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Module 4: Respiration Cellulaire & Maladies

• Ce module traite de la respiration cellulaire et des maladies associées.
• Si nos cellules ne pouvaient plus produire d'énergie, la vie ne serait pas possible.

Objectifs

• Comprendre les mécanismes de la respiration cellulaire.
• Explorer les maladies dues au dysfonctionnement de la mitochondrie.

Notions de Base

• La respiration cellulaire est le processus qui fournit l'énergie nécessaire aux fonctions cellulaires.
• L'énergie est stockée dans une molécule appelée Adénosine Triphosphate (ATP).
• L'ATP alimente la contraction musculaire, la transmission de l'influx nerveux et la synthèse de protéines.

Respiration Cellulaire

• La première étape de la respiration cellulaire est la glycolyse, qui forme du pyruvate.
• La respiration peut être anaérobie (sans oxygène) ou aérobie (avec oxygène).

Respiration Cellulaire: Localisation et Conditions

• La respiration aérobie se déroule dans les mitochondries et nécessite la présence d'oxygène.
• La respiration anaérobie se déroule dans le cytoplasme et se produit en absence d'oxygène.
• La respiration aérobie produit du CO2 et de l'H2O.
• La respiration anaérobie produit de l'acide lactique.
• Le rendement énergétique de la respiration aérobie(36-38 ATP par molécule de glucose) est élevé.
• Le rendement énergétique de la respiration anaérobie est faible (2 ATP par molécule de glucose).
• La respiration aérobie se produit dans les muscles squelettiques au repos, le coeur, le foie et les reins.
• La respiration anaérobie se passe dans les muscles squelettiques lors d'exercices intenses.
• Lors d'efforts intenses, l'apport insuffisant en oxygène favorise la respiration anaérobie.
• Les conditions pathologiques comme la diminution du flux sanguin peuvent provoquer une ischémie.

Respiration Cellulaire Aérobie

• La respiration cellulaire aérobie est une réaction chimique d'oxydo-réduction.
• Les composés organiques réagissent avec le dioxygène pour former du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'énergie.
• La formule de la respiration cellulaire aérobie est : C6H12O6 + 6O2 > 6CO2 + 6H2O + énergie (= 36 ATP).
• Le glucose est le réducteur (Red1) et perd des électrons, s'oxydant.
• Le dioxygène est l'oxydant (Ox2) et capte des électrons, se réduisant.

Transporteurs d'Électrons

• Le glucose subit une dégradation en plusieurs étapes.
• Lors des étapes, des atomes d'hydrogène (H) sont extraits du glucose et transférés vers les molécules de NAD+ ou de FAD, qui agissent comme accepteurs d'électrons.
• Les électrons suivent un long chemin au cours de la respiration cellulaire aérobie.
• Les électrons passent du glucose au NADH et FADH2, puis à la chaîne de transport d'électrons, et finalement à l'O2.

NADH et FADH2: Rôles et Importance

• Le NAD+ est la forme oxydée, et NADH est la forme réduite après avoir accepté un proton et deux électrons.
• FAD oxydé, et FADH2 est la forme réduite.
• Les électrons transportés par NADH et FADH2 sont cruciaux pour la production de la majorité de l'ATP pendant la phosphorylation oxydative.
• La production de l'ATP se fait par un processus où l'énergie libérée par l'oxydation des nutriments est utilisée.

Formation d'ATP

• Il existe deux façons principales de fabriquer de l'ATP : la phosphorylation au niveau du substrat et la phosphorylation oxydative.
• Seulement 10% de la Phosphorylation se fait au niveau du substrat (phases 1 & 2).
• L'Adénosine diphosphate (ADP) est phosphorylée par transfert direct d'un groupe phosphate d'une molécule phosphorylée.
• 90% Phosphorylation est oxydative (phase 3).
• Le NAD+ est réduit en NADH, générant de l'ATP via la chaîne de transport des électrons.

Respiration Cellulaire Aérobie: Les Étapes

• Les trois stades métaboliques de la respiration cellulaire aérobie sont : la glycolyse, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative.
• La glycolyse a lieu dans le cytosol.
• Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice mitochondriale.
• La phosphorylation oxydative se déroule sur la membrane interne de la mitochondrie.

