Chapitre 2: Production d'energie chez les cellules non chlorophylliennes

Chapitre 2 :
On vient de voir que les végétaux, utilise le CO2 atmosphérique (autotrophes) et l’énergie lumineuse (phototrophes) pour produire leur matière organique. Pour cela l'énergie lumineuse est transformé en énergie chimique pour la production d'ATP. Les autres cellules Eucaryotes, sans pouvoir utiliser l’énergie lumineuse doivent produire leurs molécules organiques et l'énergie nécessaire. Cette énergie se présente elle aussi sous forme d'ATP.

Comment les cellules Eucaryotes non chlorophylliennes produisent-elles leur énergie nécessaire à la synthèse de matière organique ?



Hypothèses :
1) Les cellules peuvent produire leur énergie par respiration
2) Les cellules peuvent produire leur énergie par fermentation


I Métabolismes des Levures

Objectif :
1) Montrer le lien entre les métabolismes et l'ATP
2) Caractérisation des métabolismes

TP 1 et 2

CORRECTION TP 1 :
Étape 1 :
L’expérience consiste à mesurer la croissance d’une population de levure dans les conditions de la respiration avec O2 ou de la fermentation sans O2.
En effet, si la respiration et la fermentation régénèrent de l’ATP, et l’ATP permet les synthèses nécessaires à la croissance, alors une régénération d’ATP peut être vue par mesure de la croissance d’une population de levure dans les conditions de la respiration et de la fermentation.

Étape 3 :


Étape 4:
En comparant les résultats des 3 milieux, on peut conclure que la production d’ATP nécessite du glucose et que la présence d’O2 n’est pas indispensable mais stimule la production d’ATP.

Bilan : Une cellule vivante peut régénérer son ATP à partir de molécules organiques comme le glucose
- soit par un processus utilisant du dioxygène = respiration
- soit par un processus ne nécessitant pas d’O2. = fermentation

La respiration et la fermentation permettent donc de renouveler l’ATP nécessaire à la croissance de la population de levure.
Cependant, la croissance étant plus importante dans les conditions de la respiration que dans les conditions de la fermentation, on peut dire que la respiration est énergétiquement plus rentable que la fermentation.



En condition de fermentation, la dégradation d’une molécule de glucose n’est pas totale; elle produit 2 molécules d’ATP.
En condition de respiration, la dégradation d’une molécule de glucose est totale; elle produit 36 molécules d’ATP
La fermentation fournit donc moins d’énergie à la cellule que la respiration.
Lors de ces réactions chimiques, il y a régénération de molécule d’ATP :



II Caractérisation des métabolismes
Hypothèse :
La respiration consiste à produire de l’énergie en dégradant le glucose en présence d’O2 et à produire du CO2.
La fermentation consiste à produire de l’énergie en dégradant le glucose sans O2 et à produire de l’alcool et du CO2.

CORRECTION TP 2 :
Étape 1 :
Respiration : Si la respiration dégrade le glucose en présence de dioxygène en produisant du CO2 alors, on doit pouvoir observer une diminution du taux d’O2 et une augmentation du taux de CO2. Nous aurons besoin d'une sonde à O2 et d'une sonde à CO2
Fermentation : Si la fermentation dégrade le glucose en l’absence de dioxygène en produisant du CO2 et de l’éthanol alors, on doit pouvoir observer une diminution du taux d’O2 et une augmentation du taux de CO2 et d’éthanol. Nous aurons besoin d'une sonde à O2, d'une sonde à CO2 et d'une sonde à éthanol.

Étape 3 :


Étape 4 : Évolution de la concentration de l’O2, le CO2 et l’éthanol des levures.
Sans glucose : il n’y a ni respiration, ni fermentation
On constate qu’au début de l’expérience, la concentration en O2 diminue avec une augmentation du taux de CO2. Les levures respirent. La matière organique est oxydée en matière minérale. Il y a dégradation du glucose : Glucose + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O
Lorsqu’il n’y a plus d’O2, les levures produisent de l’éthanol et du CO2. Le glucose est dégradé. Les levures fermentent :Glucose → Ethanol + CO2 + H2O

La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L'utilisation fermentaire d'une molécule de glucose produit beaucoup moins d'ATP que lors de la respiration.

