[PDF] Consommation de la matière organique et flux dénergie

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1

Consommation de la matière

Fascicule professeur

Fouad Ouryagli

2

Introduction :

- L'importance de la matière organique se caractérise en la prĠsence d'Ġnergie emmagasinĠe nĠcessaire pour

l'actiǀitĠ de toutes les cellules hĠtĠrotrophes qui à travers des phénomènes métaboliques, respiration et

fermentation, transforment cette énergie inutilisable en source d'Ġnergie utilisable pour le fonctionnement

cellulaire : molécule d'ATP. " Les Problématiques du chapitre : - Quels sont ces phénomènes métaboliques ? et en quoi ils consistent ? - Ou se déroule ces phénomènes ?

On se propose de mettre en Ġǀidence, ă l'Ġchelle cellulaire, les Ġchanges gazeudž, consommation d'O2 et

dégagement du CO2. On cherche également à montrer que ces échanges sont dépendants de la mise à

dispositif d'EyAO, aǀec sondes mesurant les concentrations en O2 et CO2 dans le milieu. On dispose

1- Le graphe ci-dessus montre l'Ġǀolution des concentrations d'O2 et de CO2 en µmol/l en fonction du

temps en mn. celle de CO2 est de 50 µmol/l

atteindre la valeur de 75 µmol/l alors que celle du CO2 augmente et atteint la valeur de 200 µmol/l.

1- DĠcrire les ǀariations de la concentration en O2 et CO2 aǀant et aprğs l'injection du glucose.

2- Expliquez les résultats obtenus.

3- Que pouvez-vous déduire ?

RĠactions responsables de la libĠration de l'Ġnergie emmagasinĠe dans la matière organique 3 consommation totale du glucose par ces levures " Déduction :

Les leǀures consomment l'O2 et dĠgagent le CO2 pendant la dĠgradation du glucose, ces Ġchanges gazeudž

caractérisent le métabolisme de la respiration cellulaire.

On cherche à déterminer si les levures sont

susceptibles de développer un autre métabolisme que la respiration, en particulier levures sont mis en culture dans un milieu glucosé et bouché empêchant un renouvellement en O2, et avec un dispositif

EXAO, on mesure les variations des différents

paramètres de ce milieu de culture.

1- Analysez le résultat de

l'edžpĠrience prĠsentĠe par le document-.

2- Interprétez ce résultat

1- Le document reprĠsente la ǀariation d'O2, CO2, Ġthanol (mgͬml) et glucose (U.A) en fonction du temps en

(s). présente en trace augmentation de celle de CO2 et de l'Ġthanol.

la dĠgradation du glucose prĠsent dans le milieu. Apres Ġpuisement d'O2, ces leǀures consomment le glucose

anaérobiques. 4 " Déduction : partielle, et libğrent le CO2 et l'Ġthanol ͗ c'est la fermentation alcoolique.

milieux de culture de levures de bière. Les conditions expérimentales et les résultats obtenus figurent sur

le tableau suivant : cellule, on propose l'Ġtude du document-3.

1- Quelles informations peut-on tirer de l'edžploitation

des résultats du document-1 ?

2- En exploitant le document-2, donnez une

comparaison entre les cellules prises du milieu A et B et déduisez le type de métabolisme en relation avec les résultats de cette comparaison.

3- Interprétez le document-3.

4- Sous forme de tableau, réalisez un bilan de

métabolisme de la respiration et celui de la fermentation.

1- Dans le milieu A, il y a une consommation totale du glucose et une augmentation importante de la

conséquent, une faible augmentation de la biomasse des levures.

2- Les levures des deux milieux A et B présentent un noyau et des vacuoles, seules les levures du milieu A

présentent des mitochondries en nombre et taille importantes. On peut déduire que le type de mĠtabolisme est liĠ ă la prĠsence ou ă l'absence des mitochondries.

Dans le milieu A, les cellules réalisent la respiration qui nécessite la présence des mitochondries, alors

Milieu Quantité de glucose (g) Energie produite (kJ) Evolution de la biomasse des levures Initiale Consommée

A :aérobie 150 150 ++++ 1,970

B :anaérobie 150 45 + 0,255

5

Quel que soit les phénomènes métaboliques cellulaires, respiration ou fermentation et qui assurent

assuré par les réactions de la glycolyse.

