Consommation de la matière organique et flux d énergie

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1 Consommation de la matière organique et flux d énergie Fascicule professeur Fouad Ouryagli 1

2 Réactions responsables de la libération de l énergie emmagasinée dans la Introduction : - L importance de la matière organique se caractérise en la présence d énergie emmagasinée nécessaire pour l activité de toutes les cellules hétérotrophes qui à travers des phénomènes métaboliques, respiration et fermentation, transforment cette énergie inutilisable en source d énergie utilisable pour le fonctionnement cellulaire : molécule d ATP. Les Problématiques du chapitre : - Quels sont ces phénomènes métaboliques? et en quoi ils consistent? - Ou se déroule ces phénomènes? - Dans une cellule, sous quelle forme l énergie est-elle disponible? On se propose de mettre en évidence, à l échelle cellulaire, les échanges gazeux, consommation d O 2 et dégagement du CO 2. On cherche également à montrer que ces échanges sont dépendants de la mise à disposition des cellules d une matière organique tel que le glucose. Le matériel à utiliser est constitué d un dispositif d EXAO, avec sondes mesurant les concentrations en O 2 et CO 2 dans le milieu. On dispose également d une solution de glucose que l on peut injecter dans le milieu. 1- Décrire les variations de la concentration en O2 et CO2 avant et après l injection du glucose. 2- Expliquez les résultats obtenus. 3- Que pouvez-vous déduire? 1- Le graphe ci-dessus montre l évolution des concentrations d O2 et de CO2 en µmol/l en fonction du temps en mn. Avant l injection du glucose, on constate que la concentration d O2 dans le milieu est de 200 µmol/l et celle de CO2 est de 50 µmol/l Apres l injection du glucose, on constate que la concentration d O2 dans le milieu diminue jusqu à atteindre la valeur de 75 µmol/l alors que celle du CO2 augmente et atteint la valeur de 200 µmol/l. 2

3 2- La diminution de la concentration d O2 après l injection du glucose s explique par le fait que les levures l ont consommés pour la dégradation de ce dernier, alors que l augmentation de la concentration de CO2 dans le milieu s explique par le fait que ces levures l ont dégagé suite à cette réaction. La stabilité des concentrations d O2 et de CO2 à la fin de cette réaction s explique par la consommation totale du glucose par ces levures Déduction : Les levures consomment l O2 et dégagent le CO2 pendant la dégradation du glucose, ces échanges gazeux caractérisent le métabolisme de la respiration cellulaire. On cherche à déterminer si les levures sont susceptibles de développer un autre métabolisme que la respiration, en particulier lorsqu elles sont privées d O2, pour cela, des levures sont mis en culture dans un milieu glucosé et bouché empêchant un renouvellement en O2, et avec un dispositif EXAO, on mesure les variations des différents paramètres de ce milieu de culture. 1- Analysez le résultat de l expérience présentée par le document-. 2- Interprétez ce résultat 1- Le document représente la variation d O2, CO2, éthanol (mg/ml) et glucose (U.A) en fonction du temps en (s). De 0s à 200 s, la concentration d O2 chute jusqu à atteindre 0 mg/ml, celle du glucose passe de 43 à 27 mg/l alors que celle de CO2 reste presque constante et minimale tandis que celle de l éthanol se présente en trace De 200 s à 700 s, on constate qu il y a faible diminution de la concentration de glucose, et augmentation de celle de CO2 et de l éthanol. 2- En début d expérience, et en présence d une faible quantité d O2, les levures ont réalisé la respiration pour la dégradation du glucose présent dans le milieu. Apres épuisement d O2, ces levures consomment le glucose en faible quantité, produisent l éthanol et dégagent le CO2 en grande quantité, conséquences des réactions anaérobiques. 3

