Thème 1 : ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE (ON SE LIMITE AUX CELLULES EUCARYOTES)

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1 Thème 1 : ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE (ON SE LIMITE AUX CELLULES EUCARYOTES) Notions Activités, supports Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. 1. La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse. La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matières (ou molécules) organiques à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Le chloroplaste est l'organite clé de cette fonction La fabrication des molécules organiques nécessite des échanges gazeux particuliers. Le CO2 est la source de carbone des molécules organiques : il est donc consommé. La molécule d eau intervenant dans ces réactions de synthèse, est scindée et donne le dioxygène qui est donc rejeté. - Les 1 ère molécules organiques fabriquées sont des glucides comme le glucose (C6H12O6) qui peut être temporairement stocké sous forme d amidon - Equation bilan de la photosynthèse : Energie lumineuse 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Le chloroplaste est un organite spécialisé, compartimenté par un système de membranes - Une membrane externe et une membrane interne constitue son enveloppe - Des sacs empilés : les thylacoïdes, de couleur verte, forment des grana - L intérieur du chloroplaste est un gel hydraté : le stroma La photosynthèse est un ensemble de réactions d oxydo-réduction catalysées par des enzymes, qui se déroule en 2 phases, à l intérieur du chloroplaste. La phase photochimique produit des composés réduits RH2 (Coenzymes réduits) et de l ATP (Adénosine Tri Phosphate). Elle a lieu au niveau des thylacoïdes qui contiennent les pigments chlorophylliens capables de capter la lumière. La lumière permet l oxydation de l eau en dioxygène et la production des protons H+ et électrons.

2 (photolyse de l eau). - Les pigments chlorophylliens n absorbent que certaines radiations lumineuses : c est le spectre d absorption photosynthétique - Les radiations absorbées sont celles utilisées dans les réactions : c est le spectre d action photosynthétique. - Sous l action des photons, des électrons sont arrachés à la chlorophylle a (oxydation) et sont engagés dans une série d oxydo-réductions jusqu à un accepteur final R qui accepte aussi les protons et se réduit en RH2; - Les électrons libérés par la photolyse de l eau permettent la régénération de la chlorophylle a - Ces réactions sont couplées à la synthèse d ATP par fixation d un phosphate inorganique Pi sur une molécule d ADP (Adénosine Di-Phosphate) La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique : RH2 et ATP. Elle se réalise dans le stroma des chloroplastes et ses réactions forment le cycle de Calvin. Le CO2n intervient que dans cette phase et permet la synthèse de glucides. - Le CO2 se fixe sur le rubi-p (C5P2) et forme 2 molécules de Phosphoglycérate (PGA). - Le PGA est ensuite réduit en trioses phosphates (C3P), grâce à l oxydation du RH2 et la consommation d ATP. - Une partie des trioses phosphates sert à la régénération de l accepteur initial C5P2. L autre partie sert de point de départ pour la fabrication de glucides (glucose, saccharose, amidon etc). 2. Les cellules eucaryotes oxydent le glucose pour produire de l ATP grâce à la respiration et à la fermentation. La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent. A l'aide de dioxygène, les cellules oxydent complètement la matière organique en matière minérale : CO2 et H2O. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. Au cours de ces 2 mécanismes, l oxydation du glucose, ensemble de réactions catalysées par des enzymes, commence par la glycolyse.

3 la glycolyse est la première phase d oxydation du glucose. Elle se déroule dans le hyaloplasme et ne nécessite pas d O2. - Elle consiste à former 2 molécules en C3 (acide pyruvique ou pyruvate) à partir d une molécule en C6 (glucose). - Elle est couplée à la production de composés réduits R H2 et à la synthèse de 2 ATP par molécule de glucose oxydée. - Le stock intracellulaire de R H2 étant limité, R doit être régénéré en permanence faute de quoi la glycolyse est bloquée et la synthèse d ATP cesse. La régénération des R H2 peut se faire par respiration mitochondriale - La deuxième étape faisant suite à la glycolyse, se déroule dans la matrice des mitochondries et constitue le cycle de Krebs. L acide pyruvique subit une série de décarboxylations et de déshydrogénations. Ces réactions sont couplées à la production de composés réduits R H2 et à 2 ATP. Elles aboutissent à la libération de CO2 et de protons H+ - La dernière étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation de tous les composés réduits RH2 ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent d une importante production d'atp qui permet les activités cellulaires. La régénération des R H2 peut se faire par fermentation - En cas d absence d O2, une oxydation incomplète des métabolites est possible. Elle produit un résidu organique (reste du métabolite non totalement oxydé) : de l éthanol lors de la fermentation alcoolique. De l acide lactique dans la fermentation lactique - Ces réactions ne permettent pas la formation d ATP mais interviennent dans la réoxydation des R H2 L'utilisation fermentaire d'une molécule de glucose produit beaucoup moins d'atp que lors de la

