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Chapitre 2 : Respiration et Fermentation
Ou Comment la matière organique est-elle utilisée commesource d’énergie par les cellules ?
Partie 1 : les cellules respirent
Respirer = consommer O2 et rejeter CO2
http://svt.ac-dijon.fr/pedago/classe/college/respir/respiration5.htm
vtmarcq.blogspot.fr/2012/12/la-respiration-spe.html
1. LES LEVURES RESPIRENT
Levures de bière au MEB
On constate que le taux de dioxygène diminue en présence de levure et non en leur absence ( milieu témoin)
On dit qu’elles respirent.
Mais à quoi sert le dioxygène ?
svtmarcq.blogspot.fr/2012/12/la-respiration-spe.html
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2007-asie/
La mesure se fait sur 5 minutes. Il est important que la solution de levures soit agitée. A 1 minute, ajoutez avec une seringue 2 ml de solution glucosée à 50 g/L.
On constate que l’injection de glucose provoque une forte diminution de la quantité de O2 dans le milieu de culture des levures G
On en déduit que le dioxygène est utilisé pour dégager l’énergie contenue dans la molécule de glucose
Rappels de cinquième et seconde : on brûle le glucose à l’aide du dioxygène pour dégager de l’énergie :
Expérience 1 :
Dans l'expérience suivante, on travaille sur des levures sans réserve intracellulaire. On incube des solutions de levure dans 5 erlenmeyers à 30 °C en agitant continuellement durant 1 heure selon le protocole suivant :
Au bout d'une heure, on teste la présence de glucose avec des bandelettes glucotest dans chaque erlenmeyer. On obtient les résultats suivants :
vtmarcq.blogspot.fr/2012/12/la-respiration-spe.htmlExpérience 2 :
Tube 1 : levures absentes, glucose présent en fin d’expérience
Tube 2 : levures présentes, ni glucose ni O2 : glucose abs en fin d’expérience et colonie non développée
Tube 3 : levures présentes, abs O2, glucose : glucose un peu moins présent en fin d’expérience et colonie développée
Tube 4 : levures présentes, présence O2, glucose abs : glucose abs en fin d’expérience, colonie non développée
Tube 5 : levures présentes, O2, glucose : glucose presque abs en fin d’expérience colonie développée
On en déduit que les levures utilisent le glucose en présence de dioxygène pour produire de l’énergie et se multiplier. C’est la respiration Elles peuvent également l’utiliser sans dioxygène, c’est la fermentation.
: glucose non altéré par l’eau, = témoin
: glu non produit par les levures
glu un peu utilisé par les levures O2 est-il nécessaire pour utiliser glucose ?
glu non produit par les levures, O2 seul ne suffit pas à la croissance
: glu utilisé par les levures grâce à l’O2,
http://svtmarcq.e-monsite.com/pages/la-respiration-1-spe.html
2. LES CELLULES VEGETALES RESPIRENT
http://svt.ac-dijon.fr/pedago/classe/college/respir/respiration5.htm
On constate qu’à l’obscurité, le taux de dioxygène diminue en présence des végétaux et non en leur absence ( milieu témoin)
On dit qu’elles respirent.
Évolution du taux de CO2 et d’O2 dans un milieu de vie contenant des cellules chlorophylliennes
On en déduit que les cellules eucaryotes chlorophylliennes réalisent aussi la
respiration qui est masquée à la lumière par la photosynthèse.
Taux de O2
Taux de CO2
Lumière
On constate qu’à la lumière, le taux de dioxygène augmente et celui de dioxyde de carbone diminue en présence des végétaux alors que c’est l’inverse à l’obscurité.
En présence de O2, la plupart des cellules eucaryotes réalisent la respiration (y compris les celluleschlorophylliennes).
C6H1206 + 6O2 6CO2 + 6H20 + Energie(glucose)
À l’aide du O2, les cellules eucaryotes oxydent la matière organique en matière minérale pour produire del’énergie.
Equation bilan de la respiration cellulaire
Dans quel compartiment cellulaire se déroule la respiration ?
Deux souches de levures cultivées sur un milieu gélosé contenant du glucose, donnent pour l’une, des grandes colonies (levures G), pour l’autre des petites colonies (levures mutantes P).
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2007-asie/
Document 1 : les levures sont transférées dans un nouveau milieu de culture sans glucose. On mesure alors l’évolution de la quantité de dioxygène avant et après injection de glucose dans le milieu.
