B2. Activités cellulaires - Respiration

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1 B2. Activités cellulaires - Respiration Les cellules des angiospermes, comme tout autre cellule, réalisent un grand nombre d activités cellulaires comme la synthèse de différentes molécules organiques. Toutes ces réactions biochimiques ont besoin d énergie. La molécule énergétique utilisée par les cellules est l ATP. Grâce à elle, les cellules peuvent avoir une activité biochimique variée. Le recyclage d ATP se fait par un mécanisme cellulaire particulier : la respiration cellulaire. Les plantes, aux contraires des animaux, produisent directement le sucre nécessaire à la respiration cellulaire lors d une autre activité cellulaire : la photosynthèse. B2.a ADENOSINE TRIPHOSPHATE (ATP) i. L ATP est la molécule énergétique des cellules è Analyser des documents Doc 1 Amidon et glycogène L amidon et le glycogène sont des polymères du glucose et constituent les réserves glucidiques des cellules (amidon chez les cellules végétales, glycogène chez les cellules animale et mycètes). La synthèse d amidon à partir de glucose nécessite une enzyme spécifique l amylosynthase que l on peut extraire des tubercules (pommes de terre). Doc 2 Synthèse d amidon Tube 1 : 2 ml de glucose + 1 ml d amylosynthase + 1mL d eau distilée Tube 2 : 2 ml de glucose + 1mL d ions phosphate + 1mL d amylosynthase Tube 3 : 2mL de glucose 1-P + 1mL d amylosynthase + 1mL d eau distilée Le contrôle de la présence d amidon se fait par prélévement de solution après 3, 5 et 10 minutes et en testant les prélèvements à l eau iodée. Le gucose 1-P est une molécule de glucose à laquelles a été transféré un groupe phosphate sur le carbone 1. 1) Que peut-on conclure sur la réaction de polymérisation de l amidon? 5

2 L adénosine triphosphate, ou ATP, est un nucléoside triphosphate formant un nucléotide qui, dans la biochimie de tous les êtres vivants connus, fournit l'énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme, à la locomotion, à la division cellulaire, ou encore au transport actif d'espèces chimiques à travers les membranes biologiques. 2) Comment démontrer qu une activité cellulaire a besoin d ATP? Afin de libérer de l énergie, la molécule d'atp est clivée, par hydrolyse, en adénosine diphosphate (ADP) et en phosphate, réaction qui s'accompagne d'une grande libération d énergie. Cette énergie est alors utilisée pour réaliser une autre réaction biochimique. ii. Régénération de l ATP Les cellules régénèrent ensuite l'atp à partir de l'adp notament par la respiration cellulaire. Cette activité de recyclage est essentielle. En effet, le corps humain, par exemple, ne contient à chaque instant qu'environ 250 g d'atp mais consomme et régénère chaque jour de l'ordre de son propre poids en ATP. 6

3 SVT - TS B2.b LA RESPIRATION CELLULAIRE i. Les cellules respirent è Analyser des documents Doc 3 Evolution du taux de O2 et CO2 Les levures sont des unicellulaires nonchlorophylliens qui appartiennent au groupe des mycètes. Elles vivent grâce aux échanges effectués avec le milieu dans lequel elles vivent. Dans l expérience ci-contre, on cultive les levures pendant 24h dans un milieu minéral, oxygéné par un bulleur. Le dispositif est composé d une sonde mesurant le dioxygène et le dioxyde de carbone dans le milieu. Il est aussi possible d ajouter une solution de glucose dans le milieu à tout moment. Les résultats de l expérience sont présentés dans le graphique ci-contre. Le milieu est agité en permanence mais l enceinte contenant la suspension de levure est fermée. Il n y a donc aucun échange avec le milieu. Après 1 min 45s de mesure, on injecte 0.2mL de glucose à 20% dans le milieu. 3) D après les documents ci-dessous, quelles traces d une activité cellulaire peut-on relever? De quoi dépend-elle? 4) Sachant que cette réaction apporte de l énergie à la cellule et que l on observe aussi une production d eau, schématiser cette réaction. Doc 4 Evolution du taux de O2 et CO2 dans les cellules végétales Lors de la photosynthèse, la cellule végétale absorbe du CO2 et rejette de l O2. La même expérience est réalisée sur des unicellulaires chlorophylliens. De t=5 min à t=15min, l expérience est réalisée à l obscurité. 5) Pourquoi est-il important de modifier le dispositif expérimental pour observer une respiration cellulaire? 6) Les cellules végétales présentent-elles le même type de réaction que les levures étudiées dans le document 1? 7

