Thème : Energie et cellule vivante

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1 Thème : Energie et cellule vivante Chapitre 1 : L ATP, molécule indispensable aux activités cellulaires 1. Structure de l ATP L ATP, adénosine tri-phosphate, est la molécule universelle qui permet les transferts d énergie dans toutes les cellules. L ATP, Adénosine Tri-Phosphate, est une petite molécule constituée d'un glucide (ribose), d'une base azotée (adénine) et de trois groupements phosphate. 2. Hydrolyse et synthèse L hydrolyse de l ATP est la rupture d'une liaison phosphate. Cette réaction libère de l énergie. La synthèse d'atp consiste à ajouter un groupement phosphate à une molécule d'adp et ainsi à ajouter une liaison phosphate, c est une phosphorylation. Cette réaction nécessite de l énergie. Schéma Métabolisme cellulaire et ATP Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules. Parmi les réactions du métabolisme, les réactions de dégradation produisent de l'énergie servant à synthétiser de l'atp. Les biosynthèses, permettant de synthétiser de nouvelles molécules, nécessitent un transfert d'énergie assuré par la molécule d'atp. Dans la cellule, les réactions libérant ou consommant de l'énergie sont couplées à la synthèse ou l'hydrolyse de l'atp. Schéma 2. Dans une cellule, il existe un équilibre entre les concentrations d ADP et d ATP : l utilisation d ATP implique une synthèse immédiate = régénération de l'atp. Chapitre 2 : La photosynthèse 1. La photosynthèse au niveau cellulaire Les cellules chlorophylliennes sont autotrophes pour le carbone, elles produisent, par photosynthèse, des molécules organiques à partir de molécules minérales dont le CO 2 qui constitue la seule source de carbone. Elles sont phototrophes, l'énergie lumineuse constitue la source d'énergie nécessaire à la photosynthèse. La photosynthèse est le phénomène permettant de synthétiser des molécules organiques (Carbone organique) à partir de CO 2, de H 2 O et de lumière. Elle s accompagne d échanges gazeux : absorption de CO 2 et rejet d O 2. 6 CO H 2 O C 6 H 12 O 6 (glucose) + 6 O 2 Les cellules chlorophylliennes renferment de nombreux organites spécialisés, les chloroplastes contenant la chlorophylle indispensable à la photosynthèse. La photosynthèse se réalise au niveau cellulaire à l intérieur des chloroplastes. Le chloroplaste est un organite compartimenté très riche en membrane formant des thylakoïdes empilés (granum) baignant dans le stroma riche en enzymes. Les pigments chlorophylliens photosensibles sont contenus à l'intérieur de la membrane des thylakoïdes. La surface des thylakoïdes porte des ATP-synthases. Schéma 3 :

