interne des mitochondries. 2. Ce flux d électrons dans la chaine de transporteurs, permet de pomper des protons H + dans l espace inter membranaire. L accepteur final des électrons est l O 2 qui est transformé en H 2 O. 3. Ceci permet alors l établissement d un gradient : concentration élevée de H + dans l espace inter membranaire et faible dans la matrice. 4. Ce gradient de H + permet le fonctionnement des ATP synthase. Le flux de protons au travers l ATP synthase permet la synthèse d ATP. A retenir : l utilisation des composés réduits R H2 au niveau des crêtes mitochondriales permet la synthèse d ATP. Espace inter Matrice ADP + Pi H + H + H + H+ H + H + H + H + ATP H + Fabrication d énergie par un barrage ; moteur = gradient d eau Fabrication d énergie par une mitochondrie ; moteur = gradient de H+ Comparaison entre une turbine et l ATP synthase Pour information présentation de la mitochondrie : http :// L. Guérin Page 33 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

34 3.2. Cycle de Krebs = usine de production de composés réduits R H2 Pb : quel est le substrat de la respiration mitochondriale? A l intérieur de la mitochondrie, dans la matrice, l acide pyruvique (= pyruvate) est entièrement oxydé au cours d un enchainement de réactions chimiques appelé le cycle de Krebs. Le cycle de Krebs génère spontanément par couplage, 2 ATP et des composés réduits R H2. Lors du cycle de Krebs, les réactions de décarboxylation du pyruvate libère le CO 2. Enregistrement de la respiration mitochondriale avec chou-fleur 30 secondes = injection glucose ; 1 min injection pyruvate 3.3. Glycolyse = usine de production du pyruvate à partir du glucose En dehors de la mitochondrie, dans le cytoplasme, le glucose est progressivement dégradé au cours de la glycolyse en acide pyruvique. La glycolyse génère spontanément par couplage, 2 ATP et des composés réduits R H2. L. Guérin Page 34 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

35 Schéma bilan de la respiration cellulaire Belin page 43 A connaître A retenir, le métabolisme du glucose, en milieu aérobie, par respiration cellulaire : 1. permet de fabriquer 36 ATP 2. commence par la glycolyse dans le hyaloplasme 3. se poursuit par le cycle de Krebs dans la mitochondrie 4. Glycolyse et cycle de Krebs permettent la fabrication de composés réduits R H2 5. Glycolyse et cycle de Krebs ne peuvent se maintenir que si les composés R sont régénérés 6. Les R H2 sont oxydés au niveau des chaines respiratoires mitochondriales où l O 2 se trouve être l accepteur final d électrons. 7. Le transfert d électrons dans la chaine respiratoire mitochondriale permet la synthèse d ATP par les ATP synthases. L. Guérin Page 35 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

36 4. Bilan de la fermentation : 2 molécules d ATP à partir d 1 glucose Pb : la fermentation est-elle aussi «rentable» que la respiration? Le métabolisme du glucose, en conditions anaérobies, commence lui aussi par la glycolyse qui génère spontanément par couplage, 2 ATP et des composés réduits R H2. Mais sans oxygène, la respiration mitochondriale ne peut se produire et les composés réduits R H2 ne peuvent être ainsi régénérés en R. Pour continuer à produire de l ATP par simple glycolyse, un itinéraire bis est mis en place pour régénérer les composés R : c est le métabolisme par fermentation. Dans la fermentation lactique l acide pyruvique, produit par la glycolyse, est transformé en acide lactique ce qui régénère les composés R. Dans la fermentation alcoolique l acide pyruvique, produit par glycolyse, est transformé en éthanol et CO 2 ce qui régénère les composés R. Dans les 2 cas, la dégradation de l acide pyruvique n est pas totale, contrairement à la respiration cellulaire. Il reste potentiellement de l énergie perdue dans les liaisons de covalence de ces 2 déchets, acide lactique et éthanol. On le comprend, la fermentation possède un rendement bien médiocre par rapport à celui de la respiration cellulaire avec seulement 2 ATP générés. Médiocre, certes, mais capable de se réaliser même sans oxygène. Schéma bilan de la fermentation Belin page 43 A connaître A retenir, le métabolisme du glucose, en milieu anaérobie, par fermentation : 1. permet de fabriquer 2 ATP 2. commence par la glycolyse dans le hyaloplasme 3. elle ne fait pas intervenir les mitochondries car pas d oxygène pour régénérer les composés R 4. les composés R H2 sont oxydés en R mais sans être couplés à la synthèse d ATP. 5. les réactions de la fermentation conduisent à la synthèse de déchets organiques : alcool ; C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2 + 2ATP acide lactique ; C 6 H 12 O 6 CH 3 CHOHCOOH + 2 ATP L. Guérin Page 36 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

