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Respiration cellulaire, fermentations et production d'ATP

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Introduction :

Toutes les cellules ont besoin d’énergie pour réaliser leurs fonctions. Pour cela, les cellules utilisent l’énergie chimique des molécules extérieures comme le glucose et transforment cette énergie chimique en ATP qui est la forme d’énergie qu’elles utilisent pour fonctionner.

Il existe deux voies pour produire de l’énergie selon que la cellule soit en aérobie, c’est-à-dire en présence de dioxygène, ou en anaérobie c’est-à-dire privée de dioxygène. En aérobie, la cellule va effectuer une respiration cellulaire alors qu’en anaérobie, elle va réaliser une fermentation.

Dans une première partie nous verrons comment se déroule la respiration cellulaire. Nous aborderons dans un premier temps la réaction de glycolyse, nous verrons ensuite le cycle de Krebs et l’étape membranaire de la respiration cellulaire. Enfin nous dresserons un bilan de la respiration cellulaire.
Dans une deuxième partie, nous aborderons les mécanismes des différentes fermentations.

La respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un processus qui nécessite plusieurs étapes dans différents endroits de la cellule.
L’expérience suivante permet de localiser les étapes de la respiration cellulaire.

Expérience permettant de localiser les étapes de la respiration cellulaire Expérience permettant de localiser les étapes de la respiration cellulaire

Les différents compartiments cellulaires sont séparés par centrifugation. Les échanges gazeux sont alors mesurés en aérobiose, c’est-à-dire en présence d’oxygène, selon que le milieu soit enrichi en glucose, en acide pyruvique ou ne soit pas enrichi du tout.

Dans le deuxième tableau, on mesure le taux de glucose et d’acide pyruvique dans chaque compartiment cellulaire après une incubation de 12 heures dans un milieu enrichi en glucose et dépourvu d’acide pyruvique.

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À retenir

L’acide pyruvique est une molécule biologique majeure impliquée dans de nombreux métabolismes cellulaires. Par souci de simplification, on parlera aussi bien d’acide pyruvique que de pyruvate, le pyruvate étant la forme anion de l’acide pyruvique.

Les résultats sont les suivants.

  • Il n’y a aucun échange gazeux enregistré dans le noyau ou dans la fraction réticulum quel que soit le milieu. Parallèlement, le taux de glucose mesuré est égal au glucose ajouté à la solution incubée.
  • Dans la fraction cytosol, on enregistre un dégagement de dioxyde de carbone en présence de glucose uniquement. Parallèlement, on enregistre une baisse du taux de glucose et la production d’acide pyruvique.
  • Dans la fraction mitochondries, on enregistre un dégagement de dioxyde de carbone et une consommation de dioxygène uniquement lorsque le milieu est enrichi en acide pyruvique. Parallèlement, le taux de glucose mesuré est égal au glucose ajouté à la solution incubée.
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À retenir

Le noyau et le réticulum ne sont pas impliqués dans le processus de respiration cellulaire contrairement au cytosol et aux mitochondries.

Dans la fraction cytosol, le glucose est consommé pour dégager du dioxyde de carbone et produire de l’acide pyruvique. C’est le phénomène de glycolyse qui a lieu dans le cytosol, en présence de glucose.

Enfin, les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire. En effet, il y a dégagement de dioxyde de carbone et consommation de dioxygène. La respiration cellulaire nécessite non pas du glucose mais de l’acide pyruvique.

Glycolyse

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Définition

Glycolyse :

Réaction qui se déroule dans le cytoplasme de la cellule qui permet l’oxydation du glucose en pyruvate. Cette oxydation est couplée à la réduction du composé RR' en un composé réduit RH2R'H_22. Au niveau énergétique, la glycolyse est couplée à la production de deux molécules d’ATP.

C’est une réaction d’oxydation du glycose qui ne nécessite pas de dioxygène. Elle peut se dérouler en conditions d’aérobiose, ou en conditions d’anaérobiose.

  • Formule de la réaction de glycolyse :

Réaction de glycolyse Réaction de glycolyse

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À retenir

Une molécule de glucose plus deux composés RR' et deux molécules d’ADP et deux phosphates inorganiques donnent deux molécules de pyruvate plus deux composés RH2R'H_22 et deux molécules d’ATP.