4 Déduction : Les cellules des levures, en absence d O2, dégradent le glucose en faible quantité on parle de dégradation partielle, et libèrent le CO2 et l éthanol : c est la fermentation alcoolique. - Pour étudier les phénomènes biologiques responsables de la production d énergie, on prépare deux milieux de culture de levures de bière. Les conditions expérimentales et les résultats obtenus figurent sur le tableau suivant : Milieu Quantité de glucose (g) Energie produite (kj) Evolution de la biomasse des Initiale Consommée levures A :aérobie ,970 B :anaérobie ,255 Le document-1 représente l observation microscopique de cellules de levures prises des milieux A et B. Pour localiser l emplacement du déroulement des différentes réactions métaboliques au niveau de la cellule, on propose l étude du document Quelles informations peut-on tirer de l exploitation des résultats du document-1? 2- En exploitant le document-2, donnez une comparaison entre les cellules prises du milieu A et B et déduisez le type de métabolisme en relation avec les résultats de cette comparaison. 3- Interprétez le document Sous forme de tableau, réalisez un bilan de l ensemble des phénomènes qui caractérisent le métabolisme de la respiration et celui de la fermentation. 1- Dans le milieu A, il y a une consommation totale du glucose et une augmentation importante de la biomasse des levures et qui nécessite de l énergie ce qui explique sa production importante dans ce milieu A qu en milieu B où cette énergie est faible cause de la dégradation partielle du glucose et par conséquent, une faible augmentation de la biomasse des levures. 2- Les levures des deux milieux A et B présentent un noyau et des vacuoles, seules les levures du milieu A présentent des mitochondries en nombre et taille importantes. On peut déduire que le type de métabolisme est lié à la présence ou à l absence des mitochondries. Dans le milieu A, les cellules réalisent la respiration qui nécessite la présence des mitochondries, alors qu en milieu B et en absence de mitochondries, les levures réalisent la fermentation. 4

5 3- Une fois dans le cytosol, le glucose subit une réaction commune entre la respiration et la fermentation qui se fait indépendamment d O 2, c est la glycolyse qui aboutit à la formation d acide pyruvique. Ce dernier peut entrer dans deux voies selon les conditions du milieu : En présence d O2, il entre dans la mitochondrie lieu de déroulement de la respiration cellulaire. En absence d O2, l acide pyruvique reste dans le cytosol lieu de déroulement des fermentations. 3- Bilan : Conditions Phénomènes métaboliques Respiration Fermentation Milieu Aérobie Anaérobie oxygène Consommation de glucose Totale Partielle Mitochondries Localisation cellulaire Mitochondries Cytosol Conclusion : - Les cellules vivantes extraient l énergie nécessaire au déroulement de leur activité selon deux types de réactions métaboliques : Réactions métaboliques aérobies au niveau de la mitochondrie : la respiration. Réactions métaboliques anaérobiques au niveau du cytosol : la fermentation. Quel que soit les phénomènes métaboliques cellulaires, respiration ou fermentation et qui assurent l approvisionnement énergétique des cellules, ces phénomènes débutent par un clivage du métabolite glucose assuré par les réactions de la glycolyse. ATP Glucose ETAPE 1 ADP Glucose 6-P ATP ADP Fructose 1,6-P C 3-P C 3-P ETAPE 2 NAD + NAD + Pi Pi NADH,H + NADH,H P-C 3-P P-C 3-P ADP ADP ETAPE 3 ATP ATP CH 3-CO-COOH CH 3-CO-COOH ACIDE PYRUVIQUE 5

6 1- Déterminez à partir du document, les étapes de la glycolyse. 2- Quel est le bilan de la glycolyse pour une molécule de glucose consommée. 3- Proposer une équation bilan de la glycolyse. - La glycolyse est une série de réactions qui s effectuent dans le cytosol en l absence d oxygène et catalysées par des enzymes spécifiques au cours desquelles une molécule de glucose (C 6) est transformée en deux molécules d acide pyruvique (C 3). 1- Trois étapes de la glycolyse : Etape 1 : le glucose est converti en fructose dip (F1,6-P) par des réactions enzymatiques avec consommation de 2 ATP. Etape 2 : le FdiP est clivé en deux trioses phosphates (2C 3P) appelés glycéraldéhyde, chacune de ces molécules subit une oxydation partielle par déshydrogénation en présence d un transporteur oxydé NAD +, cette oxydation est couplée par une phosphorylation donnant 2 composés PC 3P nommés acide glycérique. Etape 3 : transformation des 2 PC 3P en 2 acides pyruviques (C 3). 2- Pour une molécule de glucose consommée, il y a formation de : 2 molécules de pyruvate. 2 molécules d ATP. 2 molécules de coenzymes réduits NADH, H L équation globale de la glycolyse : C 6H 12O 6 + 2ADP + Pi + 2 NAD > 2 CH 3-CO-COOH + 2 ATP + 2 NADH,H + Remarque : - Les deux acides pyruviques, obtenus par glycolyse d une molécule de glucose, poursuivent leur catabolisme selon la nature du milieu, aérobie (respiration) ou anaérobie (fermentation). La respiration cellulaire débute dans le cytoplasme par la glycolyse et se poursuit pour l essentiel dans les mitochondries. La structure et l équipement moléculaire de ces organites permettent en effet une oxydation progressive et complète des métabolites organiques notamment l acide pyruvique. 6