37 5. Tous les dimanches je fermente et vous? Dans la cellule musculaire, il n y a pas de réserve d ATP alors qu elles sont grandes consommatrices d ATP. 3 mécanismes complémentaires assurent la production d ATP et la réalisation de la contraction musculaire : Voie de la phosphocréatine ; Il existe un stock de phosphocréatine dans la cellule qui peut rapidement être mobilisé pour fabriquer de l ATP : voir réaction 1 sur le schéma ci-dessous. Remarque pendant la phase de récupération, l organisme devra consommer de l ATP pour reconstituer son stock de phosphocréatine = réaction 2. Réaction 1 Réaction 2 Voie de la fermentation lactique lors d un effort bref mais violent (exemple un 100 mètre en moins de 10 voire 19 pour les moins rapides ) Voie de la respiration cellulaire lors d un effort modéré et prolongé (course d endurance). L. Guérin Page 37 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

38 Voie de la phosphocréatine Fermentation lactique Respiration Avantages ATP instantanément disponible : permet un effort immédiat. ATP produit rapidement. Ne nécessite pas d approvisionnement en dioxygène. Production rapide d ATP, production possible au-delà des capacités maximales d apport en dioxygène. Rendement élevé, production d ATP importante et durable, pas de production d acide lactique. Inconvénients Stock très faible, intervention limitée aux premières dizaines de seconde d un effort physique. Rendement faible (consommation très importante des réserves de glycogène), production d acide lactique à l origine d une fatigue musculaire, voire d un épuisement. Nécessite le temps d adaptation des systèmes cardiaque et ventilatoire permettant l accroissement de l apport en dioxygène. Production d ATP limitée par les capacités maximales d approvisionnement en dioxygène (VO 2 max). L. Guérin Page 38 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

39 Chapitre F : les glucides alimentaires et la régulation de la glycémie Pb : comment survivre à l ingestion de 5 paquets de bonbons ou à 3 jours sans sucre? 1. Diversité des glucides alimentaires Glucides, protéines et lipides sont les 3 familles de molécules organiques indispensables au bon fonctionnement de notre organisme. Chacune de ces familles apporte un élément spécifique : Les glucides sont sources d énergie. Les protéines sont source d acides aminés utiles à la synthèse de nos propres protéines indispensables à l architecture cellulaire. Les lipides sont indispensables à l organisation de la membrane et à de nombreuses hormones. La famille des glucides regroupe des macromolécules comme l amidon (chez les plantes) et le glycogène (chez les animaux). Il s agit dans les 2 cas, de polymères de glucose : Amidon chez les plantes Glycogène chez les animaux L. Guérin Page 39 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

40 A côté des macromolécules, on distingue des molécules plus petites : des monosaccharides : glucose, fructose, galactose, ribose des disaccharides : saccharose, lactose, maltose = glucose = saccharose Bien entendu, les macromolécules de l alimentation ne peuvent pas être directement absorbées dans le sang au niveau de l intestin. Au cours de la digestion il y a une simplification des macromolécules. Ainsi l amylase sécrétée dans la salive et le pancréas permet la simplification par hydrolyse de l amidon en maltose puis plus tard en glucose. 2. Maintien de la glycémie Pb : comment varie la glycémie au cours d une journée? La glycémie mesure la concentration de glucose dans le sang (NB : ne pas dire «concentration de glycémie» qui voudrait dire concentration de concentration de glucose ). Elle est voisine de 1 g/l. Elle se mesure le matin, à jeun car la prise d un repas perturbe la glycémie. Evolution de la glycémie au cours de la journée (pour info) Une hypoglycémie (glycémie inférieure à 0,80 g/l) entraine rapidement une sensation de faim, une grande fatigue, des malaises, voire des comas dans les cas les plus graves. Une hyperglycémie (glycémie supérieure à 1,26 g/l) entraine des effets sur le long terme avec des nécroses tissulaires et de graves problèmes oculaires et rénaux. L. Guérin Page 40 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