Glucose

ATP ADP

ETAPE 1

Glucose 6-P

ATP ADP ----------------------------------- Fructose 1,6-P -------------------------------- C3-P C3-P

ETAPE 2 NAD+ NAD+

Pi Pi

NADH,H+ NADH,H+

-------------------------- P-C3-P ---------------------- P-C3-P ----------------------------

ADP ADP

ETAPE 3

ATP ATP CH3-CO-COOH CH3-CO-COOH ACIDE PYRUVIQUE

3- Une fois dans le cytosol, le glucose subit une réaction commune entre la respiration et la

pyruvique. Ce dernier peut entrer dans deux voies selon les conditions du milieu :

En prĠsence d'O2, il entre dans la mitochondrie lieu de dĠroulement de la respiration cellulaire.

3- Bilan :

"Conclusion :

-Les cellules ǀiǀantes edžtraient l'Ġnergie nĠcessaire au dĠroulement de leur actiǀitĠ selon deudž types

de réactions métaboliques : Réactions métaboliques aérobies au niveau de la mitochondrie : la respiration. Réactions métaboliques anaérobiques au niveau du cytosol : la fermentation.

Conditions Phénomènes métaboliques

Respiration Fermentation

Milieu Aérobie Anaérobie

oxygène ++++ ----

Consommation de glucose Totale Partielle

Mitochondries ++++ ----

Localisation cellulaire Mitochondries Cytosol

6

La respiration cellulaire dĠbute dans le cytoplasme par la glycolyse et se poursuit pour l'essentiel dans les

1- Déterminez à partir du document, les étapes de la glycolyse.

2- Quel est le bilan de la glycolyse pour une molécule de glucose consommée.

3- Proposer une équation bilan de la glycolyse.

catalysées par des enzymes spécifiques au cours desquelles une molécule de glucose (C6) est

1- Trois étapes de la glycolyse :

Etape 1 : le glucose est converti en fructose diP (F1,6-P) par des réactions enzymatiques avec consommation de 2 ATP.

Etape 2 : le FdiP est clivé en deux trioses phosphates (2C3P) appelés glycéraldéhyde, chacune de ces

molécules subit une oxydation partielle par déshydrogĠnation en prĠsence d'un transporteur odžydĠ

NAD+, cette oxydation est couplée par une phosphorylation donnant 2 composés PC3P nommés acide

glycérique. Etape 3 : transformation des 2 PC3P en 2 acides pyruviques (C3).

2- Pour une molécule de glucose consommée, il y a formation de :

2 molécules de pyruvate.

2 molĠcules d'ATP.

2 molécules de coenzymes réduits NADH, H+.

C6H12O6 + 2ADP + Pi + 2 NAD+ --------------> 2 CH3-CO-COOH + 2 ATP + 2 NADH,H+ " Remarque :

- Les deux acides pyruviques, obtenus par glycolyse d'une molĠcule de glucose, poursuiǀent leur

catabolisme selon la nature du milieu, aérobie (respiration) ou anaérobie (fermentation). 7

La mitochondrie apparait sous forme d'organite clos dĠlimiter par deux membranes : externe interne séparées par

un espace intermembranaire. La membrane interne émet des replis appelés crêtes qui cloisonnent la matrice.

Structures

mitochondriales

Composition biochimique

Membrane externe Comparable à celle de la membrane plasmique :

40 % des lipides

60 % des protéines

Membrane interne 80 % des protéines

20 % des lipides

Nombreuses enzymes participant à des réactions d'odžydo-réduction.

Enzymes permettant la production d'ATP : ATP

synthétase. Matrice Absence de composés organiques tel que le glucose

Présence de nombreuses enzymes tel que les

déshydrogénases et les décarboxylases

PrĠsence d'ATP, d'ADP, Pi

- Des mitochondries sont isolées par centrifugation, et introduites dans un appareil de mesure

contenant une solution tampon riche en O2. A l'instant t1 on ajoute au milieu du glucose et ă l'instant

- Le graphe suivant montre les résultats obtenu suite à cette expérience :

1- Analysez les résultats

figurant sur le graphe

2- Expliquez ces résultats

3- Donnez une déduction

1- Le graphe traduit la variation de la concentration en O2 en mg/ml en fonction du temps en mn.

mg/ml. glucose comme métabolite énergétique. 8 - Le dĠroulement de l'odžydation respiratoire se fait en trois Ġtapes : par trois type de réactions :

DĠcarbodžylation et libĠration d'une molĠcule de CO2 en prĠsence de l'enzyme dĠcarbodžylase.

Déshydrogénation suivie d'un transfert des e- et des H+ au NAD+ oxydé qui devient NADH, H+ réduit

et sous l'effet d'une dĠshydrogĠnase selon la rĠaction suiǀante Liaison du CoA avec le radical acétyle CH3-CO et formation d'acetyl-CoA. " Déduction :

- La mitochondrie est le lieu des oxydations respiratoires et qui sont des réactions biochimiques qui se

" Définition :

mĠtabolites ǀers l'odžygğne pour former de l'H2O. Ce transfert se fait à travers une chaine de

d'ADP en ATP.