2 2. Rôle des pigments chlorophylliens, spectres d absorption et d action La chlorophylle brute est un mélange de pigments qui peuvent être séparés et caractérisés par chromatographie. Les chlorophylles a et b sont des pigments verts, le plus souvent majoritaires. Les différents pigments de la chlorophylle brute absorbent certaines radiations lumineuses et donc de l'énergie lumineuse. Le spectre d'absorption de la chlorophylle brute correspond au pourcentage d'absorption de chaque radiation lumineuse. Les radiations absorbées sont principalement situées dans le bleu-violet (400 à 480 nm) et dans le rouge (650 à 700 nm). Le vert n'est pratiquement pas absorbé. Le spectre d action correspond aux radiations efficaces, c'est-à-dire pour lesquelles on observe une photosynthèse importante. En général, les spectres d action et d absorption sont superposables, ce qui signifie que les radiations permettant la photosynthèse sont celles qui sont absorbées par les pigments chlorophylliens (principalement les chlorophylles a et b). 3. Déroulement de la photosynthèse La photosynthèse se déroule en 2 phases : La phase photochimique qui se déroule dans les thylakoïdes, permet la conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique sous forme d'atp et de transporteurs réduits RH 2. La phase chimique qui se déroule dans le stroma, permet la synthèse de glucides grâce à l incorporation du CO 2 et aux produits de la phase photochimique. Les deux phases sont donc couplées. L ensemble des réactions se déroulent dans les chloroplastes grâce à l intervention de nombreuses enzymes. Globalement, ces réactions sont des oxydoréductions (oxydation=perte d'électrons, réduction=gain d'électrons) La phase photochimique La phase photochimique qui s'effectue au niveau des thylakoïdes, est une oxydoréduction entre l'eau et des transporteurs R. - L'eau est oxydée, ce qui entraîne la production de protons et d'électrons ainsi qu'un dégagement d'o 2. 2 H 2 O 4 H e + O 2 - Les transporteurs R sont réduits en RH 2. 2 R + 4 H e 2 RH 2 L'énergie nécessaire à cette oxydoréduction est fournie par la conversion de l'énergie lumineuse absorbée par les pigments chlorophylliens en énergie chimique. La photo-oxydation de l'eau permet la production d'atp (photo-phosphorylation) par les ATP-synthases situées sur la membrane des thylakoïdes. Le bilan de la phase photochimique est donc : Schéma La phase chimique La phase chimique se déroule grâce aux enzymes contenues dans le stroma. Il s'agit globalement d'une oxydoréduction : le CO 2 est réduit en molécule organique (glucide) grâce aux RH 2 qui sont oxydés en fournissant les H nécessaires à la synthèse des molécules organiques. Cette phase est donc couplée à la phase photochimique car elle nécessite l'atp et les RH 2 produits par la phase photochimique. Le bilan de la phase chimique est donc : La phase chimique se déroule en plusieurs étapes formant le cycle de Calvin : - le CO 2 se fixe à une molécule de RuDP, c'est l'accepteur de CO 2 - le RuDP se scinde en deux molécules d'apg (acide phosphoglycérique = phosphoglycérate) - grâce à l'atp et aux RH 2, l'apg est réduit en trioses-phosphates (glucides)

3 - une partie des trioses-phosphates servira à régénérer le RuDP et ainsi à boucler le cycle de Calvin - l'autre partie des trioses-phosphates sera le point de départ de la synthèse d'autres molécules organiques. Schéma 5. Schéma 6. Chapitre 3 : Dégradation des composés organiques et production d ATP La dégradation des molécules organiques dans la cellule s effectue dans le hyaloplasme (= cytosol = solution du cytoplasme) et pour la respiration se termine dans des organites spécialisés, les mitochondries. L ensemble des réactions de dégradation nécessite des enzymes et des transporteurs de protons et d électrons (notés R ). Les réactions de dégradation sont des oxydoréductions qui entraînent la production d'atp. 1. La glycolyse anaérobie, étape initiale de la dégradation des molécules organiques Etape initiale de la dégradation du glucose, elle se déroule en anaérobiose dans le hyaloplasme. La glycolyse est une oxydoréduction : - L'oxydation de la molécule de glucose conduit à la formation de 2 pyruvates (acide pyruvique), de protons et d'électrons. C 6 H 12 O 6 2 pyruvates (CH 3 COCOOH) + 4 H e - Les transporteurs R' sont réduits en R'H 2. 2 R' + 4 H e 2 R'H 2 L'oxydoréduction de la glycolyse permet la synthèse de 2 ATP par molécule de glucose. Le bilan est donc : 2. Respiration et dégradation complète des molécules organiques dans les mitochondries La respiration se déroule en aérobiose dans les mitochondries. La mitochondrie est un organite compartimenté très riche en membrane formant des replis appelés crêtes mitochondriales baignant dans la matrice riche en enzymes et en molécules dissoutes. La surface de la membrane interne porte des ATP-synthases Dégradation complète du pyruvate dans la matrice Le pyruvate résultant de la glycolyse subit une dégradation complète dans la matrice, par une suite de réactions appelée cycle de Krebs. La dégradation du pyruvate est une oxydoréduction qui produit 2 ATP : le pyruvate est oxydé en CO 2, les transporteurs R' sont réduits en R'H 2 :

