La respiration cellulaire

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2 Guide pédagogique Le présent guide sert de complément à la série d émissions intitulée produite par TFO. Le guide Édition 1988 Auteurs de la version anglaise : Randee Crisp, George Laundry, Robert Whitney Traduction de la version anglaise : Translatec Le guide Édition 2009 Responsable de projet : Annette Lalonde Révision pédagogique : François Lépine Pour obtenir des copies des émissions de la série : Vous pouvez enregistrer les émissions lors de leur diffusion sur les ondes de TFO. Consultez le site pour connaître la date de la prochaine diffusion ou téléphonez au , poste 2388 pour une diffusion spéciale. Les écoles de langue française de l Ontario peuvent visionner les émissions de cette série directement sur le site web Pour obtenir des exemplaires supplémentaires de ce guide : Vous pouvez l imprimer à partir du site Vous avez le droit d en faire des photocopies à volonté. Vous pouvez l acheter auprès du Centre franco-ontarien de ressources pédagogiques à Ottawa en appelant au , poste 228 (Ontario) ou au , poste 228 (Canada). Renseignements : tfoliaison@tfo.org TFO tient à remercier le Secrétariat d État de sa participation financière. L Office des télécommunications éducatives de langue française de l Ontario, avril 2009.

3 Table des matières Introduction Émission 1 : La cellule et l énergie Émission 2 : Glycolyse 1 Émission 3 : Glycolyse 2 Émission 4 : Le cycle de Krebs Émission 5 : La phosphorylation oxydative Émission 6 : Métabolisme et nutrition Glossaire

4 Introduction Cette série de six émissions de 10 minutes traite du monde complexe de la respiration biologique en se plaçant aux niveaux moléculaire et macro-moléculaire. Débutant sur une perspective historique pour terminer sur les théories et les recherches modernes, les émissions étudient les enzymes et les coenzymes, la phosphorylation, la biosynthèse, la glycolyse et le cycle de Krebs. La série vidéo sur la respiration cellulaire et le guide pédagogique qui l accompagne : décrivent l évolution de la respiration cellulaire qui a conduit au développement des organismes vivants actuels; analysent la structure et la fonction de l organite mitochondrial, principal siège de la biosynthèse de l adénosine triphosphate (ATP); étudient le rôle du glucose à titre de principal carburant de la respiration cellulaire et celui de l ATP en tant que «navette» énergétique; expliquent, point par point, le métabolisme du glucose au cours de la glycolyse, du cycle d acide citrique ou de Krebs et de la phosphorylation oxydative; déterminent le rôle de l oxygène dans la combustion contrôlée du glucose avec la production concomitante de dioxyde de carbone, déchet de la respiration, définissent les rapports entre les trois groupes d aliments (protéines, lipides et hydrates de carbone) dans le cadre de la nutrition.

5 Émission 1 : La cellule et l énergie Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attente Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Contenus d apprentissages Décrire le rôle des organites dans divers processus cellulaires. Décrire les fonctions des principales macromolécules telles que les glucides, les lipides et les protéines chez les organismes vivants. Expliquer les transformations d énergie et de matière associées au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs et les produits. SBI4U Processus métaboliques Attente Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. 5 Émission 1 : La cellule et l énergie

6 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : distinguer la respiration cellulaire de la ventilation; citer les trois grandes catégories de molécules utilisées par les organismes vivants pour emmagasiner l énergie, et indiquer que les hydrates de carbone constituent la catégorie employée le plus couramment; expliquer le sens des termes suivants : cytosol, mitochondrie, matrice, crêtes, adénosine triphosphate (ATP), liaison riche en énergie, groupe phosphoryle, adénosine diphosphate (ADP), phosphorylation; décrire l apparence d une mitochondrie telle qu examinée au microscope électronique; prouver la théorie selon laquelle les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir d organismes indépendants; commenter la structure d une molécule d ATP et localiser, à l intérieur de cette structure, les liaisons riches en énergie; définir le rôle de l ATP dans le métabolisme cellulaire; nommer les trois étapes interdépendantes de la respiration cellulaire. Description de l émission Quelle que soit sa source, l énergie utilisée par les organismes vivants doit être disponible en permanence. Étant donné que les apports d énergie sont irréguliers, donc peu sûrs, ces organismes ont dû, pour pourvoir à leur besoins, inventer un système de stockage. Cette émission sert d introduction et donne une vue d ensemble du mécanisme présidant au stockage et à la libération d énergie. Le système digestif extrait des aliments absorbés par l animal les trois principaux groupes de macromolécules : les protéines, les lipides et les hydrates de carbone. L énergie à laquelle ils ont accès le plus rapidement est emmagasinée sous forme d hydrates de carbone. Dans cette série d émissions, on admet que la plupart de l énergie fournie à la cellule est contenue dans les molécules de glucose. La libération de cette énergie chimique, sous une forme utilisable par les organismes vivants, s appelle la respiration cellulaire. consiste en une série complexe de réactions chimiques qui se produisent aussi bien dans le cytosol que dans la mitochondrie d une cellule. L appareil mitochondrial contient deux membranes qui délimitent une chambre informe, la matrice, la membrane intérieure forme de nombreux plis orientés vers le centre, appelés crêtes. Grâce à cette disposition, la superficie de la membrane contenue dans la mitochondrie est nettement plus élevée. Le fait que cet appareil ressemble étonnamment à une petite cellule suggère que les mitochondries, comme les chloroplastes, ont sans doute évolué à partir d organismes indépendants qui, se comportant comme des parasites, ont envahi de plus grosses cellules. Au fil des années, elles ont été tolérées par leurs hôtes qui, finalement, n ont plus su se passer d elles. Ceci explique les nombreuses similarités que présentent la respiration cellulaire et la photosynthèse. En fait, on peut considérer que la respiration cellulaire est le mécanisme inverse de la photosynthèse. 6 Émission 1 : La cellule et l énergie