7 La mitochondrie apparait sous forme d organite clos délimiter par deux membranes : externe interne séparées par un espace intermembranaire. La membrane interne émet des replis appelés crêtes qui cloisonnent la matrice. Structures Composition biochimique mitochondriales Membrane externe Comparable à celle de la membrane plasmique : 40 % des lipides 60 % des protéines Membrane interne 80 % des protéines 20 % des lipides Nombreuses enzymes participant à des réactions d oxydo-réduction. Enzymes permettant la production d ATP : ATP synthétase. Matrice Absence de composés organiques tel que le glucose Présence de nombreuses enzymes tel que les déshydrogénases et les décarboxylases Présence d ATP, d ADP, Pi - Des mitochondries sont isolées par centrifugation, et introduites dans un appareil de mesure contenant une solution tampon riche en O2. A l instant t1 on ajoute au milieu du glucose et à l instant t2 on ajoute de l acide pyruvique. - Le graphe suivant montre les résultats obtenu suite à cette expérience : 1- Analysez les résultats figurant sur le graphe 2- Expliquez ces résultats 3- Donnez une déduction 1- Le graphe traduit la variation de la concentration en O2 en mg/ml en fonction du temps en mn. Avant et après l injection de glucose, la concentration en O2 reste constante alors qu après l injection de l acide pyruvique, on constate que cette concentration diminue de 10 mg/ml jusqu à atteindre 6 mg/ml. 2- On peut expliquer ces résultats par le fait que la mitochondrie utilise l acide pyruvique et non pas le glucose comme métabolite énergétique. 7

8 Déduction : - La mitochondrie est le lieu des oxydations respiratoires et qui sont des réactions biochimiques qui se déroulent en présence d acide pyruvique et de l oxygène. Définition : - C est une opération qui permet le transfert des protons H + et des électrons e - arrachés des métabolites vers l oxygène pour former de l H 2O. Ce transfert se fait à travers une chaine de réaction chimique et par l intervention d enzymes spécifiques et est couplé de la phosphorylation d ADP en ATP. - Le déroulement de l oxydation respiratoire se fait en trois étapes : Chaque molécule d acide pyruvique au niveau de la matrice mitochondriale se transforme en acetyl-coa par trois type de réactions : Décarboxylation et libération d une molécule de CO 2 en présence de l enzyme décarboxylase. Déshydrogénation suivie d un transfert des e - et des H + au NAD + oxydé qui devient NADH, H + réduit et sous l effet d une déshydrogénase selon la réaction suivante NAD + +2H + +2e > NADH,H + Liaison du CoA avec le radical acétyle CH 3-CO et formation d acetyl-coa. 1-- A partir de la figure précédente, écrire l équation bilan de formation d acetyl-coa. 2-- Quel est le bilan de la formation d acetyl-coa pour une molécule de glucose consommée 1- La réaction globale est la suivante : CH 3-CO-COOH + NAD + + CoA-SH > CH 3-CO-CoA + NADH,H + + CO 2 2- Le bilan de la formation d acetyl-coa pour une molécule de glucose consommée : 2 NADH,H + 2 CH 3-CO-CoA 2 CO 2 8

9 1- Décrivez l ensemble des réactions chimiques du cycle de Krebs. 2- Ecrivez les réactions de réductions des transporteurs NAD + et FAD + et la formation d ATP. 3- Donnez l équation bilan de ce cycle. 4- Quelle est le bilan chimique de l oxydation totale d une molécule de pyruvate dans la matrice mitochondriale. 1- Description du cycle de Krebs : Liaison d acetyl-coa à l oxaloacétate (C 4) pour former du citrate (C 6). Le citrate (C 6) subit deux décarboxylations et libère 2 CO 2, des déshydrogénations pour donner des composés réduits : 3 NADH, H + et 1 FADH 2 et une phosphorylation qui produit une molécule d ATP. Enfin, régénération d oxaloacétate (C 4) nécessaire pour le déroulement d un nouveau cycle de Krebs. 2- Les réactions de réductions des transporteurs NAD + et FAD + et la formation d ATP. NAD + +2H + +2e > NADH,H + FAD + +2H + +2e > FADH 2 3- L équation bilan de cycle de Krebs : ADP+Pi + E > ATP CH 3-CO-CoA + 3NAD + + FAD + + ADP + Pi +3H 2O > 2CO 2 + 3NADH,H + + 1FADH 2 + ATP + CoA-H 4- Le bilan chimique de l oxydation totale d une molécule de pyruvate : 4 NADH,H + 1 FADH 2 1 ATP 3 CO 2 9