On dit que la glycolyse est une oxydation incomplète du glucose car les atomes du carbone du glucose se retrouvent dans une molécule organique qu’est le pyruvate. Cette molécule organique va permettre elle aussi une production d’énergie dans la cellule. Le pyruvate ainsi formé est un réactif indispensable à la respiration cellulaire au niveau des mitochondries.

Le cycle de Krebs

La respiration cellulaire a lieu dans les mitochondries. La cellule eucaryote est composée de nombreuses mitochondries qui baignent dans le cytoplasme de la cellule.

Cellule eucaryote et mitochondries Cellule eucaryote et mitochondries

Une mitochondrie est constituée de deux membranes, une membrane interne et une membrane externe. Ces deux membranes délimitent un espace appelé espace intermembranaire. La membrane interne a la particularité de former de nombreuses crêtes qui renferment la matrice.

Vue de coupe d’une mitochondrie Vue de coupe d’une mitochondrie

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À retenir

C’est dans la matrice des mitochondries que le pyruvate issu de la glycolyse va être oxydé par un ensemble de réactions que l’on rassemble sous le nom de cycle de Krebs.

Cycle de Krebs Cycle de Krebs

Pendant ce cycle, le pyruvate est oxydé totalement. Une molécule de pyruvate donne trois molécules de dioxyde de carbone. Cette oxydation est couplée à la réduction de composés RR' en composés RH2R'H_22 et à la production d’une molécule d’ATP.

Pour produire des molécules d’ATP supplémentaires, ce sont les composés réduits RH2R'H_22 qui vont être réoxydés. Cette étape va se dérouler au niveau des membranes internes des mitochondries.

L’étape membranaire de la respiration cellulaire

La dernière étape de la respiration cellulaire se déroule dans les crêtes des mitochondries. On parle de chaîne respiratoire.

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Définition

Chaîne respiratoire :

Correspond à un ensemble de réactions qui permettent, à partir des composés RH2R'H_22, de produire de l’énergie.

Chaîne respiratoire Chaîne respiratoire

Ainsi, les électrons s’échangent de part en part le long de chaîne respiratoire par des réactions d’oxydoréduction. Ces réactions permettent de réoxyder le composé réduit RH2R'H_22 en un composé RR'. L’accepteur final d’électron à la fin de la chaine respiratoire est l’oxygène qui donne de l’eau H2H_22O.

  • C’est à ce moment précis de la respiration cellulaire que l’oxygène est consommé.
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À retenir

Les différentes réactions d’oxydoréduction permettent le passage de manière active de protons H+ dans l’espace intermembranaire. Il se crée alors une différence de concentration en ions H+ entre l’espace intermembranaire et la matrice.

La membrane étant imperméable, ce sont des protéines membranaires, appelées ATP synthétases, qui permettent le retour des protons H+ dans la matrice de la mitochondrie afin de rééquilibrer la concentration en ions H+.

Ce passage des ions H+de l’espace intermembranaire à la matrice s’accompagne de la production d’ATP et donc d’énergie.

Réactions d’oxydoréduction Réactions d’oxydoréduction

Pour une molécule de glucose, 2 composés RH2R'H_22 sont produits au cours de la glycolyse et 10 composés RH2R'H_22 sont produits au cours du cycle de Krebs. Les 12 composés RH2R'H_22 ainsi produits permettent, au cours de la phase membranaire de la respiration cellulaire, de produire 32 molécules d’ATP en consommant 6 molécules de dioxygène.

Bilan de la respiration cellulaire

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Définition

Respiration cellulaire :

La respiration cellulaire est la voie métabolique complète de dégradation du glucose. Elle débute par la glycolyse du glucose qui permet la formation d’acide pyruvique dans le cytoplasme de la cellule. Les autres étapes se passent dans les mitochondries et nécessitent du dioxygène. La respiration cellulaire est un processus qui permet la synthèse d’une quantité importante d’énergie sous forme d’ATP.

Voyons maintenant le bilan de la respiration cellulaire.

  • La glycolyse nécessite une molécule de glucose pour former deux molécules de pyruvate, deux molécules d’ATP et deux composés réduits RH2R'H_22.

    Formule de la glycolyse Formule de la glycolyse

    • Le cycle de Krebs nécessite 2 molécules de pyruvate et 6 molécules d’eau pour donner 6 molécules de dioxyde de carbone, 2 molécules d’ATP et 10 composés réduits RH2R'H_22.