41 Après un repas, le glucose est absorbé dans le sang au niveau de l intestin grêle. Le sang est collecté dans la veine porte hépatique qui le conduit intégralement au foie. Le foie, grâce à sa position originale dans la circulation sanguine, joue donc un rôle fondamental dans la régulation de la glycémie : Après un repas, le foie stocke l excès de glucose sous la forme de glycogène. Au cours d un jeûne prolongé, le foie restitue et libère du glucose dans la circulation sanguine par hydrolyse du glycogène. Remarque : les cellules hépatiques ne peuvent pas stocker le glucose sous cette forme simple car cela augmenterait considérablement leur pression osmotique. Elles vont donc le transformer sous une forme de stockage : le glycogène qui est un polymère de glucose. L. Guérin Page 41 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

42 3. Des catalyseurs biologiques : les enzymes Pb : en quoi les enzymes sont-elles des catalyseurs biochimiques? Un peu de chimie : Un catalyseur est une espèce chimique qui permet d augmenter la vitesse d une réaction mais qui n apparaît pas dans l équation de cette réaction (ni un réactif, ni un produit). Un catalyseur influe uniquement sur la cinétique de la réaction chimique considérée. Il n est pas consommé et se retrouve inaltéré à la fin de la réaction. Il suffit alors d une très petite quantité de catalyseur pour transformer rapidement une grande quantité de réactifs. En général, un catalyseur catalyse une réaction déterminée : on dit qu un catalyseur est spécifique d un type de réaction. Les enzymes accélèrent les réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule. Ce sont des catalyseurs biologiques ; Ce sont des protéines qui possèdent 2 propriétés fondamentales : Une spécificité d action : une enzyme catalyse un type de réaction chimique précis (hydrolyse, oxydoréduction, isomérisation ) Une spécificité de substrat : elles ne sont capables de transformer qu une seule molécule. En effet, la structure en 3D de l enzyme dessine un site actif dont la forme est parfaitement complémentaire du substrat cad de la molécule qui est transformée. Schéma bilan enzyme - à retenir L. Guérin Page 42 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

43 Les enzymes ont une température optimale (dans cet exemple T optimale = 30 C). De 0 à 30 C, l agitation moléculaire augmente, ce qui augmente la probabilité de rencontre entre l enzyme substrat. Au-delà de 30 C, l enzyme comme toutes les protéines se dénature ce qui altère son site actif et donc son efficacité. Les enzymes ont un ph optimal. Au-delà du ph optimal, l enzyme comme toutes les protéines change de forme ce qui altère son site actif et donc son efficacité. L. Guérin Page 43 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

44 4. La régulation de la glycémie 4.1. Rôle du pancréas Un animal sans pancréas meurt rapidement en hyperglycémie : «Hypothèse 1 : le pancréas régule le foie par voie nerveuse» «Hypothèse 2 : le pancréas régule le foie par voie hormonale» Organe de commande = Hypothèse 1 : Communication par voie nerveuse = nerf Pancréas Organe effecteur = Foie Hypothèse 2 : Communication par voie hormonale = sang 2 hypothèses de travail Expérience pour tester hypothèse 1 : on réalise une ablation du pancréas (= pancréatectomie) puis on le regreffe ; résultats : la glycémie est corrigée ; Comme la greffe ne rétablit pas la communication nerveuse on peut affirmer que l hypothèse 1 est fausse. Conclusion : le pancréas ne régule pas le foie par voie nerveuse. Expérience pour tester hypothèse 2 : on réalise une ablation du pancréas (= pancréatectomie) puis on le réalise des injections de broyat de pancréas ; résultats : la glycémie est corrigée ; On peut affirmer que l hypothèse 2 est confirmée. Conclusion : le pancréas régule le foie par voie hormonale via une substance libérée dans le sang. Relation anatomique foie, pancréas pour info L. Guérin Page 44 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