7 L appareil mitochondrial transforme la plupart de l énergie des molécules du glucose en «doses» d énergie potentielle plus petites en la transférant à des molécules d adénosine triphosphate (ATP). Les molécules d ATP détiennent suffisamment d énergie pour déclencher les réactions métaboliques typiques. Schéma 1.1 :Structure de l ATP L ATP est une molécule complexe qui contient des portions de plusieurs molécules plus simples et familières liées entre elles par des liaisons covalentes. Leurs constituants simples sont l adénine, base contenant de l azote, le ribose, sucre à cinq carbones et trois molécules d acide phosphorique. L énergie est accumulée dans l une des deux entre les résidus des molécules d acide phosphorique (groupes phosphoryles). En fournissant de l énergie à un réactif, l ATP transfère l une de ses «liaisons riches en énergie». En même temps, sont transférés également certains atomes de l ATP. Généralement, le groupe phosphoryle est transféré au réactif, laissant de l adénosine diphosphate (ADP). Le réactif est alors qualifié de «phosphorylé» et le mécanisme qui assure ce transfert est appelé la «phosphorylation». Les réactions de la phosphorylation représentent souvent une étape métabolique des réactions qui consomment de l énergie. Les réactions de la respiration cellulaire qui fournissent l ATP nécessaire à l activation des processus vitaux sont divisées en trois étapes : la glycolyse, le cycle de Krebs, et la phosphorylation oxydative. Toutes ces étapes sont successivement étudiées dans la série. 7 Émission 1 : La cellule et l énergie

8 Avant le visionnement Présenter brièvement ou réviser avec les élèves les notions fondamentales en chimie; élément, composé, atome, molécule et liaison covalente. Souligner, toutefois, qu une connaissance approfondie des structures de l appareil respiratoire intermédiaire n est pas nécessaire. Les élèves doivent cependant savoir que les molécules possèdent des formes uniques et prévisibles et que les cellules contiennent des agents spécialisés (les enzymes) qui sont capables de choisir, parmi la multitude de molécules présentes dans une cellule, un type de molécules donné. Il serait également utile de réviser la chaîne alimentaire type et la place qu occupent sur cette chaîne les organismes autotrophes et hétérotrophes. Après le visionnement Activité 1 : D où vient le nom hydrate de carbone? Matériel Cubes de sucre Acide sulfurique concentré (Danger : hautement corrosif) Creuset Mortier et pilon Couverture protectrice pour le bureau Lunettes de sécurité Tablier ou blouse de laboratoire Remarque : Cette activité peut être faite comme démonstration. Marche à suivre 1. À l aide du mortier et du pilon, réduisez le cube de sucre en poudre. 2. Versez le sucre en poudre dans un creuset que vous aurez placé sur une couverture protectrice pour éviter d endommager le bureau. 3. Mettez des lunettes de sécurité. Ajoutez un peu d acide sulfurique, juste assez pour recouvrir le sucre. 4. Notez la couleur, l odeur et l apparence du résidu laissé dans le creuset. Animer une discussion sur les résultats de l expérience. 1. Poser la question suivante aux élèves : À votre avis, quel est le résidu laissé dans le creuset? 2. Expliquer que l acide sulfurique concentré est un puissant agent déshydratant qui enlève l eau des composés avec lesquels il entre en contact. 3. Demander aux élèves de présumer qu il agit ainsi au cours de cette expérience. Poser les questions suivantes : - En termes d éléments, et en vous basant sur la couleur du résidu, quelle semble être la composition du sucre? - Pourquoi les résidus de cette expérience, ainsi que d autres sucres, sont-ils appelés «hydrates de carbone»? 8 Émission 1 : La cellule et l énergie

9 Activité 2 : Visualiser les molécules Matériel Trousse de modèles moléculaires Marche à suivre 1. Examinez le contenu de la trousse de modèles moléculaires. Remarquez qu elle contient des sphères en bois de diverses couleurs. Celles-ci représentent les atomes des éléments. Dans le cadre de cet exercice, vous aurez besoin de trois couleurs : les noires pour le carbone, les sphères blanches pour l hydrogène et les rouges pour l oxygène. Schéma 1.2 : Deux formules du glucose (structure cyclique). 2. Construisez le modèle d une molécule de glucose. Pour vous faciliter la tâche, servez-vous de la formule développée qui se trouve à gauche dans le schéma 1.2. Lorsque vous aurez monté votre modèle, vérifiez sa validité auprès de votre enseignante ou enseignant. Avant de poursuivre, effectuez les modifications suggérées. 3. Évaluez la souplesse du modèle. Est-ce que la position du groupe hydroxyde (OH - ) à droite ou à gauche de la formule est significative? Notez vos commentaires. 4. Maintenant, essayez de donner à votre modèle la forme cyclique indiquée à droite dans le schéma 1.2. Considérez que le cycle est perpendiculaire à la page et assurez-vous que les hydrogènes (H + ) et les groupes hydroxyles (OH - ) sont placés correctement au-dessus et au-dessous du cycle. Modifiez le moins possible la position des atomes et des liaisons. Dans vos notes, indiquez les étapes que vous avez suivies pour opérer cette transformation. Notez, également, le nombre de fois que vous avez dû faire pivoter une partie de la molécule sans changer ni les liaisons ni les atomes de place. Comparez vos résultats avec ceux des autres élèves de la classe. Vérifiez votre modèle auprès de votre enseignante ou enseignant avant de poursuivre. Effectuez les modifications suggérées. 5. Évaluez la souplesse du modèle. Est-ce que la position du groupe hydroxyle (OH - ) au-dessus et au-dessous de la formule est significative? Notez vos commentaires. 9 Émission 1 : La cellule et l énergie

