CHAPITRE II /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La RESPIRATION CELLULAIRE.

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1 CHAPITRE II /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La RESPIRATION CELLULAIRE. Problématiques : Qu est-ce que la respiration cellulaire? Etapes et mécanismes de cette respiration. L énergie disponible dans une cellule. ACTIVITE 1 : LES CELLULES RESPIRENT : A p TP Etude expérimentale de la respiration chez un champignon ascomycète (donc non chlorophyllien) : la levure. Méthode : on mesure l évolution des concentrations en O2 et CO2 dans une suspension de levures après injection de glucose dans la culture. Pour cela, on utilise un dispositif EXAO. Résultats : sous forme de graphique : O2 CO2 Tps (min) Injection de glucose Conclusion : Utilisez le dispositif expérimental pour mettre en évidence les échanges gazeux caractéristiques de la respiration. Démontrez qu'il existe une relation entre ces échanges et la mise à disposition d'un métabolite organique. B p. 35 TP Etude expérimentale de la respiration chez un végétal chlorophyllien : Dispositif EXAO : Méthode : On procède de façon similaire en tenant compte d un facteur supplémentaire : la lumière. L évolution des concentrations en O2 et CO2 est mesurée à t constante (20 C) en alternant lumière et obscurité. On utilise ici encore un dispositif EXAO. Résultats : sous forme de graphique :

2 Montrez que les cellules chlorophylliennes respirent également. En admettant que les cellules chlorophylliennes respirent aussi bien à la lumière qu'à l'obscurité, proposez une interprétation des mesures faites à la lumière en vous appuyant sur vos connaissances concernant les échanges gazeux liés à la photosynthèse. ACTIVITE 2 : LES MITONCHONDRIES : L organisme a besoin d énergie pour fonctionner. Cette énergie est utilisée directement dans la cellule sous forme d ATP. Mais comment nos cellules produisent-elles de l ATP à partir du glucose issu des nutriments? C6H O2 -> 6H2O + 6CO2 ADP -> ATP Il existe dans la cellule des organites responsables de cette production d ATP : les mitochondries. Les mitochondries sont très nombreuses au sein des cellules musculaires ou dans les structures flagellées ou ciliées (spermatozoïdes. Proto. Ciliés ou flagellés). COURS : Chez la plupart des cellules eucaryotes, l'énergie nécessaire aux activités cellulaires est fournie par la respiration. Celle-ci se manifeste par des échanges gazeux qui résultent de processus complexes se déroulant dans la cellule. Elle permet de produire de l'atp, molécule jouant un rôle clé dans les transferts énergétiques cellulaires. Des études expérimentales par EXAO mettent facilement en évidence les échanges gazeux liés à la respiration d'une suspension cellulaire, de levures par exemple : les cellules consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone, à condition toutefois que du glucose soit présent dans le milieu. En effet, la respiration consiste en une oxydation totale de molécules organiques, glucose par exemple. Le bilan des transformations chimiques de la respiration cellulaire s'écrit : C6H12O6 + 6O2 => 6 CO2 + 6 H20 Remarquons que les produits formés, CO2 et H20, sont exclusivement minéraux. La plupart des cellules eucaryotes respirent, y compris les cellules chlorophylliennes. Ceci peut facilement être mis en évidence lorsque les cellules chlorophylliennes sont à l'obscurité. À la lumière, les cellules chlorophylliennes respirent également, mais les échanges gazeux de la respiration sont masqués par ceux de la photosynthèse, qui sont souvent quantitativement plus importants. Ainsi, à la lumière. On mesure en fait le bilan des échanges gazeux de la photosynthèse et de la respiration. C'est ce qu'on appelle la photosynthèse nette. La photosynthèse brute (ou réelle) s'obtient en ajoutant, en valeur absolue, les échanges gazeux de la photosynthèse nette et ceux de la respiration.