3. OÙ SE PASSE LA RESPIRATION CELLULAIRE ?
On constate que l’injection de glucose provoque une forte diminution de la quantité de O2
dans le milieu de culture des levures G
On constate que l’injection de glucose provoque une faible diminution de la quantité de O2
dans le milieu de culture des levures P
On en déduit que la mutation des levures P les empêche d’utiliser le glucose comme source d’énergie
Ultrastructure cellulaire (MET x40 000) et schéma d’interprétation
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2007-asie/
Document 2 : les levures G et P sont étudiées au microscope électronique à balayage et une différence est constatée.
Hypothèse : la respiration aurait lieu dans les mitochondries
Constat : les levures P possèdent de rares mitochondries (doc 2) et n’utilisent pas de dioxygène (doc1)
Document 3 : les levures G sont maintenant cultivée en milieu anaérobie.
Cette observation semble conforter notre hypothèse
http://sciences-et-nature.e-monsite.com/pages/terminale/theme-1-terre-dans-l-univers-la-vie-et-l-evolution-du-vivant/la-respiration-chez-les-cellules-eucaryotes.html
En milieu anaérobie, les levures n’ont pas de mitochondries
Document 4 : Des cellules végétales sont cultivées à la lumière puis à l’obscurité puis soumises à du cyanure qui bloque l’activité des mitochondries.
Les cellules de racine consomment du dioxygène que ce soit à l’obscurité ou à la lumière..
Les cellules de feuilles pratiquent photosynthèse et respiration.Quand on introduit du cyanure sur les cellules de racine, celles-ci arrêtent la consommation de O2.
Elles ne pratiquent pas la photosynthèse car elles ne sont pas chlorophylliennes
Le cyanure agissant sur les mitochondries on peut donc affirmer que la respiration a lieu dans les mitochondries.
L’introduction de cyanure sur les cellules chlorophylliennes le confirment.
Quand on introduit du cyanure, la production de O2 se poursuit ( photosynthèse) mais la pente de la courbe étant plus forte, on peut en déduire que la respiration a bien été bloquée.
L’hypothèse est validée, la respiration a bien lieu dans les mitochondries
http://sciences-et-nature.e-monsite.com/pages/terminale/theme-1-terre-dans-l-univers-la-vie-et-l-evolution-du-vivant/la-respiration-chez-les-cellules-eucaryotes.html
membrane externe
membrane interne
crêtes mitochondriales
matrice ADN mitochondriale
Schéma montrant l’organisation d’une mitochondrie vue au M.E.T
1 µm
Quelles sont les mécanismes qui permettent la production d’énergie lors de larespiration mitochondriale et à quel endroit se localise-t-elle?
Le glucose est la molécule dégradée lors de la respiration. Cela paraît logique que ce soit elle qui soit utilisée par les mitochondries.
4. QUE DEVIENT LE GLUCOSE ?
Dans une activité Exao, il est donc logique de tester aussi le pyruvate.
Que ce soit en présence ou en absence de dioxygène, on constate qu’au cours du temps le glucose absent du milieu intracellulaire en début d’expérience (temps T0) passe dans celui-ci (temps T1).
Au bout du temps T2, le glucose est totalement entré dans la cellule car il n’existe plus dans le milieu extracellulaire.
Cependant on ne le trouve plus dans le milieu intracellulaire : on trouve du pyruvate.
On peut donc dire que le glucose a été transformé en pyruvate dans le milieu intracellulaire et ce, que ce soit en présence ou en absence de dioxygène.
Expérience 1
a. Une première transformation
http://svt-collegepaulduez.lescours.org/t375-chapitre-2-production-d-energie-chez-les-cellules-non-chlorophylliennes
Protocole proposé:On travaille sur une suspension de mitochondries de carottes (ou de chou). On mesure la concentration en O2 dans la suspension afin d'y observer l'intensité de la respiration (si O2 diminue = respiration)On y injecte du glucose. On observe la concentration d'O2.On y injecte du pyruvate. On observe la concentration d'O2.
Expérience 2 : proposons deux substrats aux mitochondries
On peut s’attendre à ce que les mitochondries utilisent le pyruvate et donc que la concentration en O2
diminue dans l’enceinte après son injection.Remarque: Manipulation Exao délicate puisqu'il faut préalablement isoler les mitochondries.
On constate que quand on injecte du glucose à une solution de mitochondries isolées, on n’observe pas de consommation de dioxygène ( diminution de la concentration en O2).On constate que quand on injecte du pyruvate, on observe une forte consommation de dioxygène.
On en déduit que la mitochondrie sait utiliser le pyruvate, et pas le glucose, pour effectuer la respiration.