10 Discussion 1. La formule du glucose est la suivante : C 6 H 12 O 6. À quelles structures du schéma 1.2 s applique-t-elle? Écrivez la formule ainsi (c est-à-dire moléculaire et non développée) pour les disaccharides. Trouvez le sens d isomère et d isomérisation et expliquez pourquoi ils sont appropriés pour cette activité. 1. Le cellobiose et le maltose sont des disaccharides qui sont formés, le premier au cours de la digestion de la cellulose et le deuxième pendant la digestion de l amidon. Trouvez les structures de ces deux sucres et justifiez leur place dans cette activité. Les enzymes peuvent-elles distinguer ces disaccharides l un de l autre? 10 Émission 1 : La cellule et l énergie

11 Émission 2 : Glycolyse Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attente Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Contenus d apprentissages Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques. Expliquer les transformations d énergie et de matière associées au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs. SBI4U Processus métaboliques Attente Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. Appliquer les lois de la thermodynamique à l étude des transformations énergétiques qui s opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Comparer les transformations d énergie et de matière associées aux processus de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. 11 Émission 2 : Glycolyse 1

12 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : identifier le principal composé dans lequel les animaux emmagasinent l énergie; décrire les étapes au cours desquelles s effectue la première partie de la glycolyse; expliquer le changement subi par l énergie potentielle chimique qui accompagne les étapes préparatoires à la glycolyse; discuter le «couplage» des réactions consommatrices et libératrices d énergie; identifier le cytosol comme étant le siège de la glycolyse. Description de l émission L énergie qui pénètre dans une cellule sous la forme d un carburant hautement énergétique tel que le glucose doit, pour être utilisée avec efficacité, servir à synthétiser les molécules d ATP. Le processus débute par une série de réactions connues sous le nom collectif de glycolyse. Ces réactions ont dû évoluer dans des temps extrêmement reculés étant donné qu elles existent, sous une forme identique, chez tous les organismes vivants. La présente série consacre deux de ses émissions à l étude de la glycolyse. La première montre que de l énergie (ATP) doit être sacrifiée afin de pouvoir être extraite à un stade ultérieur. Elle explique également l importance de principes thermodynamiques en détaillant la progression des réactions. Au cours de la première partie de la glycolyse, le glucose à 6 carbones est décomposé en deux molécules de phosphoglycéraldéhyde (PGAL). Cette réaction exige que la molécule de glucose initiale reçoive de l énergie potentielle chimique fournie sous forme d ATP. Le glucose provient principalement de l hydrolyse du glycogène, un polysaccharide emmagasiné dans le foie et les muscles. Quittant le foie, le glucose est transporté par le système circulatoire vers les cellules cibles dans lesquelles il pénètre facilement en traversant leur membrane. Dès son arrivée dans le cytosol, le glucose est phosphorylé par l ATP sous l action d une enzyme. Son énergie potentielle est ainsi accrue : il acquiert également au même moment une charge négative qui l empêche de s échapper de la cellule. Le phosphate de glucose, isomérisé par une enzyme, devient du phosphate de fructose qui, en réagissant avec une deuxième molécule d ATP, acquiert un deuxième groupe phosphate. Le diphosphate de fructose est alors séparé en deux parties, en phosphate dihydroxyacétone (DHAP) et en phosphoglycéraldéhyde (PGAL). Le DHAP est rapidement transformé en isomère, pour devenir une deuxième molécule de PGAL. C est ainsi qu une seule molécule de glucose à 6 carbones crée deux molécules de PGAL à 3 carbones. Deux molécules d ATP ont été sacrifiées, mais les deux molécules de PGAL possèdent un potentiel énergétique plus élevé que la molécule de glucose initiale. 12 Émission 2 : Glycolyse 1

13 La réaction de l ATP avec le phosphate de fructose illustre un mécanisme important, le couplage des réactions. La transformation du phosphate de glucose en phosphate de fructose s accompagne d un faible apport d énergie libre. Le phosphate de fructose a tendance à reprendre spontanément la forme de phosphate de glucose. Cependant, tout le phosphate de fructose produit est phosphorylé en phosphate de glucose au cours de la réaction qui s accompagne d une perte considérable d énergie libre. Donc, la réaction qui transforme le phosphate de glucose en phosphate de fructose (en deux étapes) a pour résultat une perte nette d énergie libre, et s effectue spontanément. De nombreuses réactions biochimiques vont à l encontre des tendances thermodynamiques en étant coupées en deux réactions simultanées qui résultent en une importante perte d énergie libre. (Fréquemment l hydrolyse de l ATP). SCHÉMA 2.1 : La présente émission décrit les cinq premières étapes de la glycolyse. Au cours de ces étapes, de l énergie doit être ajoutée au système (endergonique). Avant le visionnement Les élèves devraient connaître les principes de base de la thermodynamique. Ceux-ci peuvent leur être expliqués à divers niveaux selon leurs besoins. Une discussion du premier principe de la thermodynamique pourrait être incluse. L étude des probabilités relatives des diverses distributions d énergie et de matière intervenant dans un système chimique (dérivée de la connaissance des probabilités portant sur les chiffres obtenus en jetant des dés) permettra facilement d en arriver à une compréhension qualitative, laquelle pourra être approfondie par l explication du deuxième principe de la thermodynamique. Avec certaines classes, aborder au besoin les effets chimiques du troisième principe de la thermodynamique (appelé généralement la loi calorimétrique de Nernst). 13 Émission 2 : Glycolyse 1