3 Mise en évidence du rôle des mitochondries. (Bordas p. 37) Différentes études et observations suggèrent que la respiration se déroule dans les mitochondries mais qu'une première étape se produit dans le cytoplasme, en dehors des mitochondries. Cette première étape consisterait en une scission (et une déshydrogénation) du glucose (C6H12O6) en deux molécules d'acide pyruvique (C3H4O3). Pour éprouver cette hypothèse, on prépare un extrait contenant des mitochondries isolées et on mesure les concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone de cette suspension. Remarque : Le pyruvate est la forme ionique de l'acide pyruvique. Les mitochondries sont isolées de cellules par broyage puis centrifugation : On injecte du glucose (C6H1206) puis du pyruvate (C3H4O3) dans une suspension de mitochondries dont on mesure les concentrations en CO2 et O2. On obtient le résultat suivant : Pourquoi ne se passe-t-il rien après l injection de glucose? Le glucose est-il le premier métabolite utilisé par la mitochondrie? Quel est le rôle du pyruvate? Quel lien existe-t-il alors entre glucose et pyruvate? Dans quelle partie de la cellule ce rapport se manifeste-t-il? Quel est le rôle de la mitochondrie? ACTIVITE 3 : LA RESPIRATION CELLULAIRE : A- Du glucose au pyruvate : la glycolyse : Prérequis : revoir la molécule d ATP. C est dans le hyaloplasme (Substance du cytoplasme formée d'une masse gélatineuse transparente et homogène) qu a lieu la transformation du glucose en pyruvate : elle se manifeste par : - la transformation de R en R H2 (R = composé biochimique) - la synthèse de deux molécules d ATP à partir de deux ADP et deux Pi. Glucose : C6H12O6 Oxydation 2 C3H4O3 : pyruvate Réduction 2R R H2 2ADP + 2Pi synthèse 2ATP

4 COURS : Une première étape dans le hyaloplasme :la glycolyse Des études expérimentales ont démontré que les mitochondries ne consomment pas directement le glucose. Une étape préalable se déroule dans le cytoplasme, en dehors des mitochondries : une molécule de glucose (C6H12O6) est oxydée en deux molécules d'acide pyruvique (C3H4O3). Des atomes d'hydrogène du glucose sont pris en charge par des composés notés R (chimiquement proches des composés R intervenant dans la photosynthèse) qui sont alors réduits en R'H2. Le bilan de cette transformation, nommée glycolyse, s'écrit donc ainsi : C6H12O6 + 2 R' => 2 C3H4O3 + 2 R'H2 Les réactions de la glycolyse libèrent de l'énergie qui permet de produire deux molécules d'atp pour une molécule de glucose oxydée. B- Que se passe-t-il dans la mitochondrie? Le cycle de Krebs : Après la glycolyse, l acide pyruvique est incorporé à la mitochondrie puis dégradé au cours d un cycle de réactions biochimiques : le cycle de Krebs. COURS : Le cycle de Krebs, dans la matrice des mitochondries : Dans la matrice mitochondriale, l'acide pyruvique, fixé au départ sur un accepteur, subit une série de réactions qui régénèrent l'accepteur initial, constituant ainsi un cycle appelé cycle de Krebs. Au cours de ces réactions, l'acide pyruvique est totalement dégradé en hydrogène d'une part, les atomes d'hydrogène étant alors pris en charge par de transporteurs R', en CO2 d'autre part. C'est là l'origine du dioxyde de carbone rejeté par la respiration. Pour deux molécules d'acide pyruvique (donc pour une molécule de glucose), il se forme ainsi 6 molécules de CO2 et 10 R'H2. Ces réactions libèrent de l'énergie permettant de produire deux molécules d'atp. L'observation au microscope électronique à fort grossissement (voir plus haut) montre qu'une mitochondrie possède deux membranes. Alors que la membrane externe est une simple enveloppe, la membrane interne présente une structure complexe avec de très nombreux replis, appelés crêtes mitochondriales. La surface en contact avec la matrice est ainsi démultipliée. En outre, la membrane interne est très riche en protéines (80 % de ses constituants, contre 50 % pour la membrane externe). La chaîne respiratoire : Un ensemble complexe de molécules enchâssées dans la membrane interne constitue la chaîne respiratoire :

