F2 / Etude de quelques voies métaboliques F2_Activité 5_2_EXERCICES : Etude du devenir du pyruvate, en voie AEROBIE Etape 3 ETAPE 3 : LA PHOSHORYLATION OXYDATIVE Alors que les étapes 1 (pyruvate déshydrogénase) et 2 (cycle de Krebs) se déroulent dans la matrice mitochondriale, l étape 3 (phosphorylation oxydative) se déroule dans la MEMBRANE MITONCHONDIRALE INTERNE. Son fonctionnement est très différent des processus déjà rencontrés. La PHOSPHORYLATION OXYDATIVE est le processus de production de l ATP par 2 phénomènes : 1. un transfert d électrons du NADH ou du FADH 2 jusqu au O 2 final à travers une série de transporteurs d électrons, paralellement un gradient de protons est crée. On nomme ceci la chaine respiratoire. C est un processus très exergonique. 2. la phosphorylation de l ATP, couplée à un flux de protons dans la matrice mitochondriale. Travail élève : A l aide de vos connaissances et par analyse des documents fournis, répondre aux questions suivantes. 1. Effectuer une étude et une analyse détaillées des documents 2 et 3 afin de comprendre le principe général permettant la production d ATP dans les mitochondries. En faire un résumé. 2. Indiquer où se déroule la phosphorylation oxydative dans la cellule. 3. Document 6 : Donner les noms des 3 scientifiques ayant permis de comprendre le mécanisme de la phosphorylation oxydative. Cette explication est-elle récente? 4. Etude de la chaine respiratoire : Document 4 La membrane interne mitochondriale comporte de nombreuses chaînes respiratoires. Le Document 4 montre l organisation schématique d une chaîne respiratoire constituée : d un ensemble de 4 complexes de protéines enzymatiques insérées dans la bicouche lipidique de la membrane interne. Ces complexes comportent des couples oxydant-réducteur à travers lesquels des électrons transitent, depuis les coenzymes réduits jusqu à l accepteur final O 2 : de 2 cofacteurs : l ubiquinone (UQ) et e cytochrome c (Cyt c) qui sont des molécules existant sous forme réduite ou oxydée et qui, grâce à leur caractère apolaire, sont capables de diffuser dans la bicouche lipidique et de transférer les électrons (sorte de «navette à électrons») entre les complexes protéiques. 4.1. Donner les demi-équations rédox des couples suivants : 4.1.1. NAD + /NADH ; 4.1.2. FAD/FADH 2 ; 4.1.3. UQ/UQH 2 ; 4.1.4. O 2 /H 2 O (en équilibrant avec ½ O 2 ). 4.2. Donner l équation bilan et calculer la variation d enthalpie libre standard, r G en kj. mol 1, des réactions de transfert des électrons des coenzymes réduits (NADH et FADH 2 ) à l O 2. Conclure sur sa nature énergétique. On rappelle, que pour les réactions rédox, l enthalpie libre standard se calcule à l aide de la formule : r G = n. F. E avec F = 96 500 C. mol 1 Page 1 sur 5
4.3. Justifier, très soigneusement, l ordre des systèmes d oxydoréduction constituants la chaîne respiratoire. 4.4. Justifier la nature du couplage se produisant dans les complexes I, III et IV. 4.5. Sachant que l enthalpie libre standard de l équilibre transport de protons dans le sens du gradient de concentration est de : r G (1) = 21, 5 kj. mol 1. Calculer l enthalpie libre standard globale entre la réaction d oxydation de NADH et le transfert de protons transmembranaire. Conclure sur sa nature énergétique. Est-ce en accord avec les informations de l énoncé? 4.6. Quel type de molécule est le Cytochrome c? L illustrer en indiquant le nom d une structure secondaire particulière visible sur la molécule. 5. Etude de la phosphorylation de l ATP : 5.1. Indiquer la nature du couplage permettant la phosphorylation de l ATP. 5.2. Construire le schéma simplifié correspondant. Document 1 : Organisation de la mitochondrie Document 2 : L essentiel de la phosphorylation oxydative Les oxydations et la synthèse de l ATP sont couplées par des flux de transports de protons transmembranaires. Source : BIOCHIMIE, Berg / Tymoczko / Stryer, Médicines - Sciences, Ed Flammarion Page 2 sur 5
Document 3 : Schéma bilan : production mitochondriale d ATP Document 4 : Chaîne respiratoire a) Transfert d électrons des coenzymes réduits jusqu à l accepteur terminal b) Couplage chimio-osmotique avec le transport de protons transmembranaire Page 3 sur 5
c) Structures chimiques du couple Ubiquinone (coenzyme Q10 ou UQ)/Ubiquinol (HQH 2 ) Source : Wikipédia d) Structure chimiques du cytochrome c (hème coordonné à un cation fer) Source : Wikipédia e) Les principaux couples rédox de la chaine respiratoire et leur potentiel standard. couple rédox ou complexe potentiel standard apparent E en V NAD + /NADH 0,32 Complexe I 0,27 FAD/FADH 2 0,22 Complexe II 0,030 Ubiquinone/Ubiquinol +0,045 Complexe III +0,215 Cyt c ox/ Cyt c réd + 0,25 Complexe IV +0,39 O 2 /H 2 O +0,82 Sources : Chimie, Biochimie, Sciences du Vivant T ale STL, Ed CNDP + Ed Casteilla Page 4 sur 5
Document 5 : ATP Synthase, le merveilleux moteur rotatif de la cellule L ATP synthase produit de l ATP par phosphorylation d ADP en fonctionnant à l image d une turbine dans une centrale hydro-électrique. Une turbine est en effet constituée d une partie fixe, le stator, qui maintient la partie mobile, le rotor. L énergie de l eau qui traverse la turbine est suffisante pour faire tourner le rotor et ainsi produire de l électricité. L ATP synthase est en fait constituée de 3 sous unités - une sous unité F 0, ancrée dans la membrane, qui comprend le stator et le rotor - une sous unité F 1 possédant une activité ATP synthase - une tige (b sur le schéma) reliant l unité F 0 et F 1. Sous l effet du gradient de protons, l ATP synthase, servant de facteur de couplage, catalyse la synthèse d ATP à partir d ADP et de Pi en utilisant l énergie contenue dans le gradient de protons. Document 6 : Un peu d histoire des Sciences La réponse qui a permis de décrire le mécanisme enzymatique de la synthèse de l'atp a été apportée par trois scientifiques. La théorie chimio-osmotique formulée par Peter Mitchell en 1961 (Prix Nobel en 1978) postule que le gradient de concentration de protons crée à travers la membrane sert de réservoir d'énergie libre pour la synthèse d'atp. C'est Paul BOYER (Prix Nobel en 1997) qui a proposé un modèle pour le mécanisme enzymatique de la synthèse de l'atp. Ce modèle a été confirmé par l'élucidation de la structure tridimensionnelle de l'atp synthase par John WALKER (Prix Nobel en 1997). Page 5 sur 5