      Formule du cycle de Krebs Formule du cycle de Krebs

      • Enfin, la dernière étape mitochondriale qui correspond à l’oxydation de 6 molécules de dioxygène pour former 12 molécules d’eau entraine la formation de 32 molécules d’ATP. C’est à cette étape que les 12 composés réduits RH2R'H_22 formés dans les étapes précédentes sont réoxydés en composés R’.

         Formule de réoxydation Formule de réoxydation

        • Bilan de la respiration cellulaire :

        C6 H12 O6+6 O2+6 H2O+36 ADP+36 Pi 6 CO2+12 H2O+36 ATP\boxed{\text C_6\ \text H_{12}\ \text O_{6}+6\ \text O_2+6\ \text H_2\text O+36\ \text {ADP}+36\ \text{Pi}\rightarrow\ 6\ \text{CO}_2+12\ \text H_2\text O+36\ \text{ATP}}6 H12 O6+6 O2+6 H2O+36 ADP+36 Pi 6 CO2+12 H2O+36 ATP

        • Il y a 36 molécules d’ATP qui sont créées par la dégradation d’une molécule de glucose.

        Les fermentations

        Certaines cellules peuvent vivre en anaérobie c’est-à-dire privée d’oxygène. Ces cellules, pour produire de l’énergie, réalisent une fermentation.

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        À retenir

        Il existe deux types de fermentations différentes :

        • la fermentation alcoolique, qui est celle utilisée par exemple pour produire de la bière ou du pain ;
        • la fermentation lactique, utilisée par exemple pour faire des yaourts.

        Quel que soit le type de fermentation, la première étape est toujours, comme pour la respiration, la glycolyse qui a lieu dans le cytoplasme de la cellule.

        Fermentation Fermentation

        • Lors de la fermentation lactique, le pyruvate est réduit en acide lactique. Cette étape, comme la glycolyse, se déroule dans le cytoplasme de la cellule. Lors de cette réaction, les composés RH2R'H_22 produits lors de la glycolyse sont réoxydés en composés RR'. L’énergie sous forme d’ATP n’est produite que lors de la phase de glycolyse.
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          À retenir

          Le bilan énergétique de la fermentation lactique est donc de 2 molécules d’ATP produites pour la dégradation d’une molécule de glucose.

          • Lors de la fermentation alcoolique, le pyruvate est réduit en éthanol. Comme pour la fermentation lactique, ici toutes les étapes se déroulent dans le cytoplasme de la cellule. Là encore, les composés RH2R'H_22 produits lors de la glycolyse sont réoxydés en composés RR'. L’énergie sous forme d’ATP n’est produite que lors de la phase de glycolyse.
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            À retenir

            Le bilan énergétique de la fermentation alcoolique est donc de 2 molécules d’ATP produites pour la dégradation d’une molécule de glucose.

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            Définition

            Fermentation :

            C’est la voie métabolique cytoplasmique de dégradation incomplète du glucose. La fermentation se déroule en milieu anaérobie et produit 2 molécules d’ATP pour la dégradation d’une molécule de glucose.

            Conclusion :

            Tous les organismes vivants nécessitent de l’énergie pour fonctionner. Cette énergie peut être obtenue par des voies bien distinctes : la respiration cellulaire et la fermentation. Quelle que soit la voie empruntée, la première étape se déroule dans le cytoplasme de la cellule, c’est la glycolyse. La glycolyse permet d’oxyder le glucose en pyruvate. Lors de cette réaction, deux molécules d’ATP sont produites.

            La fermentation se déroule toujours dans le cytoplasme de la cellule et en anaérobie. Il existe deux types de fermentations :

            • la fermentation alcoolique permet l’oxydation du pyruvate en éthanol ;
            • et la fermentation lactique permet l’oxydation du pyruvate en acide lactique.

            Lors de la fermentation, l’énergie est synthétisée uniquement à l’étape de glycolyse. Il y a donc deux molécules d’ATP formée pour l’oxydation d’une molécule de glucose.

            Contrairement à la fermentation, la respiration nécessite du dioxygène. Après l’étape cytoplasmique de la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire se déroulent dans les mitochondries. Le bilan de la respiration cellulaire est de 36 molécules d’ATP produite pour l’oxydation d’une molécule de glucose.

            Le rendement énergétique de la respiration est de 40 % contre un rendement de seulement 2 % pour les fermentations. Dans les deux cas, une part importante de l’énergie est perdue sous forme de chaleur.