5 Ces molécules assurent une ré-oxydation des composés réduits R'H2 produits par la glycolyse (2R H2) et le cycle de Krebs (10R H2). Chaque transporteur de la chaîne accepte les électrons du transporteur précédent et les transmet au suivant. Finalement, en bout de chaîne, c'est le dioxygène qui accepte électrons et protons pour former de l'eau. L'énergie libérée par ces oxydations successives permet de produire 32 molécules d'atp à partir de 12 R'H2. MODELE 3D DE LA CHAINE RESPIRATOIRE. (Alhoff & al. 2011). Montrez que les différentes étapes de la respiration cellulaire sont dépendantes les unes des autres Précisez l'origine du dioxyde de carbone rejeté et le rôle du dioxygène absorbé au cours de la respiration. Comparez la production d'atp au cours des principales étapes de la respiration. Établissez le bilan global de ces réactions. Pourquoi dit-on que la respiration est une dégradation complète d'un métabolite organique? COURS : Les mitochondries sont les organites de la respiration Les mitochondries sont de petits organites (1 µm de longueur environ) présents par dizaines ou centaines dans le cytoplasme des cellules eucaryotes, y compris dans les cellules végétales. Leur nombre est particulièrement important dans les cellules qui ont besoin de beaucoup d'énergie comme les fibres musculaires ou les spermatozoïdes. Par exemple. Au microscope électronique, on peut observer qu'une mitochondrie est limitée par une double membrane, la membrane interne formant de nombreux replis appelés crêtes mitochondriales Cette structure augmente la surface de contact entre la membrane interne et le milieu intérieur de la mitochondrie appelé matrice. L'oxydation des composés réduits au niveau des crêtes mitochondriales et la production d ATP: La membrane interne des mitochondries, repliée en crêtes est riche en molécules qui constituent ce qu'on appelle la chaîne respiratoire mitochondriale. Il s'agit de diverses molécules enchâssées dans la membrane de la mitochondrie. En bout de chaîne, c'est le dioxygène qui accepte électrons et protons pour former de l'eau. L'énergie libérée par ces oxydations successives permet de produire 32 molécules d'atp à partir de 12 R'H2.

6 Le bilan énergétique de la respiration cellulaire : 36 ATP L ESSENTIEL : La plupart des cellules eucaryotes respirent A l'aide du dioxygène, les cellules oxydent la matière organique en matière minérale. Pour une molécule de glucose oxydée, le bilan de la respiration s'écrit : C6H12O6 + 6O2 => 6 CO2 + 6 H2O Cette oxydation complète du glucose libère de l'énergie investie dans la production de molécules d'atp, avec un rendement remarquable. Les cellules végétales respirent également, mais, à la lumière, les échanges gazeux de la respiration sont en général masqués par ceux de la photosynthèse. Le déroulement de la respiration cellulaire La respiration débute dans le hyaloplasme où se produit la glycolyse : le glucose est alors oxydé en 2 molécules d'acide pyruvique. La suite du processus respiratoire se déroule intégralement dans les mitochondries, qui sont les organites de la respiration. Dans la matrice mitochondriale, l'acide pyruvique est totalement dégradé en CO2 et en hydrogène (pris en charge par des transporteurs) au cours des réactions du cycle de Krebs. Au niveau des crêtes mitochondriales, les transporteurs réduits R'H2 sont oxydés par les molécules de la chaîne respiratoire. Ces oxydoréductions successives permettent de produire de grandes quantités d'atp. Le dioxygène intervient en bout de chaîne, en tant qu'accepteur final des électrons et de l'hydrogène.