4 ii. La respiration cellulaire a lieu dans les mitochondries La RESPIRATION CELLULAIRE est une réaction intracellulaire d oxydation ayant pour but de fournir de l énergie à la cellule. Elle a lieu dans les MITOCHONDRIES. On observe des mitochondries dans toutes les cellules eucaryotes. Les mitochondries sont des organites en forme de bâtonnets allongés, longs de 1 à 2 µm. Le compartiment interne d une mitochondrie, la MATRICE, est formé d un gel contenant divers éléments comme de l ADN, des ribosomes et de nombreuses substances dissoutes. Les mitochondries possèdent deux membranes. La membrane externe est une enveloppe simple alors que la membrane interne est une structure complexe avec de nombreux replis, les CRETES MITOCHONDRIALES. Elle est aussi bien plus riche en protéine (80%) que la membrane externe (50%). 7) 8) 9) Qu est-ce que la théorie endosymbiotique? D après le texte ci-dessus, quelles observations sont en faveur de cette théorie? En quoi les nombreux replis de la membrane interne peuvent être important? 10) Quelles observations appuient l hypothèse que la membrane interne est le siège d une réaction importante? 11) La mitochondrie peut-elle être candidate comme lieu de la respiration? Quel type d expérience proposer pour démontrer cette hypothèse? 8

5 è Analyser des documents Doc 5 Evolution du taux de O 2 et CO 2 d une solution de mitochondries Pour observer des mitochondries, il faut les isoler. Pour cela, on utilise des cellules particulièrement riches en mitochondries, les cellules du foie. Après avoir été broyées, les cellules subissent une centrifugation à grande vitesse permettant de récupérer les organites. Une solution de mitochondries est placée dans les mêmes conditions que le doc 1. A t = 1 min 20 s, on injecte une solution de glucose. A t = 3 min 10 s, on injecte une solution de pyruvate, la forme ionique de l acide pyruvique. Doc 6 Transformation du glucose en deux molécules d acide pyruvique Cette réaction, appelée glycolyse, consiste en l oxydation du glucose en acide pyruvique grâce à la réduction d un composé. 12) Que peut-on conclure de l expérience du doc 3? 9

6 iii. Etapes de la respiration cellulaire 1. Glycolyse dans le cytosol (hyaloplasme) Dans le cytosol, la molécule de glucose est progressivement convertie en deux molécules d acide pyruvique (GLYCOLYSE). Ceci est du à : - l oxydation du glucose en acide pyruvique grâce à la réduction d un composé (noté R ). - L énergie libérée par cette réaction permet la synthèse de 2 ATP. 2. Cycle de Krebs dans la matrice des mitochondries Dans la matrice des mitochondries, l acide pyruvique en entièrement dégradé durant une succession complexe de réactions chimiques : le CYCLE DE KREBS. Les réactions du cycle de Krebs produisent du CO2 et des composés sous forme réduite (noté R H2). La réaction permet de produire deux nouvelles molécules d ATP. 3. Chaine respiratoire dans les crêtes mitochondriales Un ensemble complexe de molécules intégrées dans la membrane interne forme la CHAINE RESPIRATOIRE. Grâce à une chaine de transporteurs d électrons, les composés réduits, R H2, sont réoxydés. En fin de chaine, les électrons sont transférés au dioxygène pour former de l eau. L énergie produite par ces oxydations successives permet de produire 32 molécules d ATP. 13) En quoi peut-on dire que les différentes étapes de la respiration cellulaire sont dépendantes les unes des autres? 10

7 Bilan de la respiration cellulaire De l ATP est produit au cours de chacune des trois grandes étapes de la respiration. Cependant, ce sont les réactions d oxydation des transporteurs réduits R H2 réalisées par la chaîne respiratoire qui produisent la plus grande quantité d ATP. Le glucose est totalement dégradé car la totalité du C qu il contenait est rejetée sous forme minérale (CO2). Les différentes étapes de la respiration cellulaire sont dépendantes les unes des autres. L étape de la glycolyse est un préalable à la réalisation du cycle de Krebs. En effet, le glucose est le métabolite le plus abondant disponible pour la cellule mais il ne pénètre pas dans la mitochondrie : il doit au préalable être transformé en acide pyruvique qui peut entrer dans la mitochondrie et «alimenter» le cycle de Krebs. Le cycle de Krebs (et dans une moindre mesure la glycolyse) produisent de grandes quantités de transporteurs réduits R H2. La chaîne respiratoire régénère les transporteurs d H à l état oxydé, ce qui permet l entretien du cycle de Krebs et de la glycolyse. 11