Comment est formé le Pyruvate ? Quel processus permet la transformation du glucose (C6H12O6) en acide pyruvique ou pyruvate (C3H4O3)?
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2007-asie/
On constate qu'il y a proportionnellement moins d'Hydrogène dans le pyruvate que dans le glucose.
http://chemistry.about.com/od/molecularformulas/a/Glucose-Molecular-Formula.htm
glucose : C6H12O6 l'acide pyruvique (ou pyruvate) : C3H4O3
http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/biologie-pyruvate-8636/
Le pyruvate est donc plus oxydé que le glucose.
La transformation du glucose en pyruvate est donc une oxydation appelée glycolyse.
Il nous faut donc un accepteur d'électron qui en même temps que des électrons va récupérer des protons (H+). Nous noterons cette accepteur R. Il deviendra RH2 quand il captera les e- et protons du glucose.
D'autre part, la glycolyse permet la formation de 2 ATP à partir de 2(ADP+Pi)Cela nous donne la réaction suivante: C6H12O6 + 2 R + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H4O3 + 2 RH2 + 2 ATP
http://http//svtmarcq.blogspot.fr/
Comparons les deux molécules :
Expérience 3 prouvant que la glycolyse est une réaction métabolique d’oxydoréduction:
On sait que le BM est incolore à l'état réduit.
Résultat :
tube avec moule morte : le BM est resté bleu
— Faites chauffer le bain-marie au maximum— Faites bouillir 1 moule— Mettre du tissu de moule vivant dans un tube et du tissu de moule bouillie dans un autre— Mettez 2 ou 3 gouttes de bleu de méthylène peu concentré dans chaque tube. On rappelle que le bleu de méthylène (BM) est bleu à l'état oxydé et incolore à l'état réduit (forme leucodérivée).
tube avec moule vivante : le BM est devenu incolore
La première étape de la dégradation du glucose en pyruvate donne donc bien des composés réduits.
Ainsi dans le tube avec la moule vivante, le BM étant décoloré, cela signifie qu’il a récupéré des H+ qui proviennent de la dégradation du glucose par la cellule.
Glucose
2 (pyruvate)
2 (ADP + Pi)
2 (ATP)
2 (R’H2)
2 (R’)
La glycolyse estune oxydationincomplète duglucose, puisqu’ilreste à la fin unautre composéorganique : lepyruvate
Schéma bilan de la glycolyse montrant l’oxydation d’une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate.
Enzymes
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b. l’entrée du pyruvate dans un cycle métabolique
Expérience 1 :
On constate que la consommation en dioxygène augmente fortement quand on injecte en plus du pyruvate, de l’ADP et du Phosphate inorganique.
On en déduit que le pyruvate est utilisé dans des réactions métaboliques qui produisent de l’ATP.
On sait que ADP + Pi donne ATP
Expérience 2 : expérience de Lehninger
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On constate que le dégagement de CO2 ne se fait que dans les mitochondries en présence de dioxygène.
On peut donc en déduire que le pyruvate est transformé en CO2 dans cet organite
Mais dans quelle partie de celui-ci ?
Structures étudiées
Composition chimique
remarquable
Protéines catalysant des réactions particulières
Membrane externe
Protéines (62%)Lipides (28%)
Protéines similaires à celles de la membrane plasmique.
Membrane interne
Protéines (80%)Lipides (20%)
ATP synthase(production d’ATP)
Complexes d’oxydoréduction
Matrice Présence de pyruvate, d’ATP, d’ADP et de Pi, des composés oxydés (R’) et réduits (R’H2)
Enzymes d’oxydation de
molécules carbonées
(production de CO2)Complexes
d’oxydoréduction (déshydrogénases)
-La Production d’ATP estpossible.-Des oxydations sontpossibles.
-Une oxydation complètede molécules carbonéesest possible.-L’oxydation du pyruvateserait couplée à uneréduction de R’ en R’H2.
-La membrane externe n’estpas le lieu de l’oxydation dupyruvate.
Expérience 3 :
Des analyses biochimiques ont été réalisées dans différentes parties de la mitochondrie
Solutions testées Absorbance à 350 nm
Composé oxydé R’ 0Composé réduit R’H2 0.35
Protéines de la matrice + R’ 0
Protéines de la matrice + Glucose + R’ 0
Protéines de la matrice + Pyruvate + R’ 0.25
L’oxydation complète du pyruvate en CO2, dans la matrice, est couplée à la réduction du R’ en R’H2.
On en déduit que le R’ de la solution testée est en train d’être réduit en R’H2.