7 I La respiration au niveau cellulaire Livre p La première étude (document 1), réalisée chez les levures, permet de mettre en évidence l existence d échanges gazeux caractéristiques de la respiration à l échelle des cellules. Le graphique obtenu montre l évolution de la concentration en O 2 (en mg.l -1 ) et de CO 2 (mm.l -1 ) en fonction du temps. Avant l ajout de glucose, on observe que la quantité de O 2 et de CO 2 reste constante (respectivement 5,5mg.L -1 et 0,18 mm.l -1 ). A l addition du glucose, on note une augmentation de la concentration du CO 2 dans le milieu (de 0,18 mm.l -1 à 0,35 mm.l -1 ) tandis que la concentration en O 2 diminue (de 5,5 mg.l -1 à 0 mg.l -1 ). En présence de glucose, métabolite organique, la levure, organisme unicellulaire hétérotrophe, absorbent le O 2 et rejette le CO 2 : elle respire. La comparaison entre les mesures avant et après introduction du glucose montre que la respiration nécessite de disposer d un métabolite organique. La deuxième étude (document 2), a pour objectif de déterminer si les cellules autotrophes (cellules chlorophylliennes) respirent. Le graphique obtenu montre l évolution de la concentration eno 2 (en mg.l -1 ) et de CO 2 (en mg.l -1 ) en fonction du temps et de l éclairement. De 0 à 5 minutes, les cellules chlorophylliennes sont éclairées. On observe que la concentration en O 2 augmente (de 4 mg.l -1 à 8 mg.l -1 ) alors que celle du CO 2 diminue (de 22,5 mg.l -1 à 14 mg.l -1 ). Ces mesures réalisées à la lumière ne permettent pas de conclure. En effet, à la lumière, les cellules chlorophylliennes réalisent la photosynthèse. Celle-ci se traduit par une absorption de dioxyde de carbone et par un rejet de dioxygène. De 5 à 15 minutes, les cellules chlorophylliennes sont placées à l obscurité. On observe que la concentration en O 2 diminue (de 8 mg.l -1 à 5 mg.l -1 ) alors que celle du CO 2 augmente (de 14 mg.l -1 à 22,5 mg.l -1 ). Sachant qu à l obscurité, la photosynthèse s arrête, on constate une absorption de dioxygène et un rejet de dioxyde de carbone dans le milieu. Ceci montre que les cellules chlorophylliennes respirent. Il n y a aucune raison de penser que les cellules chlorophylliennes cessent de respirer lorsqu elles sont placées à la lumière. En effet, la respiration est une fonction indépendante des conditions d éclairement. Il faut donc admettre, qu à la lumière, il y a coexistence des échanges gazeux de la photosynthèse et de la respiration : les mesures effectuées à la lumière correspondent donc au bilan de ces échanges. L augmentation de la concentration en dioxygène constatée à la lumière résulte du rejet du dioxygène par photosynthèse déduit de l absorption de ce gaz par la respiration. Le rejet de dioxygène par photosynthèse étant plus important que la quantité absorbée par respiration, le bilan reste positif. La même interprétation peut être faite pour la diminution de la concentration en dioxyde de carbone. La plupart des cellules eucaryotes y compris les cellules chlorophylliennes respirent. II La mitochondrie, organite clé de la respiration Livre, p Croquis annoté de la mitochondrie à savoir : Il s agit : de localiser la respiration cellulaire et de montrer que l essentiel de la respiration se déroule dans des organites spécialisés, les mitochondries. Le document 1 permet seulement de rappeler que les mitochondries sont des organites présents dans la plupart des cellules eucaryotes. Le document 2 permet de fonder l hypothèse selon laquelle les mitochondries sont les organites de la respiration. On peut établir un lien entre la richesse en mitochondries et les besoins énergétiques de cellules spécialisées, dont les besoins énergétiques apparaissent particulièrement importants. En effet, des cellules qui effectuent des mouvements et qui ont donc des besoins énergétiques importants sont particulièrement riches en mitochondries : c est le cas par exemple des spermatozoïdes et des fibres musculaires. Pour éprouver cette hypothèse, il s avère alors nécessaire de disposer de mitochondries isolées. Divers organes peuvent être utilisés. Cependant, comme l explique le document 3, seule une ultracentrifugation permet d obtenir une fraction mitochondriale suffisamment pure. L expérience présentée par le document 4 est une mise en évidence de la respiration mitochondriale au cours de laquelle deux hypothèses seront vérifiées : des mitochondries isolées sont capables d oxyder le glucose ; des mitochondries isolées sont capable de réaliser la respiration à partir du pyruvate issue d une première dégradation du glucose (la glycolyse, cf. doc. 1 p. 38). L analyse des documents 3 et 4 montre que la centrifugation permet d obtenir une suspension de mitochondries isolées, en principe dépourvue des autres éléments cytoplasmiques. On constate que l injection de glucose (doc. 4) n a aucun effet sur la concentration en dioxygène et en dioxyde de carbone d une telle suspension : les concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone ne varient pas, ce qui signifie que les mitochondries n utilisent pas le glucose. En revanche, après injection d acide pyruvique, on constate une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone, ce qui montre que les mitochondries peuvent utiliser l acide pyruvique comme métabolite. Les échanges gazeux mis en évidence montrent qu il y a alors bien respiration. L étude des documents 1 à 4 a permis de montrer que : Les mitochondries sont bien les organites dans lesquels s effectue l essentiel de la respiration cellulaire. Cependant, les mitochondries ne peuvent utiliser directement le glucose : il faut au préalable que celui-ci soit transformé en acide pyruvique. Les mitochondries consomment alors du dioxygène pour oxyder l acide pyruvique et rejettent du dioxyde de carbone, déchet de cette activité respiratoire. III Les étapes de la respiration cellulaire Précédemment, nous avons mis en évidence l existence de l étape de la glycolyse (réaction à connaître), qui se déroule dans le hyaloplasme. Le document 1 apporte quelques précisions sur cette première étape. L intérêt de cette étape est la formation d acide pyruvique apte à être utilisé par la mitochondrie. Cette réaction est globalement une oxydation partielle du glucose (déshydrogénation) et libère de l énergie (phosphorylation de l ADP en ATP). Remarque : Les transporteurs d hydrogène sont notés R (par analogie mais aussi pour les distinguer des transporteurs impliqués dans la photosynthèse) et leur forme réduite est notée R H. Le document 2 situe et présente le cycle de Krebs (cycle simplifié à connaître). La représentation du cycle de Krebs est simplificatrice : l existence de réactions successives est matérialisée par des flèches (réactions) et par des points colorés (composés intermédiaires). Il est ici important est de comprendre que l entrée dans le cycle de Krebs se fait par fixation d un accepteur qui est ensuite régénéré : les réactions successives s effectuent donc de façon cyclique (comme pour le cycle de Calvin). L ensemble est présenté de façon chimiquement équilibré pour une molécule de glucose au départ (donc deux acides pyruviques). Ainsi en faisant tourner le cycle de Krebs, le métabolite organique est entièrement dégradé. L origine du dioxyde de carbone rejeté au cours de la respiration est alors facile à comprendre. On remarquera que ce rejet est totalement dissocié de l absorption du dioxygène qui n intervient pas à ce niveau. Le document 3 situe et présente les oxydations réalisées par la chaîne respiratoire.