NAD++2H++2e- ----------------> NADH ,H+

1-- A partir de la figure

précédente, écrire formation d'acetyl-CoA.

2-- Quel est le bilan de la

formation d'acetyl-CoA pour une molécule de glucose consommée

1- La réaction globale est la suivante :

2- Le bilan de la formation d'acetyl-CoA pour une molécule de glucose consommée :

2 NADH,H+

2 CH3-CO-CoA

2 CO2 CH3-CO-COOH + NAD+ + CoA-SH ----------> CH3-CO-CoA + NADH,H+ + CO2 9

2- Ecrivez les réactions de réductions des transporteurs NAD+ et FAD+ et la formation d'ATP.

mitochondriale.

1- Description du cycle de Krebs :

Liaison d'acetyl-CoA ă l'odžaloacĠtate (C4) pour former du citrate (C6).

Le citrate (C6) subit deux décarboxylations et libère 2 CO2, des déshydrogénations pour donner des

Enfin, rĠgĠnĠration d'odžaloacĠtate (C4) nĠcessaire pour le dĠroulement d'un nouǀeau cycle de Krebs.

2- Les réactions de réductions des transporteurs NAD+ et FAD+ et la formation d'ATP.

4 NADH,H+

1 FADH2

1 ATP 3 CO2

NAD++2H++2e- --------------> NADH ,H+

FAD++2H++2e- --------------> FADH2

ADP+Pi + E --------------> ATP

CH3-CO-CoA + 3NAD+ + FAD+ + ADP + Pi +3H2O ------> 2CO2 + 3NADH,H+ + 1FADH2 + ATP + CoA-H 10 " Conclusion : CH3-CO subit une dégradation totale et se transforme en CO2.

Pour mettre en Ġǀidence les conditions permettant la reodžydation des coenzymes et la synthğse d'ATP, on

procğde ă l'Ġtude des donnĠes edžpĠrimentales suivantes :

Données 1 :

- On place des mitochondries dépourvues de leur membrane externe dans une solution dépourvue

d'odžygğne et enrichie de coenzymes rĠduits (NADH, H+). On suit la variation de la concentration des

protons H+ aǀant et aprğs l'addition d'O2.

- Le document-1 figure-a donne les conditions expérimentales, et la figure-b donne les résultats de

cette expérience.

Données 2 :

On traite des mitochondries aux ultrasons, on obtient des fragments de la membrane interne enroulés sous

forme de vésicules recouvertes par des particules submitochondriales nommées sphères pédonculées

On place ces vésicules dans un milieu expérimental qui contient O2, des coenzymes réduits RH2, de l'ADP et

du Pi. On procède ensuite à la variation du pH du milieu extérieur (pHe) tout en gardant le pH interne (pHi)

les conditions expérimentales ainsi les résultats de cette expérience.

1--En se basant sur les

données du document-1-b dĠcriǀez l'Ġǀolution de la concentration en ion H+

2-- Expliquez la variation de

la concentration des ions H+ enregistrée directement après l'ajout d'O2. pHi pHe Phosphorylation d'ATP

6 4 Non

6 6 Non

6 9 non

3- A partir des résultats figurant sur le tableau

ci-dessus, identifiez les conditions permettant la synthğse d'ATP. 11

- Les transporteurs réduits NADH, H+ et FADH2 au cours de la glycolyse, la formation d'acetyl-CoA et le cycle de

Krebs seront oxydés en cédant les e- et H+ à une chaine de transporteurs intégrés dans la membrane interne

mitochondriale.

2- L'augmentation de la concentration de H+ rĠsultant de l'odžydation des coenzymes rĠduits NADH, H+

leur membrane interne. La diminution progressive des protons H+ est dû à leur retour vers la matrice mitochondriale.

3- Les conditions permettant la synthğse d'ATP :

La prĠsence d'ADP et de Pi.

pHi ख़ pHe . Or le PH dépond de la concentration des protons dans le milieu, dans notre cas la

La présence des sphères pédonculées.

" Bilan : - Dans les cellules ǀiǀantes, la synthğse d'ATP se fait en prĠsence de :

ADP et Pi.

Oxygène.

Un donneur de proton réduit NADH, H+, FADH2.

Sphères pédonculées.

