Lorganisme a des besoins pour fonctionner Solaire Besoins
L’organisme a des besoins pour fonctionner : Solaire Besoins d’énergie Cf photosynthèse: acquisition de l’énergie et investissement dans la matière Contenue dans les aliments Cette énergie est donc stockée dans des molécules organiques (glucides, lipides, protides) Comment l’organisme récupère-t-il l’énergie stockée dans les molécules organiques ?
En classe de première, nous avons vu que les fibres musculaires possèdent deux types de métabolisme: fibres glycolytiques (anaérobie), et fibres oxydatives (aérobie) La première étape de la dégradation est commune aux 2 types de fibres : la glycolyse (anaérobie) La deuxième étape est spécifique : - anaérobie: fermentation - aérobie: respiration
(1ère étape commune à la respiration et à la fermentation)
La glycolyse est la dégradation d’une molécule de glucose (6 carbones) en 2 molécules d’acide pyruvique ( 3 carbones) et 2 molécules d’ATP. Ces réactions se déroulent dans le cytosol en conditions anaérobies. Rappel: elle est réalisée chez les autotrophes comme chez les hétérotrophes. L’exemple suivant se déroule dans une cellule animale.
Membrane plasmique Glucose Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) noyau
glucose 2 ATP 1: Activation du glucose par 2 ATP 2 ADP Fru-1, 6 bi-P 2: scission du fru 1, 6 bi. P en 2 molécules à 3 C (DHAP et GAP) 2 NAD+ 3: oxydation des molécules à 3 C par le NAD+ ( NADH, H+) et 2 NADH, H+ déphosphorylation des DHAP et GAP formation d’ATP 2 acides pyruviques
Bilan de la glycolyse glucose 2 acides pyruviques 2 NAD+ 2 NADH, H+ 2 ADP 2 Pi Comment les NADH, H+ sont-ils réoxydés ? Que devient l’acide pyruvique ? 2 ATP
Membrane plasmique Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) noyau glycolyse Glucose 2 Acides pyruviques Suite de la fermentation dans le cytosol (conditions anaérobies)
Il existe plusieurs types de fermentation dont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique. Le produit final de la fermentation alcoolique (réalisée chez des levures par exemple) est de l’éthanol. Cette réaction est utilisée par l’industrie agroalimentaire à des fins de production (bière par exemple). Les cellules musculaires humaines utilisent la fermentation lactique lorsque l’oxygène est rare (au tout début d’un effort physique intense). La fermentation correspond à une dégradation partielle du substrat (glucose) en absence de dioxygène. Elle se déroule entièrement dans le cytosol. L’acide pyruvique produit lors de la glycolyse (1ère étape de la fermentation) est alors réduit en lactate (acide lactique) par du NADH, H+ dans les muscles.
2 acides pyruviques 4 : réduction de l’acide pyruvique par le NADH, H+ ( NAD+) 2 NADH, H+ et formation d’acide lactique. 2 NAD+ 2 acides lactiques
glucose La fermentation lactique 2 ATP 2 ADP Fru-1, 6 bi-P 2 NAD+ Couplage entre les 2 phases de la fermentation pour régénérer les accepteurs d’électrons 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques 2 NAD+ 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques
Bilan simplifié de la fermentation (lactique) glucose 2 acides lactiques 2 ADP+2 Pi 2 ATP la fermentation est un catabolisme faiblement énergétique : la dégradation partielle d’une molécule de glucose permet la synthèse de 2 ATP.
Comment se produit la dégradation du glucose en conditions aérobies ?
Membrane plasmique Glucose Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension) noyau 2 Acides pyruviques Suite de la dégradation dans le cytosol en conditions anaérobies (suite de la fermentation) En conditions aérobies, suite de la dégradation dans la mitochondrie (suite de la respiration)
La respiration cellulaire est une dégradation totale du substrat ( glucose) en 6 CO 2 et 6 H 2 O en conditions aérobies. La première étape ( glycolyse) se déroule dans le cytosol. Les 2 nde et 3ème étapes se déroulent dans la mitochondrie en présence de dioxygène et produisent au maximum 36 ATP.