45 Le pancréas possède 2 fonctions différentes : La première qualifiée d exocrine : le pancréas produit des enzymes (ex : amylase, lipase, peptidase) sécrétées, via le canal pancréatique, dans l intestin. Il permet la digestion des aliments. La seconde qualifiée d endocrine : le pancréas produit des hormones sécrétées dans le sang. L analyse du pancréas a permis de repérer des amas particuliers : les ilots de Langerhans. On y distingue 2 types de cellules : o Les cellules Beta qui produisent l hormone insuline. o Les cellules Alpha qui produisent l hormone glucagon. Schéma d un ilot de Langerhans dans le pancréas pour info Comment est régulée la glycémie? Hormones Production par Sécrétion en cas de Cellules cibles Action physiologique Conséquence sur la glycémie Insuline Pancréas, cellule Beta Hyperglycémie Récepteurs des cellules hépatique, musculaire, adipocyte Stockage du glucose sous forme de glycogène Diminution de la glycémie = hypoglycémiante Glucagon Pancréas, cellule Alpha Hypoglycémie Récepteurs des cellules du foie. Hydrolyse du glycogène et libération du glucose Augmentation de la glycémie = hyperglycémiante Comparaison Insuline / Glucagon A connaitre L. Guérin Page 45 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

46 4.2. Schéma fonctionnel : régulation de la glycémie Schéma bilan Régulation de la glycémie Belin page 181 L. Guérin Page 46 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

47 Chapitre G : les diabètes Pb : quels sont les dérèglements physiologiques des diabètes? 1. Comparaison des 2 types de diabètes Encore appelé Signes biochimiques Diabète type 1 Diabète type 2 Insulino dépendant (DID) car pas d insuline sécrétée Non insulino dépendant (DNID) car insuline sécrétée Hyperglycémie chronique > à 1,26 g/l. Conséquences : dégradation du tissu vasculaire conduisant à la cécité, amputation de membres Fréquence en % 5 95 Age «jeune» avant 35 ans «vieux» après 45 ans Origine du diabète Traitement du diabète Maladie auto-immune dans laquelle notre système immunitaire détruit les cellules β des ilots de Langerhans Injections d insuline et régime adapté sans sucre rapide Maladie associée à la surcharge pondérale ; les cellules cibles du foie, muscle, tissu adipeux deviennent insensibles à l insuline Régime alimentaire pour réduire l IMC* en association avec une pratique sportive. IMC = indice de masse corporelle soit la masse (en kg) divisé par taille au carré (en cm) ; Interprétation de l IMC pour info L. Guérin Page 47 sur 48 Ecole Jeannine Manuel

48 2. Prédisposition du diabète de type 1 Il existe une prédisposition génétique à déclarer un diabète de type 1. En effet, si chez 2 vrais jumeaux l un déclare un diabète de type 1, son frère à un risque supérieur à 50% de le déclarer. Les diabétologues commencent à identifier les allèles de susceptibilité impliqués (exemple des gènes du système HLA ) Mais certains facteurs de l environnement peuvent également être impliqués dans le déclenchement d un diabète de type 1, le diabète est donc une maladie multifactorielle : Inflammations, Certaines infections virales (intégration du génome du rétrovirus dans les cellules du pancréas?) Alimentation infantile contenant des protéines allergènes (dans le lait de vache?) Phénomènes survenant pendant la grossesse (prise de poids?) 3. Prédisposition du diabète de type 2 Comme pour le diabète de type 1, le génotype joue un rôle considérable : ainsi les diabétologues parlent encore d allèles de susceptibilité. Chez les vrais jumeaux, si l un des 2 est atteint, le second a une probabilité proche de 100% de déclarer lui aussi ce diabète. C est ce diabète de type 2 qui explose à l échelle mondiale. Le changement de mode de vie est directement en cause : alimentation déséquilibrée, sédentarité, etc. L. Guérin Page 48 sur 48 Ecole Jeannine Manuel