Respiration Cellulaire: Semaine 13

La production d’énergie ATP et respiration cellulaire Campbell Chap. 8 section 8.3 Chap. 9 La production d’énergie ATP et respiration cellulaire Campbell Chap. 8 section 8.3 Chap. 9 MITOCHONDRIE La mitochondrie est l’organite...

La production d’énergie ATP et respiration cellulaire Campbell Chap. 8 section 8.3 Chap. 9 La production d’énergie ATP et respiration cellulaire Campbell Chap. 8 section 8.3 Chap. 9 MITOCHONDRIE La mitochondrie est l’organite responsable de produire l’ATP, la molécule d’énergie de la cellule, par le processus de respiration cellulaire. 1. ATP : Structure et fonctions Plusieurs travaux cellulaires nécessitent de l’énergie. Cette énergie est stockée et fournie par l’ATP Ex. Travail de transport : transport actif Ex. Travail mécanique : protéines motrices Fig. 8.10, Campbell 2020 Autres exemples: certaines réactions enzymatiques transport vésiculaire contraction des cellules musculaires 3 1. ATP : Structure et fonctions L’ATP est un nucléotide d’ARN (Adénosine) modifié: → ajout de 2 groupements PO4- supplémentaires = Adénosine TriPhosphate L’énergie de l’ATP est contenue dans la liaison du dernier groupement PO4- lien riche en énergie Fig. 8.8, Campbell 2020 4 1. ATP : Structure et fonctions L’ATP peut être comparée à une pile rechargeable : L’ATP est la forme à haute énergie (pile chargée). Lorsqu’elle perd un P, elle libère de l’énergie et devient de l’ADP une forme à basse énergie (pile déchargée). Le dégagement d’énergie provient du réarrangement des électrons lors de l’hydrolyse de la liaison. énergie libérée 5 1. ATP : Structure et fonctions L’ADP peut être rechargée en ATP avec de l’énergie et un P. L’énergie nécessaire provient des nutriments, principalement le glucose. Chaque cellule est responsable de produire ses propres molécules d’ATP (recharger ses piles). Ce processus se nomme la respiration cellulaire. énergie externe (nutriments, surtout glucose) 6 2. La mitochondrie La respiration cellulaire a lieu dans les mitochondries des cellules. Plus une cellule est active, plus elle a de mitochondries. Structure: ✓ 2 membranes ✓ ADN ✓ ribosomes Fig. 6.17, Campbell, 2020 7 3. La respiration cellulaire: généralités La respiration cellulaire nécessite deux réactifs : ✓ Nutriments (glucose) ✓ O2 Principe : L’oxydation d’une molécule de glucose permet de le décomposer en CO2 et H2O et d’extraire suffisamment d’énergie pour produire 32 molécules d’ATP. Une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur. Équation : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H20 + 32 ATP + chaleur 8 3. La respiration cellulaire: généralités La respiration cellulaire est comparable à la réaction de combustion de l’essence : O2 La mitochondrie est le moteur des cellules et le carburant Énergie sont les nutriments (glucose). Énergie chimique mécanique Le glucose est consumé par l’O2 pour donner de l’énergie (ATP) et des déchets (CO2 et eau) CO2 + H2O 9 3. La respiration cellulaire: généralités D’où proviennent les nutriments et l’O2 nécessaires à la respiration cellulaire ? Le système digestif hydrolyse les Le système respiratoire achemine macromolécules en monomères O2 l’air aux poumons qui absorbent l’O2 absorbables (nutriments). L’O2 est transporté par la circulation Ex. polysaccharides → glucose Aliments sanguine jusqu’aux cellules. protéines → acides aminés L’O2 traverse la membrane des Ceux-ci sont ensuite distribués aux O2 cellules par ______________________ cellules par la circulation sanguine. Le glucose traverse la membrane des cellules par _______________________ Nutriments 10 3. La respiration cellulaire: généralités La respiration cellulaire se réalise en 3 grandes étapes : 1. Glycolyse ✓ Dans le cytosol ✓ Ne nécessite pas d’O2 2. Cycle de l’acide citrique ✓ Dans la mitochondrie ✓ Nécessite de l’O2 3. Phosphorylation oxydative ✓ Dans la mitochondrie ✓ Nécessite de l’O2 Fig. 9.6 Campbell, 2020 11 3. La respiration cellulaire: généralités Durant ces étapes, l’ATP est produite de deux façons : Phosphorylation au niveau du substrat - produit 4 ATP - durant les étapes de glycolyse et cycle de l’acide citrique Transfert sur l’ADP d’un groupement P provenant d’un substrat impliqué dans les étapes. 