14 Après le visionnement Activité 1 : Modèle des réactions de la glycolyse Matériel Trousse de modèles moléculaires Remarque : Les chiffres mentionnés dans les instructions qui suivent ne sont pas indiqués dans l émission. Ils représentent le numéro des atomes de carbone porteurs de groupes phosphate ou devant être inclus dans un produit. Ces chiffres sont ceux qui apparaissent au schéma 1.2 (Émission 1) sur le glucose ou sur ses dérivés au cours d une réaction chimique. Marche à suivre Utilisez le modèle d une molécule de glucose (forme non-cyclique) construit au cours de l émission 1, activité 2 ou montez-en un autre en suivant les instructions données à cet effet. En utilisant un seul trou du modèle atomique orange pour représenter le phosphate, indiquez à l aide de modèles la transformation du glucose en glucose-6-phosphate (vous devez rejeter un atome d hydrogène pour accommoder le phosphate), du glucose-6-phosphate en fructose-6-phosphate (déplacez l oxygène doté d une double liaison de l atome de carbone n o 1 à l atome de carbone n o 2, sans toutefois supprimer aucun atome) et du fructose-6-phosphate au fructose-1,6-diphosphate. Discussion 1. La transformation du glucose-6-phosphate en fructose-6-phosphate est décrite comme étant une isomérisation. Quelle est la caractéristique qui permet de savoir qu une réaction est une isomérisation? 2. Vous rejetez un atome d hydrogène pour faire place au phosphate au cours de la phosphorylation du sucre. Les atomes d hydrogène ne peuvent pas flotter librement dans une solution. Expliquez le sort de l hydrogène que vous avez rejeté. 3. Diviser le fructose-1,6-phosphate en phosphodihydroxyacétone et en phosphoglycéraldéhyde oblige à supprimer une liaison carbone (entre les atomes de carbone 3 et 4 du fructose-1,6-phosphate). Il n y a ni gain ni perte de noyaux atomique; pourtant un ou plusieurs d entre eux pourraient changer de position. En tenant compte de ces renseignements, établissez la formule structurelle du phospho-dihydroxyacétone (à partir des atomes de carbone 1, 2 et 3 du fructose-1,6-phosphate) et du phosphoglycéraldéhyde (à partir des atomes de carbone 4, 5 et 6 du fructose-1,6-phosphate). 4. L enzyme qui transforme le phospho-dihydroxyacétone en phosphoglycéraldéhyde s appelle le «triose phosphate isomérase». justifiez ce nom. 14 Émission 2 : Glycolyse 1

15 Activité 2 : Mesure des quantités relatives d énergie libérées pour divers aliments Matériel diverses denrées alimentaires (noix, cubes de sucrose, guimauve, etc.) calorimètres aiguilles bouchons eau (à la température de la pièce) allumettes boîtes de Petri balances triangles d argile thermomètres Marche à suivre 1. Versez 10 ml d eau à la température de la pièce dans une éprouvette. Placez l éprouvette sur un calorimètre, comme indiqué dans le schéma Pesez et notez la masse de l aliment. 3. Notez la température de l eau dans l éprouvette. 4. Enfoncez une aiguille au centre d un bouchon et attachez-le à la partie supérieure de l aliment, comme indiqué dans le schéma. 5. À l aide d une allumette, faites brûler cet aliment et placez le calorimètre de façon à ce que la base de l éprouvette soit située directement au-dessus de la flamme. 6. Lorsque la flamme s est éteinte (environ 2 minutes de chauffage), notez la nouvelle température de l eau. 7. Pesez à nouveau le morceau de nourriture et notez sa masse. 8. Procédez de même pour tous les types d aliments. 9. Calculez les changements de température causés par un type de nourriture donné par unité de masse de la substance brûlée. 15 Émission 2 : Glycolyse 1

16 Discussion 1. Comparez chaque type de nourriture utilisé en fonction de son énergie par unité de masse. Quels types d aliments contiennent le plus d énergie par unité de masse? 2. Décrivez les principales sources d erreurs au cours de cette expérience. 3. Est-il possible de trouver la mesure totale de la chaleur libérée? (Indice : pensez à l énergie calorifique absorbée par l eau. 4. Existe-t-il un lien entre la structure moléculaire d un type d aliment et l énergie libérée? Expliquez. Schéma Émission 2 : Glycolyse 1

17 Émission 3 : Glycolyse Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attente Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Contenus d apprentissages Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques. Expliquer les transformations d énergie et de matière associées au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs. SBI4U Processus métaboliques Attente Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. Appliquer les lois de la thermodynamique à l étude des transformations énergétiques qui s opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Comparer les transformations d énergie et de matière associées aux processus de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. 17 Émission 3 : Glycolyse 2

18 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : indiquer les étapes de la transformation du phosphoglycéraldéhyde en acide pyruvique; justifier le gain net d ATP dégagé au cours de la glycolyse; expliquer les difficultés que rencontre une cellule lorsqu elle réduit la totalité de son supplément de NAD; décrire l importance de la fermentation anaérobique pour assurer une production continue d ATP, tant que cette dernière est nécessaire et que du glucose est disponible; justifier les différences de quantités et de types de produits résultant de la respiration cellulaire dans des conditions aérobiques et anaérobiques. Description de l émission Cette émission termine l étude de la glycolyse en décrivant la série de réactions qui, à partir du PGAL, aboutissent au produit final, le pyruvate. On y voit illustrée l utilisation de l énergie potentielle du PGAL pour synthétiser les molécules d ATP et réduire le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) pour former la molécule porteuse d énergie intermédiaire, le NADH. La somme de la production énergétique nette dérivée de la glycolyse démontre l inefficacité de cette étape de la respiration cellulaire. Ce mécanisme, qui comprend dix réactions, ne transfère pour produire de l ATP qu environ deux pour cent du potentiel énergétique chimique d une molécule de glucose. Dans l émission, on explique comment des organismes simples tels que la levure subviennent à leurs besoins énergétiques en faisant appel à la fermentation pour suppléer au rendement modeste de la glycolyse. La fermentation transforme le pyruvate en acétaldéhyde puis en éthanol et, ce faisant, crée une nouvelle molécule de NAD. Le NAD qui participe de nouveau au cycle de la glycolyse assure une nouvelle production d ATP. La fermentation illustre un phénomène important : les mécanismes de rétroaction. Bien que la glycolyse suffise à répondre aux besoins énergétiques des organismes simples, les plus évolués doivent puiser dans l énergie contenue dans les molécules de pyruvate et de NADH au moyen de réactions supplémentaires. L émission se termine en annonçant la prochaine étape de la respiration cellulaire, à savoir le cycle de Krebs, au cours duquel le pyruvate sert à fabriquer de nouvelles molécules d ATP. 18 Émission 3 : Glycolyse 2