8 Que pouvons-nous retenir de l analyse de ces différents documents? L étude des documents 1 à 3 montre que 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. Cependant, il ne pénètre pas dans la mitochondrie : il doit au préalable être transformé en acide pyruvique qui, lui, pourra 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 H 2. Ce sont précisément ces transporteurs qui pourront être oxydés par la chaîne respiratoire. Par ailleurs, la chaîne respiratoire régénère les transporteurs d hydrogène (R ) à l état oxydé, ce qui permet l entretien du cycle de Krebs et de la glycolyse. A l issue de cette analyse, il en résulte que les trois grandes étapes (glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire) de la respiration sont liées entre elles. Les documents 2 et 3 nous permettent de préciser l origine du CO 2 et le rôle du O 2. Le dioxyde de carbone rejeté au cours de la respiration provient des réactions de décarboxylations et de déshydrogénations réalisées au cours de cycle de Krebs. Le CO 2 est «ce qui reste» des métabolites organiques et qui ne sera pas ultérieurement utilisé : il est donc rejeté. Le dioxygène intervient quant à lui au cours des réactions d oxydation des transporteurs réduits R H 2 réalisées par la chaîne respiratoire : c est l accepteur final des électrons et des H. Sans dioxygène, l ensemble des réactions de la respiration serait rapidement bloqué en amont. De l ATP est produit au cours de chacune des trois grandes étapes de la respiration (Doc. 1 à 3). Cependant, ce sont les réactions d oxydation des transporteurs réduits R H 2 réalisées par la chaîne respiratoire qui produisent la plus grande quantité d ATP. A la lumière de l ensemble des documents 1 à 3, nous pouvons proposer un bilan global de la respiration. Celui-ci peut s écrire ainsi (pour le glucose): C 6H 12O O ADP + 36 Pi --> 6 CO H 2O + 36 ATP Le métabolite organique (ici le glucose) est totalement dégradé car la totalité du C qu il contenait est rejeté sous forme minérale (CO 2). La plupart des cellules eucaryotes respirent. A l aide de l O 2, les cellules eucaryotes oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L oxydation du glucose comprend la glycolyse (ayant lieu dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (ayant lieu dans la matrice mitochondriale). Dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO 2 et des composés réduits R H 2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la ré-oxydation des composés réduits ainsi que la réduction de l O 2 en H 2O. Ces réactions s accompagnent de la production d ATP. IV L ATP : une nécessité pour les activités cellulaires Il s agit ici de montrer que l ATP produit «permet les activités cellulaires». Dans le cas des cellules musculaires, l intervention de l ATP est indispensable au cours de la contraction. L exemple présenté par le document 1 est celui de mouvements de cyclose qui peut être constatée en observant les chloroplastes. La cyclose est un mouvement intra-cytoplasmique des organites. Cette mise en mouvement nécessite de l énergie. On observe qu en présence d un inhibiteur de la respiration la cyclose est ralentie, voire stoppée : cela signifie que la respiration fournit l énergie nécessaire à la réalisation de la cyclose. La solution utilisée (ions CN ) bloque le transfert d électrons de la chaîne respiratoire (doc. 2, p.41). Or, ce sont ces oxydations qui permettent la production d ATP au cours de la respiration. En absence de production d ATP, la cyclose est stoppée : ceci démontre que l ATP est nécessaire à la réalisation des mouvements intra-cytoplasmiques. Le document 2 est informatif : il explique de façon simple et imagée pourquoi l ATP est nécessaire dans la plupart des réactions de biosynthèse : la schématisation proposée permet de faire une analogie avec l énergie disponible ou restituée lors d une variation d altitude (cas d une chute d eau par exemple). Le document 3 présente une expérience, celle de la biosynthèse d amidon à partir du glucose. Les résultats obtenus avec le tube 1 montrent que la synthèse d amidon à partir de glucose n est pas spontanée, même en présence d enzyme. Le tube 2 montre qu elle est toujours impossible même si l on ajoute des ions phosphate. En revanche, si les ions phosphate sont «fixés» au glucose, il y a bien synthèse d amidon, comme le montre le test à l eau iodée. Ceci s explique car cette biosynthèse nécessite de l énergie : grâce au transfert d un groupement phosphate réalisé par couplage avec une hydrolyse d ATP, le glucose 1-P possède un niveau d énergie suffisant pour réaliser la réaction de biosynthèse de l amidon. Le rôle de la respiration cellulaire est donc de produire de l ATP. L hydrolyse de l ATP ainsi produit fournit l énergie nécessaire aux diverses activités cellulaires comme la réalisation de mouvements ou les réactions de biosynthèse.