2 2 Fig. 9.6 Campbell, 2020 Figure 9.7 Campbell 2020 12 3. La respiration cellulaire: généralités Durant ces étapes, l’ATP est produite de deux façons : Phosphorylation oxydative - produit 28 ATP - durant la dernière étape Des électrons énergétiques provenant de la dégradation du glucose lors des 2 premières étapes sont récupérés et transportés par des coenzymes (NADH et FADH2). 28 Ces électrons alimenteront la production d’ATP. Fig. 9.6 Campbell, 2020 13 3. La respiration cellulaire: généralités Rôle des coenzymes Les coenzymes captent des électrons (et protons) provenant d’atomes d’hydrogène arrachés au glucose lors de sa dégradation enzymatique. Elles deviennent alors des transporteurs d’électrons. Coenzymes dérivés de Transporteurs vitamines du d’électrons de groupe B haute énergie Exemple du rôle de la coenzyme NAD+ lors de la glycolyse : Transportent 4 électrons énergétiques 14 3. La respiration cellulaire: généralités Les réactions faisant intervenir les coenzymes sont des réactions d’oxydoréduction = réactions dans lesquelles il y a transfert d’électrons entre molécules. Une molécule est oxydée lorsqu’elle perd des électrons. Une molécule est réduite lorsqu’elle gagne des électrons. Ex. Lors de la glycolyse, le glucose est oxydé en pyruvate et le NAD+ est réduit en NADH 15 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 1: glycolyse glucose Le glucose contient une quantité importante d’énergie chimique. Sa dégradation est exergonique. Besoin d’énergie pour initier la Énergie chimique réaction (énergie d’activation). 17 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 1: glycolyse Lieu: cytosol Phase d’investissement d’énergie : Glucose (6 C) → 2 PGAL (3 C) Utilise 2 ATP 2 PGAL Phase de libération d’énergie : 2 PGAL (3 C) → 2 Pyruvate ( 3C) Forme 4 ATP 2 NADH Figure 9.8 Campbell 2020 18 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 1: glycolyse Phase d’investissement d’énergie Ces réactions demandent de l’ATP = énergie d’activation Fig. 9.9 Campbell 2020 20 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 1: glycolyse Synthèse d’ATP par phosphorylation au niveau du substrat Phase de libération d’énergie (2x) Fig. 9.9 Campbell 2020 21 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 1: glycolyse Bilan: 2 pyruvate (3 C) 2 ATP 2 NADH Fig. 9.8 Campbell, 2020 22 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 2: Cycle de l’acide citrique 2 Lieu : matrice mitochondriale Le pyruvate traverse les deux membranes mitochondriales pour atteindre la matrice. 2 Pour entrer dans le cycle, le pyruvate (3 C) doit être 2 converti en acétyl-CoA (2 C) 2 Il perd un C sous forme de CO2 et des électrons qui sont captés par NAD+. Devient un Acétyl. La coenzyme A s’attache à l’acétyl. Devient Acétyl-CoA Figure 9.11 Campbell 2020 23 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 2: Cycle de l’acide citrique L’acétyl-CoA (2 C) entre dans le cycle en se liant à l’oxaloacétate (4 C) pour former du citrate (acide citrique) d’où le cycle tient son nom. Le citrate subit alors plusieurs transformations qui génèrent du CO2, NADH, FADH2 et ATP pour finalement être transformé en oxaloacétate afin de perpétuer le cycle. Synthèse d’ATP par phosphorylation au niveau du substrat Fig. 9.12, Campbell 24 2020 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 2: Cycle de l’acide citrique 2x Bilan: 6 CO2 2x 8 NADH 2x 2 ATP 2 FADH2 