Glycolyse en Détail

• La glycolyse se déroule en deux phases.
• La première phase est une phase d'investissement énergétique.
• La seconde phase est une phase de production d'énergie avec un gain net de 2 ATP.
• Le glucose est converti en pyruvate (x2) au cours du processus.

Phosphorylation au Niveau du Substrat

• Illustration des réactions de phosphorylation au niveau du substrat.
• Ceci implique le transfert d'un groupe phosphate d'une molécule à haute énergie à l'ADP pour former de l'ATP.

Bilan de la Glycolyse

• La glycolyse produit deux pyruvates, deux ATP et deux NADH.
• Elle ne nécessite pas d'O2 et se produit dans le cytoplasme.
• Les réactifs sont 1 glucose, 4 ADP, 4 Pi, 2 ATP, 2 NAD+ et 2 H+.
• Les produits sont 2 pyruvate, 4 ATP (gain net de 2 ATP), 2 ADP et 2 NADH sont créés.

NADH de la Glycolyse

• Les 2 NADH formés par la glycolyse passent par deux navettes: glycérol-3-phosphate et malate-aspartate.
• Chaque navette contribue à un rendement énergétique différent en ATP.

Oxydation du Pyruvate

• Avant d'entrer dans le cycle de Krebs, le pyruvate issu de la glycolyse subit une oxydation dans la matrice mitochondriale.
• Le CO2 est éliminé de chaque molécule de pyruvate.
• Le pyruvate est décomposé par la pyruvate déshydrogénase.
• Le CoA s'attache avec le groupe acétyl pour former l'acétyl-CoA.

Bilan Moléculaire de l'Oxydation du Pyruvate

• Pour chaque molécule de pyruvate, il y a formation d'une molécule de CO2, une molécule de NADH et une molécule d'acétyl-CoA.

Cycle de Krebs: Le Processus

• L'oxaloacétate (4C) se lie à l'acétyl-CoA (2C) pour former le citrate (6C).
• Réarrangement du citrate en isocitrate, suivi d'oxydation produisant du NADH. Une molécule de CO2 est libérée, formant l'α-cétoglutarate (5C).
• L'α-cétoglutarate est oxydé, générant du NADH et libérant une seconde molécule de CO2. Le succinyl-CoA est converti en succinate, libérant de l'ATP.

Étapes du Cycle de Krebs

• Détail des étapes et des enzymes impliquées dans le cycle de Krebs.
• Citrate synthase catalyse la première étape, suivie de plusieurs réactions impliquant des aconitases, des déshydrogénases et d'autres enzymes.

Bilan du Cycle de Krebs

• Pour un glucose, le cycle de Krebs produit 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2 et 4 CO2.
• Chaque molécule de pyruvate issue de la glycolyse entre dans le cycle de Krebs.
• Le cycle se répète donc deux fois pour chaque molécule de glucose.

Phosphorylation Oxydative: Chaine de Transport d'Électrons (CTE)

• La chaîne de transport d'électrons (CTE) se déroule dans la membrane interne de la mitochondrie.
• Elle implique 5 complexes protéiques (I à V) et 2 transporteurs d'électrons mobiles : ubiquinone (Q) et cytochrome C (C).
• Le complexe I reçoit des électrons du NADH, et le complexe II reçoit des électrons du FADH2.
• Les électrons passent de l'ubiquinone (Q) au complexe III, puis au cytochrome C (C), et sont transférés au complexe IV.
• La partie terminale de la chaîne (Complexe IV), catalyse la réduction de l'oxygène pour former de l'eau (H2O).

Phosphorylation Oxydative: Protèines CTE et Gradient Électrochimique

• NADH et FADH2 libèrent les électrons de la glycolyse et du cycle de Krebs dans la chaîne de transport d'électrons.
• Les protéines de la CTE pompent des ions hydrogène (protons) de la matrice vers l'espace intermembranaire.
• Un gradient électrochimique de protons est créé à travers la membrane mitochondriale interne(complexes I, III et IV).

Les Effets des Ions H+ et l'ATP Synthase

• Les ions H+ (protons) se déplacent de l'espace intermembranaire via l'ATP synthase.
• L'ATP synthase fabrique de l'ATP par phosphorylation de I'ADP.
• L'énergie libérée lors du passage des ions H+ lie l'ADP au Pi pour produire de l'ATP.
• L'énergie retirée : 1 NADH = 3 ATP; 1 FADH2 = 2 ATP.