9 : III RESPIRATION ET FERMENTATION, SOURCES D'ATP Nous avons vu que les cellules végétales utilisent la matière produite par photosynthèse pour : - Assurer leur croissance. - Réaliser des réserves - Produire de l énergie en oxydant le glucose produit dans les mitochondries. Nous savons, depuis la 2 nd que ce sont les mitochondries qui produisent l énergie nécessaires au fonctionnement cellulaire grâce à l oxydation du glucose par l O2 : c est la respiration cellulaire. Joël de Rosnay a écrit dans Le macroscope (1975) : «Tout ce qui vit utilise une molécule véhiculant une réserve d'énergie et jouant le rôle d'une sorte de batterie portative partout où la cellule a besoin de fournir un travail chimique, mécanique, ou électrique. Cette molécule s'appelle ATP.» PB : comment les cellules non chlorophylliennes et les cellules animales (cellules hétérotrophes) produisent-elles de l'atp? Comment l'atp est-il synthétisé hors des chloroplastes? 1 Mise en évidence de la respiration mitochondriale: Rappel 2 nde page 232/233 a) Observation de levures en aérobiose et anaérobiose. Les levures sont des champignons unicellulaires dépourvus de chlorophylle. Comme les cellules animales, elles sont hétérotrophes et consomment des substances organiques qui peuvent être soit stockées, soient puisées dans le milieu. Nous savons que la respiration est un phénomène qui consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Nous savons aussi que ces échanges de gaz s'accompagnent de l'oxydation de nutriments organiques, comme le glucose. L'observation au microscope électronique de levures ayant séjourné dans des conditions aérobies. En généralisant, des observations de tissus variés, dans des conditions physiologiques différentes, montrent que plus une cellule est active, plus elle possède de mitochondries et plus les crêtes de leurs membranes internes sont développées. Les levures en anaérobiose présentent des mitochondries peu développées. Sachant que l activité d une cellule nécessite de l énergie, on peut supposer que les mitochondries sont impliquées dans les mécanismes qui produisent de l énergie Respiration. (et plus précisément, les membranes internes). NB : Nous savons que la molécule universelle du transfert d énergie dans les cellules est l ATP : la respiration, dans les mitochondries ne produirait-elle pas de l ATP. Mais observons tout d abord l ultrastructure d une mitochondrie. b) Ultrastructure des mitochondries : un organite compartimenté. Les mitochondries apparaissent comme des organites compartimentés, présentant une membrane interne développées délimitant des crêtes dans la matrice (ou stroma)