19 Avant le visionnement Faire une revue de la notion d oxydation et de réduction pour que les élèves soient capables d identifier ces processus en surveillant le transfert des électrons et des atomes d hydrogène au cours de réactions chimiques organiques. Il est utile d établir une série de molécules mono-carbonées disposées en ordre décroissant d état de réduction, ou en ordre croissant d état d oxydation, en se basant sur le rapport hydrogène/oxygène. Dans cette série, doivent figurer des molécules de méthane, de méthanol, de formaldéhyde, d acide formique et de dioxyde de carbone. Les positions relatives des lipides, des hydrates de carbone, et de quelques acides aminés au cours de la réduction doivent être étudiées. Étant donné que les manuels donnent des noms différents aux intermédiaires de la respiration cellulaire, indiquer aux élèves que les acides peuvent être nommés soit en considérant qu ils ne sont pas ionisés (par exemple acide pyruvique), soit en fonction de leurs anions (par exemple pyruvate). Ce dernier nom représente la forme existante au ph physiologique, mais le premier permet de suivre plus facilement le sort des atomes d hydrogène et la formation d eau au cours des réactions biochimiques. Après le visionnement Activité 1 : Détecter les déchets produits par la fermentation (respiration anaérobique) Matériel sachets de levure (suffisants pour le nombre d élèves répartis en groupes de deux) solution de sucrose solution de bleu de bromothymol solution de Benedict erlenmeyers (125 ml) et bouchons à deux trous cylindres gradués (50 ml) tubes en verre en U (voir schéma 3.1) éprouvettes agitateurs (tiges en verre) crayons feutres pinces à éprouvette supports à éprouvette becs Bunsen anneaux supports universels toile métallique béchers pinces à bécher briquets lunettes de sécurité 19 Émission 3 : Glycolyse 2

20 Marche à suivre 1. Portez des lunettes de sécurité. 2. Versez 15 ml d eau tiède dans un erlenmeyer de 125 ml. 3. Ajoutez à l eau un sachet de levure et mélangez avec un agitateur. Ajoutez à ce mélange 50 ml de solution de sucrose et mélangez avec un agitateur. 4. Montez la trousse de chauffage : support universel, anneau, toile métallique et bec Bunsen. Préparez un bain chaud en chauffant 200 ml d eau dans un bécher jusqu à ébullition. 5. À une éprouvette étiquetée «A», ajoutez 5 gouttes de la solution de Benedict et 50 ml de la solution de sucrose. 6. À une éprouvette étiquetée «B», ajoutez 5 gouttes de la solution de Benedict et 5 ml de la solution de levure et sucrose préparée à l étape Chauffez les éprouvettes A et B pendant 5 minutes dans le bain d eau et notez tout changement. 8. Versez 50 ml de la solution de bromothymol dans un deuxième erlenmeyer. Insérez l extrémité courte du tube en U dans le bouchon à un trou et l autre dans le bouchon à deux trous. 9. Insérez le bouchon à un trou dans l erlenmeyer de levure et le bouchon à deux trous dans l erlenmeyer de bleu de bromothymol (voir Schéma 3.1). Au besoin, utilisez de la glycérine comme lubrifiant. Remarque : L extrémité la plus longue du tube en U doit se trouver au-dessous du niveau de la solution bleue de bromothymol. Si l extrémité du tube n est pas plongée dans la solution, demandez de l aide. N AJUSTEZ PAS vous-même la position du tube. 10. Placez ce montage dans un endroit chaud jusqu au lendemain. 11. Après 24 heures, remplacez l erlenmeyer de bleu de bromothymol par un autre contenant 50 ml d une nouvelle solution de bromothymol. Observez et notez. 12. Notez vos observations après 48 heures. Discussion 1. Discutez des raisons expliquant la présence ou l absence de tout changement dans : - les éprouvettes A et B après réchauffement - le bleu de bromothymol après 24 heures - le bleu de bromothymol après 48 heures 2. Comment diffèrent les déchets de la respiration anaérobique selon que celle-ci a lieu dans les cellules de la levure (fermentation) ou qu elle a lieu dans les cellules animales musculaires? 20 Émission 3 : Glycolyse 2

21 Schéma 3.1 : Montage pour détecter les déchets produits par la fermentation. Activité 2 : Biochimie anaérobique des premiers organismes Les organismes qui ont vu le jour au cours du premier milliard d années de l évolution de la vie sur Terre n utilisaient pas l oxygène atmosphérique comme source d énergie pour leurs activités. Leur métabolisme était alimenté seulement par l ATP produit par la glycolyse qui semble avoir été l un des tout premiers processus biochimiques qui aient existé. 1. Décrire aux élèves le type d organismes qui vivaient probablement à cette époque. Leur expliquer les diverses possibilités d existence en en précisant les limites. 2. Identifier et décrire les types d organismes qui ont survécu jusqu à nos jours en utilisant seulement les réactions glycolytiques pour produire l ATP dont ils ont besoin afin d assurer leurs activités métaboliques. Schéma 3.2 : Dans la deuxième partie du cycle de la glycolyse, l énergie qui se trouve en surplus est libérée (exergonique). 21 Émission 3 : Glycolyse 2