Expérience 4:
On utilise le principe de l’absorbance pour déterminer ce qui se passe dans la matrice des mitochondries.
On constate qu’en mettant en présence les protéines de la matrice avec le pyruvate et le composé R’, on observe une valeur d’absorbance à 350 nm proche de celle des composés réduits R’H2
Bilan : 2 pyruvate sont dégradés dans la matrice mitochondriale en 6 CO2 à l’aide de 10 composés oxydés R’ qui vont se réduire en 10 R’H2 et le tout permet la fabrication de 2 ATP
C’est le cycle de Krebs :
Bordas, 2012
Expérience :Les mitochondries sont fragmentées par l’action d’ultrasons. On obtient différentes fractions.
Fraction mitochondriale utilisée Résultats
Fragments de membrane
externe
Pas de production d’ATP
Pas d’oxydation des composés
R’H2 en R’ (en présence
d’oxygène)
Fragments de membrane
interne
Production d’ATP
Oxydation des composés
R’H2 en R’ (en présence
d’oxygène)
a) L’analyse des fractions révèle que seule la matrice contient des décarboxylases.
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2007-asie/
c. L’oxydation des composés réduits
b) Les fractions sont placées dans un milieu expérimental contenant du dioxygène, des composés réduits R’H2, de l’ADP et du Pi :
La membrane interne oxyderait les composés réduits du cycle de Krebs en produisant de l’eau
La membrane interne produirait de l’ATP grâce à une ATPsynthase
Cela signifie que la décarboxylation du glucose (enlever des C) ne se fait que dans la matrice et non sur les membranes
Evolution de la concentration d’O2 et d’ATP en fonction du temps
On constate que l’injection de R’H2 avec ADPet Pi provoque une consommation de O2 etla production d’ATP
La Roténone est un inhibiteur de la respiration . Ilempêche l’oxydation des composés réduits.
On suppose donc que l’oxydation du R’H2 auniveau de la membrane interne desmitochondries serait associée à une productiond’ATP à partir d’ADP et Pi.
On confirme ainsi que l’oxydation du R’H2 estnécessaire à la production d’ATP à partir d’ADP etPi.
On constate qu’en présence de Roténone, il n’y apas de forte diminution de la quantité de O2 dansle milieu ni production d’ATP supplémentaire (pente nulle).
ATPsynthases au niveau de la membrane interne
Confirmation de la présence d’ATPsynthase sur la membrane interne des mitochondries
Chaîne respiratoire simplifiée au niveau de la membrane interne mitochondriale
-La membrane interne des mitochondries possède unechaine d’oxydoréduction appelée « chaine respiratoire » quipermet la ré-oxydation des composés réduits (R’H2 en R’).-L’O2 est le dernier accepteur d’électron de cette chaîne, etest réduit en H2O (consommation d’O2)
R’H2R’
Chaîne respiratoire détaillée au niveau de la membrane interne mitochondriale
La chaine respiratoire située sur la membrane interne mitochondriale permet d’oxyder les composés réduits tout en produisant de l’ATP et de l’eau : on parle de la phosphorylation oxydative
http://svtmarcq.e-monsite.com/pages/la-respiration-cellulaire-2-spe.html
http://svtmarcq.blogspot.fr/2012/12/la-respiration-spe.html
2 Pyruvates
10(R’H2)
10(R’)
H2O
O2
6 CO2
2(ADP + Pi)
2 ATP
ADP + Pi
ATP
Glucose
2 pyruvates
2 (ADP + Pi)
2 (ATP)
2 (R’H2)
2 (R’)
Cycle de
krebs
Accepteur du pyruvate, régénéré àchaque tour de cycleMolécules organiques intermédiaires
Chaîne respiratoire
ATP synthases
Schéma bilan montrant les mécanismes produisant de l’énergie à partir du glucose, lors de la respiration cellulaire
Matrice
CrêteMitochondrieHyaloplasme
La glycolyse dans le hyaloplasme, étape commune à toutes les cellules
C6H1206
Glucose 2( C3H403)
2 acides pyruvique
2 (ADP + Pi) 2 (ATP)
2 (R’) 2 (R’H2)
La respiration mitochondriale
2( C3H403) + 6 H2O 6 CO2
2 (ADP + Pi) 2 (ATP)
10 (R’) 10 (R’H2)
32 (ADP + Pi) 32 (ATP)
12 (R’) 12 (R’H2)
6 O2 12 H2O
Dans la matrice (cycle de Krebs)Au niveau de la membraneinterne (chaîne respiratoire etATPsynthases)Bilan énergétique de 36 ATP