Un gradient de proton entre la matrice et l'espace intermembranaire

Données :

interne mitochondriale via la chaine respiratoire et des sphères pédonculées et qui débute par la

reoxydation des transporteurs réduits (NADH, H+ et FADH2) et se termine par la phosphorylation d'ADP

en ATP.

- La chaine respiratoire : est une chaîne de transport d'électrons réalisant l'oxydation des coenzymes

réduites issues de la dégradation de composés organiques et est constituĠe d'une chaine de

transporteurs d'Ġlectrons situĠs dans la membrane interne mitochondriales. 12

- Les e- riches en énergie seront transportés successivement via les différents complexes de la chaine

respiratoire ǀers l'odžygğne accepteur final de ces e- selon la réaction suivante :

- L'Ġnergie libĠrĠe par ces e- sera utilisĠe pour l'edžpulsion des H+ de la matrice ǀers l'espace

intermembranaire ă l'origine d'un gradient de concentration d'ions H+ de part et d'autre de la membrane

interne. Le retour de ces H+ vers la matrice via les sphères pédonculées qui est un ensemble d'enzyme ATP

synthĠtase fournit une Ġnergie nĠcessaire ă la phosphorylation de l'ADP en ATP et la rĠduction d'O2 en H2O

selon les réactions suivantes :

En l'absence d'O2, certaines cellules réalisent des réactions de dégradation anaérobie du glucose, dégradation

fermentation lactique et fermentation alcoolique.

½ O2 + 2e- --------------> O2-

ADP+Pi + E --------------> ATP

O2- + 2H+ --------------> H2O

1- A partir du document ci-dessus, donnez une comparaison entre les deux types de fermentation

2- Ecrivez les équations bilan des deux types de fermentation.

1- Comparaison :

Fermentation lactique Fermentation alcoolique

Déroulement Cytosol Cytosol

Enzyme intervenant Lactate-déshydrogénase Alcool-déshydrogénase

Produit final Acide lactique Ethanol + CO2

Points communs Production de 2 ATP pendant la glycolyse. Reoxydation de 2 NADH,H+ par molécule de glucose.

2- Equations bilans pour :

La fermentation lactique :

La fermentation alcoolique :

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi ----------> 2 CH3-CHOH-COOH + 2 ATP C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi ----------> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP 13

respiration, le glucose subit une dégradation complète et libère la totalité de son énergie emmagasinée sous forme

de la fermentation, le glucose subit une dégradation partielle et libère une faible énergie calorifique en plus des

résidus organiques riches en énergie (éthanol , acide lactique).

Données :

Sachant que :

- Une molĠcule d'ATP contient 30,5 kJ - Une molécule de NADH, H+ contient 91,5 kJ - Une molécule de FADH2 contient 61 kJ. molécule de glucose.

3- Donnez une comparaison

1- Equation globale de :

La respiration :

La fermentation :

- Lactique : - Alcoolique :

2- Calcul du bilan et du le rendement :

Bilan énergétique de la respiration :

Localisation Réactions ATP Transporteurs réduits

Cytosol Glycolyse 2 ATP 2 NADH,H+

Mitochondrie

La matrice Acetyl-CoA ---- 2 NADH,H+

Cycle de Krebs 2 ATP

6 NADH, H+

2 FADH2

Membrane

interne

Reoxydation TH2 ---- 10 NADH, H+----> 30 ATP

2 FADH2 ----> 4 ATP

TOTAL 4 ATP 34 ATP

38 ATP

C6H12O6 + 6O2 ----------> 6 CO2 + 6 H2O + E (2860 kJ) C6H12O6 ----------> 2 CH3-CHOH-COOH + E (140 kJ) C6H12O6 ----------> 2 C2H5OH + 2 CO2 + E (61 kJ) NB :

-Dans le cas de certaines cellules tel que les cellules cardiaques, hépatique, rénale et cellules des

levures la reoxydation de NADH, H+ donne 3 ATP. Donc un bilan énergétique de 38 ATP. -Dans le cas des cellules du muscle squelettique et cellules nerveuses, la reoxydation de NADH, H+ donne 2 ATP et par la suite un bilan énergétique de 36 ATP. 14

Bilan énergétique de la fermentation :

Localisation Réactions ATP Transporteurs réduits TH2

Cytosol Glycolyse 2 ATP 2 NADH,H+

reoxydation ---- 2 NADH,H+----> 0 ATP

TOTAL 2 ATP 0 ATP

2 ATP

Rendement de la respiration :

Rendement de la fermentation :

3- Comparaison :

- Le bilan énergétique de la respiration 38 ATP est supérieur à celui de la fermentation 2 ATP.

- Le rendement de la respiration 40,52 % est nettement supérieur à celui de la fermentation 2,13%

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