22 Émission 4 : Le cycle de Krebs Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attente Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Contenus d apprentissages Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques. Expliquer les transformations d énergie et de matière associées au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs. SBI4U Processus métaboliques Attente Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. Appliquer les lois de la thermodynamique à l étude des transformations énergétiques qui s opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Comparer les transformations d énergie et de matière associées aux processus de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. 22 Émission 4 : Le cycle de Krebs

23 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : comprendre que la vie préhistorique terrestre a été précédée par l apparition du cycle glycolytique et l accumulation de l oxygène atmosphérique; reconnaître que la glycolyse ne suffit pas aux besoins énergétiques des organismes vivants; décrire et comprendre les différentes étapes du cycle de Krebs (cycle de l acide citrique); identifier les produits résultant de ce cycle; indiquer les produits énergétiques ou les molécules porteuses d énergie issues de ce cycle; expliquer le sort des atomes de carbone du glucose. Description de l émission La survie dépend d une abondante réserve énergétique. La glycolyse, étant une source d énergie inefficace, ne permet pas l accumulation de réserves suffisantes. D autres étapes assurant la production d énergie sont donc nécessaires. Cette émission étudie la deuxième partie de la respiration cellulaire, le cycle de Krebs. Elle se penche sur le sort du pyruvate issu de la glycolyse alors que, à titre de substrat, il subit l action des enzymes de la mitochondrie pour générer l ATP et les porteurs d énergie intermédiaires. Le pyruvate est une molécule à 3 carbones. Sous l action de la décarboxylation oxydative au sein du cytosol, il est transformé en molécule d acétyle-coa, laquelle pénètre dans la mitochondrie. Une fois à l intérieur de la matrice mitochondriale, l acétyle-coa transfère son énergie au cycle de Krebs. L émission passe en revue les dix réactions du cycle de Krebs, mettant l accent sur la production des transporteurs d énergie. En révisant le cycle de Krebs, on voit que l énergie apportée par chaque molécule d acétyle-coa crée une molécule d ATP, une de FADH 2 et trois de NADH. Étant donné que chaque molécule de glucose se transforme par glycolyse en deux molécules d acétyle-coa, on considère que le cycle comporte deux tours. En résumant la glycolyse, on s aperçoit que la décarboxylation oxydative alliée au cycle de Krebs donne, à partir d une molécule de glucose, les produits énergétiques suivants : quatre molécules d ATP, dix molécules de NADH et deux molécules de FADH 2. Les atomes de carbone de la molécule de glucose ont été rejetés à titre de déchet sous la forme de six molécules de dioxyde de carbone. La plupart de l énergie du glucose a été transférée aux transporteurs d énergie intermédiaires, les molécules de NADH et FADH Émission 4 : Le cycle de Krebs

24 L émission se termine sur la dernière phase de la respiration cellulaire, la phosphorylation oxydative au cours de laquelle les transporteurs d énergie intermédiaires sont utilisés pour synthétiser de nombreuses molécules d ATP. Les étapes du cycle peuvent être résumées ainsi : 1. L acétyle-coa réagit avec l oxaloacétate pour former de l acide citrique. 2. L acide citrique perd une molécule d eau et se transforme en aconitate. 3. L aconitate produit de l eau et, après isomérisation, se transforme en isocitrate. 4. L isocitrate s unit au NAD + et forme de l oxalosuccinate et du NADH. 5. L oxalosuccinate perd une molécule de CO 2 et devient du cétoglutarate. 6. Le cétoglutarate réagit avec le CoA et forme du succinyl-coa ainsi qu une molécule de NADH. 7. Le succinyl-coa s unit à l ADP et à une molécule de phosphate pour libérer du CoA, une molécule d ATP, et du succinate. 8. Le succinate s unit à une molécule de FAD pour former une molécule de FADH 2, et du fumarate. 9. Le fumarate produit de l eau et devient du malate. 10. Le malate réagit avec le NAD +, se transforme en oxaloacétate et forme une molécule de NADH. L ensemble des substances énergétiques créées peut se résumer ainsi : Glycolyse 2ATP 2NADH Décarboxylation de pyruvate 2NADH Cycle de Krebs 2ATP 6NADH 2FADH 2 Total de l extraction énergétique 4ATP 10NADH 2FADH 2 Dans son ensemble, ce processus utilise environ 40 % de l énergie disponible contrairement à la glycolyse qui n en utilise, elle, que près de 2 %. Avant le visionnement Aider les élèves à approfondir les connaissances acquises en mettant l accent sur les points suivants. 1. La glycolyse est un processus extrêmement inefficace : son rendement ne représente que 2 % de l énergie disponible du glucose. La glycolyse à elle seule ne peut donc pas suffire à la demande énergétique des organismes vivants. 2. La formation du pyruvate est l aboutissement du chemin glycolytique; le même pyruvate marque le point de départ du cycle de Krebs. 24 Émission 4 : Le cycle de Krebs