10 Conclusion : Le cycle de Krebs est une succession de réactions cycliques d oxydo-réduction catalysées par des enzymes spécifiques qui s effectuent dans la matrice mitochondriale, au cours desquelles chaque radical d acétyl CH 3-CO subit une dégradation totale et se transforme en CO 2. Pour mettre en évidence les conditions permettant la reoxydation des coenzymes et la synthèse d ATP, on procède à l étude des données expérimentales suivantes : Données 1 : - On place des mitochondries dépourvues de leur membrane externe dans une solution dépourvue d oxygène et enrichie de coenzymes réduits (NADH, H + ). On suit la variation de la concentration des protons H + avant et après l addition d O 2. - Le document-1 figure-a donne les conditions expérimentales, et la figure-b donne les résultats de cette expérience. 1--En se basant sur les données du document-1-b décrivez l évolution de la concentration en ion H Expliquez la variation de la concentration des ions H + enregistrée directement après l ajout d O 2. Données 2 : On traite des mitochondries aux ultrasons, on obtient des fragments de la membrane interne enroulés sous forme de vésicules recouvertes par des particules submitochondriales nommées sphères pédonculées On place ces vésicules dans un milieu expérimental qui contient O 2, des coenzymes réduits RH 2, de l ADP et du Pi. On procède ensuite à la variation du ph du milieu extérieur (phe) tout en gardant le ph interne (phi) des vésicules mitochondriales constant et on mesure la quantité d ATP synthétisée. Le document-2 donne les conditions expérimentales ainsi les résultats de cette expérience. phi phe Phosphorylation d ATP 6 4 Non 6 6 Non 6 9 non 3- A partir des résultats figurant sur le tableau ci-dessus, identifiez les conditions permettant la synthèse d ATP. 10

11 1- De la figure-b, document-1, on observe qu avant l injection d O 2, la concentration des H + est nulle, mais après son injection il y a une augmentation rapide de la concentration en H + jusqu à atteindre une valeur de mol/l, puis diminuer progressivement jusqu à sa valeur initiale après 4 mn. 2- L augmentation de la concentration de H + résultant de l oxydation des coenzymes réduits NADH, H + dans la solution directement après l injection d O 2 s explique par sa sortie des mitochondries à travers leur membrane interne. La diminution progressive des protons H + est dû à leur retour vers la matrice mitochondriale. 3- Les conditions permettant la synthèse d ATP : La présence d ADP et de Pi. phi phe. Or le PH dépond de la concentration des protons dans le milieu, dans notre cas la concentration [H + ] i [H + ] e, il y aura donc une tendance des protons à sortir des vésicules. La présence des sphères pédonculées. Bilan : - Dans les cellules vivantes, la synthèse d ATP se fait en présence de : ADP et Pi. Oxygène. Un donneur de proton réduit NADH, H +, FADH 2. Sphères pédonculées. Un gradient de proton entre la matrice et l espace intermembranaire Données : - La phosphorylation oxydative : est une série de réactions qui s effectuent au niveau de la membrane interne mitochondriale via la chaine respiratoire et des sphères pédonculées et qui débute par la reoxydation des transporteurs réduits (NADH, H + et FADH 2) et se termine par la phosphorylation d ADP en ATP. - La chaine respiratoire : est une chaîne de transport d'électrons réalisant l'oxydation des coenzymes réduites issues de la dégradation de composés organiques et est constituée d une chaine de transporteurs d électrons situés dans la membrane interne mitochondriales. - Les transporteurs réduits NADH, H + et FADH 2 au cours de la glycolyse, la formation d acetyl-coa et le cycle de Krebs seront oxydés en cédant les e - et H + à une chaine de transporteurs intégrés dans la membrane interne mitochondriale. 11