Comment expliquer que les levures dégradent totalement le glucose en condition de respiration et ne le dégradent pas totalement en condition de fermentation ?



On remarque qu’en milieu aérobie, les levures présentent de nombreuses mitochondries bien développées, tandis qu’en milieu anaérobie celles-ci sont rares et atrophiées. Or en milieu aérobie les levures respirent tandis qu’en milieu anaérobie elles fermentent.

Hypothèses:
1) Les processus cellulaires de la respiration semblent se dérouler dans la mitochondrie.
2) La fermentation semble se dérouler sans la mitochondrie (dans le hyaloplasme (= cytoplasme dépourvu des organites))

III Les processus métaboliques permettant la régénération de l’ATP
A) Mitochondrie et respiration
Tp: Recherche du substrat des mitochondries



Quand on injecte du glucose à une solution de mitochondries isolées, on ne visualise pas de consommation de dioxygène.
Quand on injecte du pyruvate, on visualise une forte consommation de dioxygène.

Conclusion: Cela signifie que la mitochondrie sait utiliser le pyruvate, et pas le glucose, pour effectuer la respiration.

Document: suite TP



Rq:
- G : Glucose (C6H12O6)
- P : acide pyruvique ou pyruvate (CH3COCOOH)
Le nombre de «+» est proportionnel à la quantité de molécules radioactives présentes dans le milieu.

La transformation du glucose en pyruvate = glycolyse est un processus commun à la respiration et la fermentation. Cette transformation se déroule hors des mitochondries : dans le cytoplasme des cellules et plus précisément dans le hyaloplasme.

Le glucose est oxydé en pyruvate donc cette transformation est couplée à la réduction d’un composé réduit et permet la production de 2 molécules d’ATP.

Document mitochondries et respiration



Doc 1 : sur la membrane interne de la mitochondrie et particulièrement au niveau des crètes mitochondriales, il existe des enzymes appelées ATP Synthase (doc. 3 et5) et permettant la synthèse d’ATP.



Doc.2 : Le pyruvate, une fois à l’intérieur de la mitochondrie subit de nombreuses transformations en produisant du CO2 et différents acides selon des réactions d’oxydo réduction (doc .4). l’ensemble de ces tansformations est cyclique et est appelé cycle de Krebs. Le CO2 produit est rejetté de la mitochondrie.



Doc.3 : sur la membrane interne, en plus des ATP synthase on trouve également des complexes d’oxydo réduction.



Doc.4 : la formation du CO2 se réalise dans la matrice des mitochondries et nécessite uniquement du pyruvate. Le pyruvate subit des transformations lors du cycle de Krebs qui produisent du CO2.



Rq : Avec la Glycolyse + cycle de Krebs = 12 R’H2: il faut donc régénérer ces transporteurs réduits



Doc.5 : Sur la membrane interne, il y a des complexes d’oxydo reduction qui forment une chaine respiratoire.
En présence d’ADP et de RH2, il y a production d’ATP et la quantité d’O2 diminue. Or en utilisant un inhibiteur des complexes d’oxydo reduction, on remarque l’arret de la production d’ATP. On peut donc en déduire que les complexes d’oxydo reduction permettent la synthèse d’ATP et nécessite le dioxygène.
Le doc a permet de comprendre comment fonctionne la chaine respiratoire : il y a transfert des électrons lors des réactrions d’oxydo réduction ce qui permet le passage des protons dans l’espace intermembranaire. Ce passage entraine un flux de protons au travert l’ATP synthase et permet de produire de l’ATP.



La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits R'H2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production d'ATP.
Du point de vue énergétique le bilan total de la dégradation d’une molécule de glucose lors de la respiration est :




B) Les réactions chimiques de la fermentation



Bilan