La mitochondrie (vue au MET) Membrane externe Membrane interne Crêtes mitochondriales matrice hyaloplasme = cytosol
acide pyruvique Cycle de Krebs (simplifié) A Co Fixation coenzyme co. A, Fixation d’un de l’acétyl-co-A sur le décarboxylation (libération substrat (oxaloacétate) et d’un décarboxylation CO 2), et réduction du NAD+ libération du coenzyme A en Acétyl-co-A NADH, H+ formation de citrate d’acétyl-co. A Réduction Synthèse Réduction d’ATP du du. NAD+ et libération enen du Co. A oxaloacétate Réduction du du NAD+ en et NADH, H+, fixation co. A NADH, H+ formation et réorganisation de du. FAD succinate co. Aen et. FADH 2 de formation NADH, H+et régénération de réorganisation la molécule carbonée dede la malate molécule en décarboxylation l’oxaloacétate (substrat du carbonée en succinyl-co. A CG -cétoglutarate cycle) Co. A malate FADH 2 FAD Succinylco. A Succinate Co. A
Lors de la glycolyse, la dégradation du glucose produit 2 molécules d’acides pyruviques… Donc le bilan est le suivant: 6 CO 2 2 acides pyruviques 8 NADH, H+ 2 ADP 2 ATP 2 Pi 2 FAD 8 NAD+ 2 FADH 2
Nous avions vu que la dégradation d’une molécule de glucose en conditions aérobies produisait 36 molécules d’ATP. Or, 2 molécules ont été produites lors de la glycolyse et 2 lors de la phase suivante. Comment sont produites les autres molécules d’ATP ? De plus comment les accepteurs d’électrons sont-ils réoxydés pour être réutilisés dans le cycle de Krebs ? 3ème phase de la respiration: couplage de la chaîne de transfert d’électrons à la synthèse d’ATP au niveau des membranes internes de la mitochondrie.
Synthèse d’ATP couplée à la chaîne de transporteurs d’électrons… Les protons , les électrons récupérés de NADH, H+ réagissent alors avec la Membrane externe molécule d’O 2 pour former de l’eau qui mitochondriale est ensuite libérée dans le milieu Espace externe. H+, H+H+, intermembranaire Chaine de transfert des H+, H+, H+… électrons e. Membrane interne Matrice Le gradient 2 H+ + 1/2 O 2 H 2 O ATP synthase de protons ainsi créé esten charge des électrons Oxydation de NADH, H+, prise mitochondriale utilisépar comme source d’énergie par interne l’ATP de la mitochondrie la chaîne de la membrane synthase pour synthétiser de l’ATP à partir et transfert des H+ dans l’espace intermembranaire. d’ADP +Pi. H+, H+
glucose Bilan de la respiration cellulaire 2 ATP 2 A DP Fru-1, 6 bi. P 1: glycolyse 2 NAD+ 2 acides pyruviques 2: Cycle de Krebs 2 NADH, H + H+, H+H+, H+, H+, H+… 3: Synthèse d’ATP par phosphorylation oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale e - 2 H+, +1/2 O 2 H 2 O H+, H+
Bilan de la respiration cellulaire glucose 6 CO 2 6 H 2 O 36 ATP 36 ADP +36 Pi Les accepteurs d’électrons ont été ré oxydés lors de la 3ème phase… la respiration est un catabolisme hautement énergétique : la dégradation totale d’une molécule de glucose permet la synthèse de 36 ATP.