8 B2.c Fermentation è Analyser des documents Doc 7 Mise en évidence de la fermation alcoolique Des levures sont mises en culture dans un milieu glucosé. Le flacon, complètement rempli, ne permet pas un renouvellement d O 2. L autre extrémité du tube de dégagement qui bouche le flacon est plongée dans de l eau. Un renouvellement d oxygène est impossible. Très rapidement l O 2 présent dans le flacon est épuisé. Pourtant les levures survivent. Des bulles continuent à être produites à la sortie du tube de dégagement. Si l on place de l eau de chaux à la sortie du tube de dégagement, celle-ci démontre la présence de CO 2. Si l on remplace un alcootest à la place du tube de dégagement, l alcootest est positif. Doc 8 Concentration d alcool en absence d O 2 En utilisant un montage similaire à celui du document 7, différentes mesures sont effectuées durant plus de 5 minutes (O 2, CO 2, alcool). Avant de démarrer la mesure, 0.2 ml de glucose à 200g/L sont introduits dans la solution. 14) Dans les expériences ci-dessus, y a-t-il production d ATP? Pourquoi? 15) Dans les expériences ci-dessus, y a-t-il respiration? Pourquoi? 16) Proposer le type de réaction (réactifs, produits) qui se déroule dans les expériences ci-dessus. 12

9 En milieu anaérobie, les levures sont capables d utiliser une deuxième voie métabolique pour créer de l ATP : la FERMENTATION alcoolique. Les réactions de la fermentation alcoolique se déroulent dans le cytoplasme des levures. Au contraire de la respiration, elle ne nécessite pas d organites spécialisés mais uniquement des enzymes spécialisées. Par fermentation, la dégradation du métabolite organique (glucose)est incomplète. La réaction produit un métabolite secondaire, l alcool. La fermentation a donc un rendement énergétique moins élevé que la respiration. Des bactéries lactiques sont capables, commes les cellules musculaires, de réaliser un autre type de fermentation, la fermentation lactique. Dans ce cas, la dégradation du glucose produit de l acide lactique. La fermentation est largement utilisée pour produire des aliments comme le fromage, le yaourt, le pain et l alcool. i. Comparaison entre la respiration et la fermentation Respiration Fermentation Alcoolique Lactique Réactifs Déchets métaboliques Lieu de production des composés réduits NADH Lieu d oxydation des composés réduits NADH Molécules d ATP pour une molécule de glucose 13

10 B2. Activités cellulaires - Respiration - Récapitulation 14

11 S exercer au BAC LIban - mai 2013 II.b spé 5pts Métabolisme musculaire et entraînement des sportifs Un entraînement de longue durée (course pendant 21 semaines à raison de 5 séances par semaine) peut être à l origine, chez les sportifs, d une modification du métabolisme des cellules musculaires. Question : À partir de l exploitation des documents et de l utilisation des connaissances, montrez que le métabolisme musculaire est modifié par l entraînement puis, expliquez en quoi ces modifications permettent des contractions musculaires plus intenses et de plus longue durée. Document 1 Quantité de mitochondries dans les cellules musculaires Les mitochondries sont des organites présents dans les cellules musculaires. Elles permettent la synthèse d ATP par oxydation des métabolites. Un entraînement de 21 semaines à raison de 5 séances par semaine permet d observer dans les cellules musculaires : une augmentation du nombre de mitochondries de 120 % ; une augmentation de 14 à 40 % de la taille des mitochondries. D après jap.physiology.org Document 2 Entraînement et activité enzymatique Des mesures de l activité des enzymes du cycle de Krebs sont réalisées à partir d extraits de muscles prélevés chez différents sportifs avant et après entraînement. D après physiperf.blogpost.fr 15

12 Document 3 Entraînement et réserves de métabolites Le glycogène est une forme de stockage du glucose. Le tableau ci-dessous présente les réserves en glycogène musculaire chez une personne non entraînée et chez une personne entraînée. Réserves en glycogène musculaire Personne non entraînée Personne entraînée 13 à 15 g/kg de muscle 15,5 à 17,5 g/kg de muscle D après jap.physiology.org Document 4 Entraînement et conditions de production d acide lactique D autres processus permettent la synthèse d ATP dans les fibres musculaires comme par exemple la fermentation lactique. Cette fermentation génère la synthèse de lactates qui s accumulent dans les fibres musculaires et le sang. Ces lactates pourraient être à l origine d une fatigue musculaire. Variation de la quantité de lactate en fonction de la vitesse de course chez un individu entraîné et chez un individu non entraîné D après 16

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