10 Observation microscopique Schéma Légendes 1 : Mbr interne 2 : Mbr externe 3 : Crête 4 : Matrice Afin de mieux comprendre le rôle des différents compartiments, on réalise une expérience sur une suspension de mitochondries. c) Expérience. On réalise une expérience sur une suspension de mitochondries, obtenue par centrifugation d'un broyat cellulaire, et placée dans une enceinte de réaction, dans un milieu approprié et bien oxygéné, 0. On proposera donc des résultats obtenus ainsi: - Ajout de substrats : Au temps t1(0 sec) on ajoute une petite quantité de glucose (molécule en C6), Au temps t2 on ajoute du pyruvate (molécule en C3) ou du succinate (molécule en C4), (choisies parce que c'est notamment sous ces formes moléculaires que le glucose est transformé dans le cytoplasme). - Ajout d inhibiteurs du fonctionnement mitochondrial : Antimycine qui bloque des enzymes présentes dans la membrane des crêtes. Roténone, insecticide d origine végétale qui agit sur des enzymes présentes dans la membrane des crêtes mitochondriales. L injection de glucose à to, n induit aucune variation de la [O 2 ] ; il n est pas le substrat des réactions consommant l O 2. Les injections de pyruvate et succinate induisent une diminution de l O 2 ; ce sont des substrats utilisés dans les mitochondries. La respiration, oxyde non pas le glucose mais des substrats qui résultent de premières réactions qui se déroulent dans le cytoplasme. Une première étape se déroule donc dans le cytoplasme, elle semble viser à dégrader le glucose (glycolyse) L injection d inhibiteurs enzymatiques se traduit par un arrêt de la consommation d O 2 ; il existe dans la membrane interne des mitochondries des enzymes qui catalysent les réactions de la respiration, à partir des substrats formés dans le cytoplasme. Une deuxième étape se déroule donc dans la membrane interne des mitochondries et mobilise des enzymes.