4 2.2. Réoxydation de R H 2 par l O 2 dans la membrane interne L'oxydation de tous les R H 2 conduit à la libération d'électrons et de protons. Les électrons sont transférés à des corps accepteurs (chaîne respiratoire) situés dans la membrane interne. Le dernier accepteur est l'o 2 qui subit une réduction en H 2 O en récupérant tous les électrons et les protons. Cet ensemble d'oxydoréductions permet la production très importante de 32 ATP. Schéma Fermentation et dégradation incomplète des MO Elle fait suite à la glycolyse et se déroule dans le hyaloplasme. La fermentation est une oxydoréduction : les R'H 2 produits par la glycolyse sont réoxydés, le pyruvate est réduit en une autre molécule organique, éthanol dans le cas de la fermentation alcoolique : La formation d'un résidu organique est la conséquence d'une dégradation partielle des molécules organiques. La fermentation ne produit pas directement de l ATP mais, en entraînant la réoxydation des R', elle permet à la glycolyse de ne pas s'arrêter et donc de produire un peu d'atp. En anaérobiose, la glycolyse est en effet la seule façon de produire de l ATP. 4. Comparaison des voies métaboliques de dégradation des molécules organiques Voie respiratoire Etape Dégradation Lieu Aérobiose / anaérobiose Glycolyse Partielle Hyaloplasme Anaérobie 2 ATP Respiration Totale Mitochondrie Aérobie 34 Total 36 Voie fermentaire Etape Dégradation Lieu Aérobiose / anaérobiose Glycolyse Partielle Hyaloplasme Anaérobie 2 Fermentation Partielle Hyaloplasme Anaérobie 0 ATP Total 2 La dégradation partielle des molécules organiques par la voie fermentaire explique le rendement inférieur par rapport à la voie respiratoire pour laquelle la dégradation est totale. Schéma 8. Chapitre 4 : ATP et activité musculaire 1. Structure des cellules musculaires Un muscle strié squelettique est constitué d'un ensemble de fibres musculaires. La fibre musculaire contient des myofibrilles responsables de la contraction ainsi que de nombreuses mitochondries de grande taille. Les myofibrilles sont constituées de deux types de myofilaments de nature protéique : - filaments épais de myosine - filaments fins d actine La disposition intercalée des myofilaments se traduit par une succession de disques clairs et de disques sombres. Le sarcomère est la portion de myofibrille délimitée par deux stries Z. Schéma Contraction et ATP Lorsqu'une fibre se contracte, la longueur de chaque sarcomère diminue par glissement des myofilaments. Ce glissement est la conséquence de la fixation puis de l'hydrolyse de l'atp sur la myosine qui provoquent un

5 pivotement des têtes de myosine. L'énergie chimique de l'atp est donc convertie en énergie mécanique. Le coulissement des myofilaments résulte de la répétition des événements suivants : - fixation de l'atp sur la tête de myosine décrochement actine / myosine - hydrolyse de l'atp pivotement de la tête de myosine et fixation à l'actine - libération de l'adp traction de l'actine 3. Régénération de l'atp Le fonctionnement de la cellule musculaire exige une grande quantité d ATP. Une partie est convertie en énergie mécanique, l autre est dissipée sous forme de chaleur. Globalement les réserves d ATP ne varient pas pendant la contraction, l ATP est donc régénéré en permanence et rapidement. Au début de l exercice musculaire, la respiration ne peut fournir toute l énergie nécessaire à la contraction : d autres phénomènes producteurs d énergie interviennent (dette en O 2 ). La régénération immédiate de l ATP est assurée par une autre molécule phosphatée, la créatine-phosphate ou phosphocréatine qui permet de produire de l'atp. Phosphocréatine + ADP Créatine + ATP La quantité de phosphocréatine est très faible et donc rapidement épuisée. Le complément d'énergie nécessaire est fourni par la fermentation lactique. La respiration est la voie métabolique essentielle qui permet de fournir l énergie nécessaire au maintien de la contraction. A la fin de l'exercice musculaire, la respiration se poursuit (récupération) afin de régénérer la totalité des réserves d'atp et de phosphocréatine. Créatine + ATP Phosphocréatine + ADP Le muscle possède une certaine autonomie énergétique : - d importantes réserves en glycogène permettant de fournir instantanément du glucose - de la myoglobine (équivalent de l'hémoglobine) permettant de stocker de l'o 2 directement dans la fibre musculaire. Schéma 10.