25 Schéma 4.1 : Libération d énergie au cours du cycle de Krebs (On considère que ce cycle est effectué deux fois) Après le visionnement 1.Diviser la classe en deux groupes principaux. L un d entre eux, qui peut être réparti en sous-groupes chargés de conduire plusieurs types de recherches, doit indiquer par écrit les formules développées de tous les composés intermédiaires du cycle de Krebs, y compris les composés de transfert de haute énergie (NADH et FADH) ainsi que les autres produits, notamment le CO 2. L autre groupe doit construire, à partir des trousses de modèles atomiques, les intermédiaires en utilisant les codes de couleurs établis pour représenter les divers types d atomes. Les membres des deux groupes doivent se préparer en vue de présenter à la classe un compte rendu détaillé de leurs résultats. 2.Expliquer aux éleves : a. Pourquoi il est évident que la glycolyse ne produit pas assez d ATP pour fournir la quantité d énergie dont les organismes évolués ont besoin pour assurer leur survie. b. Pourquoi la glycolyse et le cycle de Krebs combinés ne produisent toujours pas suffisamment d énergie pour alimenter en carburant les organismes complexes. c. Ce qu on entend par «cycle» dans le cas du cycle de Krebs; quelle substance est produite à la fin du cycle et est utilisée au début du cycle suivant; pourquoi ce cycle doit être effectué deux fois avant que la respiration de chaque molécule de glucose ne soit complète. 25 Émission 4 : Le cycle de Krebs

26 Émission 5 : La phosphorylation oxydative Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attente Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Contenus d apprentissages Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques. Expliquer les transformations d énergie et de matière associées au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs. SBI4U Processus métaboliques Attente Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. Appliquer les lois de la thermodynamique à l étude des transformations énergétiques qui s opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Comparer les transformations d énergie et de matière associées aux processus de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. 26 Émission 5 : La phophorylation oxydative

27 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : indiquer comment la première et la deuxième étape de la respiration cellulaire conduisent à la phosphorylation oxydative; décrire le mécanisme des chaînes de transport des électrons; comprendre le rôle que joue l oxygène dans la capture des électrons situés sur les chaînes de transport des électrons; expliquer comment est créé le gradient énergétique à travers la membrane intermitochondriale et pourquoi ce gradient est important; suivre les étapes de la synthèse de l ATP du côté matrice de la membrane; résumer la production totale de l ATP, de NADH et de FADH 2 à partir d une seule molécule de glucose; indiquer combien de molécules d ATP sont générées à chaque étape. Description de l émission La première phase de la respiration cellulaire, la glycolyse, ne produit que deux molécules d ATP. La deuxième phase, le cycle de Krebs, ne produit que deux molécules d ATP supplémentaires. Cependant, la troisième phase, la phosphorylation oxydative produit une énorme quantité d énergie. Ce processus a lieu au sein de la membrane mitochondriale interne. Fixés à cette membrane se trouvent quatre complexes protéiques adjacents qui constituent la chaîne de transport des électrons. Trois de ces complexes agissent comme des pompes protoniques (H*). Leurs fonctions visent à retirer l énergie des électrons alors que ces derniers se déplacent deux par deux le long d un gradient énergétique. Ce processus s amorce au moment où le NADH abandonne deux électrons au profit du premier complexe. Deux ions d hydrogène sont transportés dans l espace intermembranaire et les deux électrons sont transférés au deuxième complexe puis retournent vers le côté matrice de la membrane. Deux autres ions d hydrogène arrivent au troisième complexe et sont transportés dans l espace intermembranaire. Deux électrons descendent jusqu au quatrième complexe et deux autres ions d hydrogène atteignent l espace intermembranaire. (Jusqu à maintenant, six ions d hydrogène ont traversé.) Finalement, un atome d oxygène capte deux électrons et des ions d hydrogène, et forme de l eau. (Le rôle premier de l oxygène est de capturer les électrons situés sur les chaînes de transfert des électrons.) 27 Émission 5 : La phophorylation oxydative

28 L autre transporteur d énergie généré par le cycle de Krebs, le FADH 2, entre dans la chaîne pour produire quatre ions d hydrogène supplémentaires qui sont transférés dans l espace intermembranaire. La concentration de H + étant plus élevée dans cet espace que du côté matrice, elle crée un gradient d énergie potentielle permettant de synthétiser l ATP. Des paires de protons (H + ) descendent le long de canaux spéciaux; ces protons activent une enzyme du côté matrice, laquelle catalyse la réaction d ADP avec un groupe phosphate afin de synthétiser de l ATP. En résumé, la glycolyse produit deux molécules d ATP plus quatre autres supplémentaires à l endroit de la chaîne de transport des électrons, soit au total six molécules d ATP. La décarboxylation oxydative et le cycle de Krebs génèrent deux molécules d ATP, huit de NADH et deux de FADH 2. Les huit transporteurs d énergie NADH produisent 24 molécules d ATP, et les deux FADH 2, quatre molécules d ATP supplémentaires. Résultat net : 36 molécules d ATP. Ceci représente environ 41% de l énergie disponible contenue dans une molécule de glucose. Avant le visionnement 1. Les élèves doivent réviser la structure de la mitochondrie et les définitions de certains termes : cytosol, espace intermembranaire, crêtes, matrice et chaîne de transport des électrons. Ils doivent revoir également les processus suivants : la diffusion, l osmose et le transport actif. 2. Réviser le cycle de Krebs pour déterminer où les transporteurs d énergie intermédiaires, le NADH et le FADH 2, sont captés. Après le visionnement Activité 1 : L énergie des hydrates de carbone 1 Le métabolisme catabolique du glucose peut s exprimer comme suit : C 6 H 12 O NAD + + 2FAD ADP + 36Pi + 14 H glucose 6CO ATP + 6H 2 O + 10 NADH + FADH 2 Il est à noter qu une seule molécule de glucose produit en fin de parcours 36 molécules d ATP. 1. Combien de molécules d ATP sont produites par une seule mole de glucose? (Rappelons qu une mole contient environ 6 X molécules.) 2. Chaque mole d ATP représente l extraction de 31 kj. Calculez l énergie totale disponible à partir de 36 molécules d ATP. 3. Une mole de glucose représente environ 2831 kj (cette valeur varie légèrement selon les manuels). En vous basant sur votre réponse à la question précédente, calculez le rendement net. 28 Émission 5 : La phophorylation oxydative