glucose Rappel: 2 ATP 1: glycolyse 2 ADP Fru-1, 6 bi-P La fermentation lactique 2 NAD+ 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques 2: réoxydation 2 NAD+ des transporteurs d’électrons 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques
Bilan de la glycolyse (cytosol) glucose 2 acides pyruviques 2 NAD+ 2 ADP 2 NADH, H+ 2 ATP 2 Pi Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie) Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol) glucose 2 acides lactiques 6 CO 2 glucose 6 O 2 2 ADP+2 Pi 2 ATP 36 ADP +36 Pi 6 H 2 O 36 ATP
Synthèse de 2 molécules d’ATP lors de la glycolyse, la 2ème phase de la fermentation permet uniquement de réoxyder les accepteurs d’électrons. Les 2ème et 3ème phases de la respiration cellulaire permettent de réoxyder les accepteurs d’électrons et de synthétiser 36 molécules d’ATP supplémentaires en conditions aérobies!!! Remarque : 2 molécules d’ATP sont consommées pour le transfert des molécules du cytosol vers la mitochondrie…
L’ATP est la seule source d’énergie directement utilisable pour la contraction musculaire. Or, les stocks d’ATP ne peuvent assurer qu’une contraction de 4 à 6 secondes. Il doit donc être régénéré. Comment l’ATP est-il régénéré durant l’activité musculaire ? Suite Module M 3
Phosphorylation directe (couplée à la créatine phosphate) Créatine-P Créatine Fermentation lactique (voie anaérobie) Respiration cellulaire (voie aérobie) Cette voie de régénération de l’ATP permet de fournir l’énergie nécessaire à un effort musculaire de 10 secondes environ. Créatine-phosphate: molécule à haute énergie emmagasinée dans les muscles. Réaction réversible lors d’une production trop importante d’ATP ( stockage d’énergie sous forme de créatine-P) Cette voie s’active en présence ou en absence de O 2 mais n’utilise pas de O 2 d’où voie anaérobie. Durée de la réserve d’énergie : 30 à 60 s. Problèmes: rendement faible (2 ATP/molécule de glucose) et accumulation d’acide lactique à l’origine de fatigue musculaire. Lors d’une activité physique légère et prolongée; permet de réaliser un exercice durant plusieurs heures. Rendement énergétique important (36 ATP /molécule de glucose) mais besoin de O 2. Peut utiliser également acides gras et acides aminés comme source d’ATP au lieu d’acide pyruvique. Déchets: H 2 O et CO 2.
Systèmes énergétiques mis en jeu pendant les activités sportives… Énergie nécessaire pour exercices intenses mais brefs (haltérophilie, sprint, plongeon…) provient uniquement des réserves d’ATP et de la créatine phosphate. Exercices avec efforts intermittents (football, tennis, nage 100 m…) alimentés presque exclusivement par voie anaérobie. Exercices d’endurances (marathon, course à pied: voie aérobie). En réalité, voies aérobie et anaérobie intimement liées, voie anaérobie intervient surtout au début d’un effort physique pendant que créatine-P s’épuise et que voie aérobie se met en place. Mais voie anaérobie peut compléter voie aérobie si elle ne suffit plus (effort très intense et très long).
Doc. 1
Doc. 2 1: 2: 3:
Doc. 3 4:
glucose Doc. 4 2 ATP 2 ADP Fru-1, 6 bi-P 2 NAD+ 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques 2 acides lactiques 2 NAD+ 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques
Doc. 5
Doc. 6
H+, H+, H+… Doc. 7
glucose Bilan de la respiration cellulaire 2 ATP 2 ADP Fru-1, 6 bi-P 1: 2 NAD+ 2: 2 NADH, H+ 2 acides pyruviques Doc. 8 3: par phosphorylation oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale H+, H+H+, H+, H+, H+… e - 2 H+, +1/2 O 2 H 2 O H+, H+
Doc. 9 Bilan de la glycolyse (cytosol) glucose 2 acides pyruviques 2 NAD+ 2 ADP 2 NADH, H+ 2 ATP 2 Pi Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie) Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol) glucose 2 acides lactiques 6 CO 2 glucose 6 O 2 2 ADP+2 Pi 2 ATP 36 ADP +36 Pi 6 H 2 O 36 ATP
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