11 Evolution de la concentration en ATP en fonction du temps dans une suspension de mitochondries, en présence de dioxygène à t0 : ajout de saccharose à t1 : ajout de glucose à t2 : ajout de pyruvate à t3 : ajout d'adp + Pi* + pyruvate à t4 : ajout de cyanure (produit qui bloque l'activité enzymatique) Pi* : phosphate inorganique La production d ATP, via la respiration nécessite, du pyruvate (substrat), de l ADP + Pi.( ATP) Les réactions de la respiration, se déroulant dans la membrane des crêtes mitochondriales, catalysées par des enzymes et utilisant un substrat provenant de réactions cytoplasmiques, produisent de l ATP (énergie) 3 Les étapes de la respiration cellulaire. Traduire des informations par un schéma. a) La glycolyse, dans le cytoplasme. BILAN : C6H12O6 + 6 O2 ----> 6 CO2 + 6 H2O Doc 1 : réaction observée dans le cytoplasme d une cellule. La dégradation des nutriments débute toujours dans le cytoplasme de la cellule par une glycolyse (=dégradation du glucose). C'est une suite complexe de réactions qui dégradent une molécule de glucose (C6) en deux molécules d'acide pyruvique (C3): 0. Quelques caractéristiques: C'est toujours un phénomène anaérobie, c'est-à-dire qui ne consomme pas de dioxygène. Elle comprend plusieurs réactions catalysées chacune par une enzyme spécifique et produisant une série de métabolites intermédiaires entre le produit initial, le glucose et le produit final, l'acide pyruvique (succinate par exemple). La signification biochimique fondamentale est une déshydrogénation, correspondant à une oxydo-réduction qui nécessite un accepteur ou transporteur de protons et d'électrons symbolisé R+(état oxydé). Animation : b) Les réactions se poursuivent dans la matrice. Doc 2 : réactions observées dans la matrice :

12 La dégradation des métabolites amorcée dans le cytoplasme, se poursuit dans les mitochondries : dans la matrice, l'acide pyruvique est totalement dégradé sous l'action d'enzymes (décarboxylases et déshydrogénases): du dioxyde de carbone est libéré, les transporteurs de protons et d'électrons sont réduits (R'H2) et de l'atp est produit. L acide pyruvate st littéralement «broyé» au cours d un cycle de réactions nommé «cycle de Krebs» au cours duquel des carbones sont «arrachés» : décarboxylations ( CO2), ainsi que des hydrogènes : déshydrogénations ( RH2) Animation : c) puis dans les crêtes mitochondriales. Doc 3 : réactions observées dans la membrane des crêtes mitochondriales : Au niveau de la membrane interne (crêtes) les molécules de transporteurs réduits (RH2) sont régénérées (R+) grâce à des molécules spécialisées (enzymes) qui constituent la chaîne respiratoire et assurent une série de réactions d'oxydo-réduction. Le dioxygène constitue l'accepteur final de protons et d'électrons: lui-même réduit, il permet la formation de molécules d'eau. Les protons apportés par les transporteurs d'hydrogène sont transférés du stroma vers l'intérieur des crêtes (contre leur gradient de concentration), alors que les électrons sont transférés vers le stroma. De ce fait l'intérieur des crêtes devient acide (la concentration en protons a Animation : Document 4 : expérience sur des particules submitochondriales.

13 Les particules submitochondriales, petits sacs de 100 nm de diamètre, sont obtenues à partir de fragments retournés de membrane interne de mitochondries. Cette membrane est recouverte de structures arrondies nommées sphères qui ne sont plus en contact avec la matrice (= milieu intra-mitochondrial) mais avec un milieu expérimental. Il contient de l'02, des composés réduits RH2, de l'adp et du Pi (phosphate inorganique). Conditions Résultats Particules submitochondriales Synthèse d 'ATP et réoxydation des R'H2 en R+ Particules submitochondriales sans les sphères. Pas de synthèse d'atp mais réoxydation des RH2 en R+ Particules submitochondriales sans les sphères, mais ajout de sphères isolées dans le milieu Synthèse d'atp et réoxydation des RH2 en R+ Remarque : en l'absence de composés réduits RH 2, il n'y a pas de synthèse d'atp. La synthèse d ATP nécessite la présence d ADP + Pi, des sphères et de RH2. Ces sphères, génératrices d ATP sont des ATP synthètases, dont nous avons déjà vu le principe de fonctionnement dans les chloroplastes. La différence de concentration de protons entre l espace intermembranaire et le stroma est exploitée par une ATPsynthètase qui synthétise de l'atp chaque fois que des protons sont transférés de l'intérieur des crêtes vers le stroma : à peu près 32 ATP sont synthétisés. Dans le stroma, les électrons, les protons et le dioxygène se combinent pour former des molécules d'eau. Cet ensemble de réaction = chaîne respiratoire. Animation : choisir «biologie»,«biologie cellulaire», «page 2», «chaîne respiratoire» :

14 Animations : Tableau bilan : BILAN : schéma :

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