29 Schéma 5.1: Vue d ensemble de la respiration oxydative. 4. Calculez la masse moléculaire du glucose. (C 6 H 12 O 6 ) 5. Supposez qu une barre de friandises contienne 90 grammes de glucose pur. Théoriquement, combien de kilojoules d énergie pourrait-elle libérer? Théoriquement, combien de molécules d ATP pourrait-elle produire? Activité 2 : Morphologie de la mitochondrie 1.Consultez un texte qui contienne trois micrographes élargis de la mitochondrie. Étudiez les photographies d un tissu musculaire et d au moins deux autres sortes de tissus (par exemple : foie, pancréas, rein, appareil digestif, etc.) et faites-en des photocopies claires. 2.Discutez des différences et des similarités qui existent entre la mitochondrie et les différents tissus, et trouvez les rapports entre l apparence de chaque tissu et sa fonction. 3.Identifiez les membranes internes et externes, les crêtes et la matrice d une mitochondrie. 4.Où sont situées les protéines respiratoires? Quel est le sort des électrons à l extrémité de la chaîne de transport des électrons? Qu est-ce qui propulse les protons à travers la membrane interne et quel est leur sort ultime? Expliquez. 5.Pendant la fermentation (respiration anaérobique), quel est le sort des électrons générés par de la glycolyse du glucose? 29 Émission 5 : La phophorylation oxydative

30 Émission 6 : Métabolisme et nutrition Liens au programme-cadre de Sciences du ministère de l Éducation de l Ontario SBI3C Biologie cellulaire Attentes Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire. Évaluer l effet de facteurs environnementaux et de technologies sur les processus cellulaires et la santé. Contenus d apprentissages Décrire les fonctions des principales macromolécules telles que les glucides, les lipides et les protéines chez les organismes vivants. Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques. Évaluer l impact de facteurs environnementaux sur les processus cellulaires et la santé des organismes vivants. SBI4U Processus métaboliques Attentes Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires. Mettre en évidence les liens entre l avancement de la connaissance scientifique des processus métaboliques et les progrès technologiques, et reconnaître leur incidence sur la société et l environnement. Contenus d apprentissage Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie. Appliquer les lois de la thermodynamique à l étude des transformations énergétiques qui s opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire. Comparer les transformations d énergie et de matière associées aux processus de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. Différencier la respiration aérobie et la respiration anaérobie, y compris la fermentation, selon leur chaîne de réaction et les limitations qui leur sont associées. Évaluer l influence de la compréhension des processus métaboliques cellulaires et de la technologie connexe sur la vie quotidienne. 30 Émission 6 : Métabolisme et nutrition

31 Objectifs de l émission Après avoir visionné l émission et effectué les activités proposées, les élèves pourront : constater que la plupart de nos connaissances sur les cellules proviennent de la construction des modèles; prendre conscience de l énorme quantité d ATP générée chaque jour par le corps humain; comprendre le fonctionnement fondamental des muscles; décrire comment les cellules réagissent face à un manque d oxygène causé par des exercices violents; décrire comment un surplus d ATP peut être stocké sous forme de «graisse»; reconnaître que la complexité et le comportement collectif des cellules est en soi une réaffirmation de l élan vital. 31 Émission 6 : Métabolisme et nutrition

32 Description de l émission Les scientifiques construisent fréquemment des modèles pour expliquer les mécanismes complexes de la respiration cellulaire. Ces modèles, malheureusement, ne sont souvent que des diagrammes schématiques qui ne rendent pas justice au merveilleux pouvoir collectif des cellules. L organisme humain utilise et recycle près de 40 kg d ATP chaque jour. Pendant des périodes d activité physique intense, il peut utiliser jusqu à 500 g d ATP par minute. La totalité de l énergie nécessaire aux mouvements du corps est fournie par l ATP. Dans cette émission on examine le pouvoir d adaptation de la respiration cellulaire aux diverses conditions du corps humain. Cette émission débute par la représentation, à l aide d un modèle, du rôle de l ATP dans le cadre de la contraction musculaire. L ATP agit sur deux protéines contenues dans les cellules musculaires, l actine et la myosine. Au cours d exercices violents, le corps peut manquer temporairement d oxygène, le système circulatoire n étant pas suffisamment rapide pour subvenir à ses besoins. La faible présence d ATP générée par la glycolyse n est pas synthétisée en quantité suffisante pour pallier la pénurie d énergie. Cette émission décrit le processus d adaptation de la respiration cellulaire pour remédier à ce manque. Le pyruvate qui marque généralement le point de départ du cycle de Krebs suit un chemin différent lorsque l oxygène vient à manquer, chemin qui conduit à la synthèse de l acide lactique. Les étapes de ce processus assurent la continuité de la production d ATP. Mais, bien sûr, il y a un prix à payer : une sensation de brûlure dans les muscles causée par l accumulation de l acide lactique. Par contre, la consommation excessive de glucose peut entraîner un surplus d ATP qui déclenche une série d événements au cours desquels l acétyle-coa produit des acides gras qui sont stockés sous forme de graisse. Ce processus peut être renversé par le jeûne au cours duquel la graisse est métabolisée. Ceci s effectue au cours d étapes qui mènent soit au chemin glycolythique, soit directement au cycle de Krebs. Avant le visionnement 1. Rappeler aux élèves la structure générale des muscles ou leur demander de la réviser par eux-mêmes. Pouvoir identifier les couches protéiques d actine et de myosine et connaître le mécanisme de la contraction musculaire leur serait utile. 2. Réviser avec les élèves l émission 4, notamment la partie qui concerne la chaîne de transport des électrons. Revoir en particulier le rôle de l oxygène et du NAD + ainsi que le développement de cette dernière molécule. 32 Émission 6 : Métabolisme et nutrition