2x = 4 2x 2x = 6 2x 25 Figure 9.11 Campbell 2020 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative 26 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative Les NADH et FADH2 donnent leurs électrons énergétiques à 4 2 une chaîne de transporteurs 4 d’électrons située dans la 4 membrane interne. Les électrons sont cédés d’un transporteur ayant moins d’affinité vers un transporteur ayant plus d’affinité pour les électrons. L’accepteur final 4 est l’O2. Figure 9.15 Campbell 2020 27 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative Lors de leur transfert, les électrons perdent peu à peu de l’énergie 2 4 4 Cette énergie alimente le 4 transport actif d’ions H+ de la matrice vers l’espace intermembranaire. Le NADH permet de pomper 10 H+ alors que le FADH2 permet de pomper 6 H+. 4 = Création d’un gradient de H+ Figure 9.15 Campbell 2020 28 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative Les H+ accumulés dans l’espace intermembranaire passent par le canal de l’enzyme ATP 2 4 synthase en suivant leur 4 gradient électrochimique. 4 Le flux de H+ active l’enzyme qui catalyse la liaison entre ADP + P → ATP Pour 1 NADH → 2,5 ATP produits Pour 1 FADH2 → 1,5 ATP produits 4 Figure 9.15 Campbell 2020 29 Pourquoi parle-t-on de fractions d’ATP? Le NADH donne ses électrons au complexe I. Le FADH2 donne ses électrons directement au complexe III sans passer par le complexe I. En évitant le complexe I, le FADH2 ,fait entrer 4 H+ de moins. Au lieu de faire entrer 10 H+, il en fait entrer 6. L’ATP synthase a besoin de 4 H+ pour faire un ATP. Le NADH qui fait entrer 10 H+ permet donc de former 2,5 ATP. Le FADH2 qui fait entrer 6 H+ permet donc de former 1,5 ATP. Mais, en réalité, on ne forme pas des moitiés d’ATP! 30 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative Fonctionnement de l’ATP synthase Le flux de protons (H+) dans le rotor de l’enzyme active sa rotation Espace intermembranaire L’énergie mécanique est transférée vers la tête de l’enzyme Matrice mitochondriale → Modification de sa structure 3D permettant l’accès des substrats (ADP et P) au site actif. Ce processus se nomme chimiosmose Figure 9.14 Campbell 2020 31 3. La respiration cellulaire: étude détaillée Étape 3: Phosphorylation oxydative Bilan: 10 NADH x 2,5 ATP = 25 ATP 2 FADH2 x 1,5 ATP = 3 ATP TOTAL = 28 ATP 2x 10 x 32 3. La respiration cellulaire: Bilan final Figure 9.16 Campbell 2020 33 3. La respiration cellulaire: Il n’y a pas que le glucose qui peut participer au processus de la respiration cellulaire. D’autres nutriments (lipides, protéines, autres glucides) peuvent servir à produire de l’ATP par des voies métaboliques qui sont reliées aux étapes de la respiration cellulaire. Figure 9.19 Campbell 2020 34 4. La fermentation En absence d’oxygène, le cycle de l’acide citrique et la phosphorylation oxydative ne fonctionnent pas… Il ne reste que la glycolyse qui permet de produire 2 ATP (par phosphorylation au niveau du substrat) par molécule de glucose : Pour produire > 2 ATP, il faut dégrader d’autres glucose en faisant la glycolyse en boucle. Pour cela, il faut régénérer le NAD+, c’est le rôle de la fermentation! 35 4. La fermentation Fermentation Chez les levures et certaines bactéries alcoolique Production de CO2 et d’ATP Acétaldéhyde → accepteur final d’é Formation d’éthanol Fermentation lactique Certaines levures et bactéries, cellules musculaires Pyruvate → accepteur final d’e- Formation de lactate Figure 9.17 Campbell 2020 36  ! Liste de devoirs Avant la prochaine séance de labo Consultez les corrigés des labos 1, 2, 3, 7, 8, 10 et 11 sur Teams et validez vos réponses Exercices Division cellulaire, diversité génétique et anomalies chromosomiques Respiration cellulaire Vidéos Regarder la vidéo « Phosphorylation oxydative » pour vous aider dans votre étude 37