12 - Les e - riches en énergie seront transportés successivement via les différents complexes de la chaine respiratoire vers l oxygène accepteur final de ces e - selon la réaction suivante : ½ O 2 + 2e > O 2- - L énergie libérée par ces e - sera utilisée pour l expulsion des H + de la matrice vers l espace intermembranaire à l origine d un gradient de concentration d ions H + de part et d autre de la membrane interne. Le retour de ces H + vers la matrice via les sphères pédonculées qui est un ensemble d enzyme ATP synthétase fournit une énergie nécessaire à la phosphorylation de l ADP en ATP et la réduction d O 2 en H 2O selon les réactions suivantes : ADP+Pi + E > ATP O H > H 2O En l absence d O 2, certaines cellules réalisent des réactions de dégradation anaérobie du glucose, dégradation incomplète qui se déroulent au niveau de l hyaloplasme c est la fermentation dont on distingue deux types : fermentation lactique et fermentation alcoolique. 1- A partir du document ci-dessus, donnez une comparaison entre les deux types de fermentation 2- Ecrivez les équations bilan des deux types de fermentation. 1- Comparaison : Fermentation lactique Fermentation alcoolique Déroulement Cytosol Cytosol Produit réduit L acide pyruvique L acétaldéhyde Enzyme intervenant Lactate-déshydrogénase Alcool-déshydrogénase Accepteur final des e - L acide pyruvique L acétaldéhyde Produit final Acide lactique Ethanol + CO 2 Points communs Production de 2 ATP pendant la glycolyse. Reoxydation de 2 NADH,H + par molécule de glucose. 2- Equations bilans pour : La fermentation lactique : La fermentation alcoolique : C 6H 12O ADP + 2 Pi > 2 CH 3-CHOH-COOH + 2 ATP C 6H 12O ADP + 2 Pi > 2 C 2H 5OH + 2 CO ATP 12

13 Le rendement ainsi que le bilan énergétique différent d un phénomène biologique à l autre, en effet pendant la respiration, le glucose subit une dégradation complète et libère la totalité de son énergie emmagasinée sous forme de chaleur calorifique de l ordre de 2860 kj en plus des résidus minérale sous forme de CO 2 et H 2O alors qu au cours de la fermentation, le glucose subit une dégradation partielle et libère une faible énergie calorifique en plus des résidus organiques riches en énergie (éthanol, acide lactique). Données : Sachant que : - Une mole de glucose renferme une énergie calorifique de l ordre de 2860 kj. - Une molécule d ATP contient 30,5 kj - Une molécule de NADH, H + contient 91,5 kj - Une molécule de FADH 2 contient 61 kj. 1- Ecrivez l équation globale de la respiration et de la fermentation 2- Calculez le bilan ainsi le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation à partir d une molécule de glucose. 3- Donnez une comparaison 1- Equation globale de : La respiration : La fermentation : - Lactique : - Alcoolique : C 6H 12O 6 + 6O > 6 CO H 2O + E (2860 kj) C 6H 12O > 2 CH 3-CHOH-COOH + E (140 kj) C 6H 12O > 2 C 2H 5OH + 2 CO 2 + E (61 kj) 2- Calcul du bilan et du le rendement : Bilan énergétique de la respiration : Mitochondrie Localisation Réactions ATP Transporteurs réduits Cytosol Glycolyse 2 ATP 2 NADH,H + La matrice Acetyl-CoA NADH,H + Cycle de Krebs 2 ATP 6 NADH, H + Membrane interne 2 FADH 2 Reoxydation TH NADH, H > 30 ATP 2 FADH > 4 ATP TOTAL 4 ATP 34 ATP 38 ATP NB : - Dans le cas de certaines cellules tel que les cellules cardiaques, hépatique, rénale et cellules des levures la reoxydation de NADH, H + donne 3 ATP. Donc un bilan énergétique de 38 ATP. - Dans le cas des cellules du muscle squelettique et cellules nerveuses, la reoxydation de NADH, H + donne 2 ATP et par la suite un bilan énergétique de 36 ATP. 13

14 Bilan énergétique de la fermentation : Localisation Réactions ATP Transporteurs réduits TH 2 Cytosol Glycolyse 2 ATP 2 NADH,H + Rendement de la respiration : reoxydation NADH,H > 0 ATP TOTAL 2 ATP 0 ATP 2 ATP Rendement = quantité d énergie sous forme d ATP quantité d énergie chimique potentielle du glucose Rendement = 38 x 30, Rendement = 40,52 % Rendement de la fermentation : Rendement = 2x 30, Rendement = 2,13 % 3- Comparaison : - Le bilan énergétique de la respiration 38 ATP est supérieur à celui de la fermentation 2 ATP. - Le rendement de la respiration 40,52 % est nettement supérieur à celui de la fermentation 2,13% 14