L'importance de l'Oxygène

• L'oxygène est l'accepteur final d'électrons à la fin de l'ETC.
• L'oxygène accepte les électrons, se combine avec les protons et devient de l'eau.

Vue d'Ensemble Production d'ATP

• Vue d'ensemble de la production d'ATP selon navette.

Vue d'Ensemble: Bilan Énergétique de l'Oxydation Complète d'une Molécule de Glucose

• Glycolyse: 2 ATP directement, 2 x NADH, H+ ce qui donne 6 ATP ou 4 ATP selon la navette.
• Décarboxylation oxydative du pyruvate: 2 x NADH donnant 6 ATP.
• Cycle de Krebs: 2 x 1 ATP directement, 2 x 3 NADH, H+ et 2x 1 FADH2 ce qui donne 18 ATP et 4 ATP.
• Bilan partiel: 4 ATP, Bilan total: 36 à 38 ATP formés.

Respiration Cellulaire Aérobie: Graphique Bilan

• Un graphique illustrant le bilan de la respiration cellulaire aérobie.
• Une représentation visuelle des différentes étapes, des molécules impliquées et des produits formés.

Activité: Défauts Mitochondriaux et Maladies

• L'activité porte sur les défauts mitochondriaux et les maladies associées.

Objectif de l'Activité: Mutations et Chaîne Respiratoire

• L'objectif est de comprendre comment les mutations affectent la chaîne respiratoire mitochondriale et entraînent des maladies comme la neuropathie optique héréditaire de Leber ou le syndrome de Leigh.
• La chaîne respiratoire se trouve dans la membrane interne de la mitochondrie, constituée de 5 complexes protéiques et de 2 transporteurs d'électrons mobiles (ubiquinone Q et cytochrome C).

Comment les Mutations Affectent la Chaîne Respiratoire?

• Quel est l'effet de la mutation de chacun des complexes sur le transport d'e- et le transport de proton?
• Quel complexe de la chaîne respiratoire a généralement l'impact le plus sévère lorsqu'il est muté? Expliquez.

Maladies Mitochondriales

• Les maladies mitochondriales peuvent affecter différents tissus, en particulier ceux qui utilisent beaucoup d'énergie (muscle, oreille, rein, coeur, foie, oeil, cerveau).
• Ces maladies sont fréquentes et dues à un défaut de la chaîne des oxydations phosphorylantes.

La Mitochondrie et son Matériel Génétique.

• La mitochondrie contient 13 protéines de la chaîne respiratoire codées par son génome.
• Plus de 900 protéines proviennent du génome nucléaire.
• Les maladies mitochondriales peuvent être dues à des anomalies du génome mitochondrial ou du génome nucléaire.

Maladies: Mitochondriopathies du Génome Mitochondrial

• Les mutations dans le génome mitochondrial peuvent causer des délétions ou des mutations ponctuelles.
• La maladie de Kearns-Sayre est une maladie neuromusculaire caractérisée par une ophtalmoplégie et une myopathie, causée par la délétion de I'ADNmt.

Maladies: Mutations Ponctuelles de l'ADNmt

• La neuropathie optique de Leber cause une diminution progressive de la vision.
• Des anomalies des gènes mitochondriaux codant pour la protéine du complexe I sont associées à cette pathologie.
• Le syndrome NARP (neuropathie, ataxie, rétinite pigmentaire) est causé par une mutation du gène ATP6 (code une protéine du complexe V).

Mitochondriopathies du Génome Nucléaire

• Le syndrome de Leigh est associé à une mutation du gène SURF-1, qui assemble le complexe IV.
• L'ataxie de Friedreich est liée à des mutations du gène frataxine, entraînant une concentration anormale de fer dans les mitochondries.
• Ces mutations entraînent une production réduite d'ATP et des troubles neurodégénératifs.
• La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est liée à une mutation du gène SOD1, qui augmente la production de radicaux libres, causant un stress oxydatif au niveau des motoneurones.

Formation des Radicaux Libres

• Les radicaux superoxydes sont produits dans les complexes I et III de la chaîne de transport d'électrons.
• La production de radicaux libres se fait en transférant des électrons vers l'oxygène moléculaire.

Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA): Information Additionelle

• La maladie de Charcot (SLA) est une maladie neurodégénérative qui cause paralysie progressive.
• Degeneration des motoneurones supérieurs et inférieurs.