4 respiration. - Au final, dans le cas d une molécule de glucose, la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan des transformations : C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2 O 6 CO H2O 36 ADP + 36 Pi 36 ATP - Dans le cas de l oxydation incomplète du glucose, la formation d ATP résulte de la seule glycolyse : Fermentation alcoolique : Ethanol C6H12O62 2 C2H6O + 2 CO2 2 ADP + 2 Pi 2 ATP Fermentation lactique : C6H12O62 Acide lactique 2 C3H6O3 2 ADP + 2 Pi 2 ATP - L ATP est formé par phosphorylation de molécules d ADP qui sont ainsi chargées en énergie. 3. Un exemple d utilisation de l ATP L ATP est un composé intermédiaire du métabolisme qui représente une forme d énergie chimique utilisable par la cellule. L ATP peut libérer son groupe phosphoryle par hydrolyse en restituant une quantité d énergie déterminée ATP + H2O ADP + Pi + Energie L'hydrolyse de l'atp fournit l'énergie nécessaire aux glissements de protéines les unes sur les autres qui

5 constituent le mécanisme moléculaire à la base de la contraction musculaire. La fibre musculaire, cellule différenciée, est caractérisée par l abondance de myofibrilles constituées de structures unitaires, les sarcomères. Lors de la contraction, le raccourcissement de tous les sarcomères entraîne la diminution de longueur de la fibre. - Un sarcomère comporte deux sortes de myofilaments constitués de protéines : l actine et la myosine. - Le raccourcissement du sarcomère est dû au glissement relatif des myofilaments. L énergie libérée par l hydrolyse de l ATP permet le changement de conformation de la myosine (pivotement des têtes) à l origine du glissement de la myosine par rapport à l actine - L hydrolyse de l ATP est catalysée par les têtes de myosine qui se comportent comme des mécanoenzymes à activité ATPasique. - La fixation de l ATP sur une tête de myosine provoque la dissociation du complexe actine-myosine suivie d une nouvelle hydrolyse et d un nouvelle fixation et pivotement de la tête de myosine. - Chaque tête de myosine s attache et se détache plusieurs fois pendant la contraction pour produire une tension et tirer le filament d actine vers le centre du sarcomère. Les réserves intracellulaires d ATP étant très faibles, la fibre musculaire utilise l'atp fourni, selon l intensité et la durée de l effort, par la fermentation lactique ou la respiration. Le glucose est soit prélevé dans le sang, soit issu de la mobilisation de réserves cytoplasmiques de glycogène. Des les premières secondes d effort, la fermentation lactique fournit l ATP, ce qui permet des efforts brefs et intenses - l accumulation dans le sang de l acide lactique est responsable de la fatigue musculaire. - Le faible rendement de la fermentation lactique (2 ATP) ne permet pas de poursuivre un effort à long terme. Après un délai de quelques secondes, le système cardio-vasculaire s est adapté et assure un apport en dioxygène accru, indispensable à l oxydation du glucose par respiration. Cette voie métabolique est à l origine des contractions de longue durée. - Le fort rendement de la respiration (36 ATP) permet des contraction soutenues. - Cette voie de production d ATP est limitée par l approvisionnement en dioxygène, lui-même soumis

6 aux capacités des appareils respiratoire et circulatoire. [Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.] L'ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules. L association entre hydrolyse de l ATP, qui libère de l énergie, et le mouvement, qui en consomme, constitue un couplage énergétique qui implique la transformation d énergie chimique (ATP) en énergie mécanique (mouvement) A l inverse, la synthèse d ATP nécessitant de l énergie est couplée à des réactions libérant de l énergie comme la respiration ou la fermentation.

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