RESPIRATION ET FERMENTATION, SOURCES D'ATP


Toutes les cellules consomment de l'ATP. Nous avons vu qu'existait un mécanisme de production d'ATP dans la cellule chlorophyllienne: celui qui a lieu dans le chloroplaste. Est-il le seul utilisé par ces cellules? Comment les cellules hétérotrophes assurent-elles cette production?

1 Mise en évidence de la respiration d'une suspension cellulaire:

Les levures sont des champignons unicellulaires dépourvus de chlorophylle. Comme les cellules animales, elles sont hétérotrophes et consomment des substances organiques qui peuvent être soit stockées, soient puisées dans le milieu.
Nous savons que la respiration est un phénomène qui consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Nous savons aussi que ces échanges de gaz s'accompagnent de l'oxydation de nutriments organiques, comme le glucose.

Nous allons essayer de montrer que des cellules en suspension respirent en réalisant le montage expérimental ci-contre:

On prépare une suspension de levures à 10 g.L-1 que l'on aère pendant une douzaine d'heures avec un bulleur d'aquarium: ceci a pour but "d'affamer" les levures qui auront consommé tous les substrats métaboliques. Les levures, à raison de 25 mL de suspension sont placées dans l'enceinte réactive, la sonde oxymétrique plonge dans le liquide et on procède à un réglage de l'agitation de manière à ce que la sonde ne se trouve pas dans le cône de turbulence. Avant de lancer la mesure, on attend la stabilisation de la sonde.
Au bout d'une minute (temps nécessaire pour constater l'évolution du taux de dioxygène en l'absence de substrat, on introduit 2 mL de solution glucosée à 50 g.L-1, assez rapidement pour pouvoir visualiser l'artefact correspondant à cette modification du milieu.

Un enregistrement a été obtenu:




Comparez les résultats obtenus avant et après l'addition du glucose. Quelle conclusion pouvez émettre? Mettez en relation ce résultat et les connaissances que vous avez du bilan chimique de la respiration.

2 Mise en évidence de la respiration de mitochondries:

2.1 LEVURES EN AEROBIOSE ET EN ANAEROBIOSE

L'observation au microscope électronique de levures ayant séjourné dans des conditions aérobies révèlent de nombreuses mitochondries au sein de leur hyaloplasme. Par contre, celle de levures ayant séjourné dans des conditions anaérobies (sans dioxygène) montre des mtochondries peu abondantes et de petite taille.

En généralisant, des observations de tissus variés, dans des conditions physiologiques différentes, montrent que plus une cellule est active, plus elle possède de mitochondries et plus les crêtes de leurs membranes internes sont développées.

A partir de ces informations, proposez une hypothèse sur le rôle des mitochondries dans la cellule.

2.2 ULTRASTRUCTURE D'UNE MITOCHONDRIE


Faites un dessin d'observation du document ci-dessus en y plaçant les annotations suivantes: membrane externe, membrane interne, replis de la membrane interne ou crêtes, matrice (intérieur de la mitochondrie), hyaloplasme.

2.3 INFLUENCE DE DIVERS SUBSTRATS SUR LA RESPIRATION MITOCHONDRIALE

L'expérience précédente du §1 (ExAO) est refaite en utilisant une suspension de mitochondries à la place des cellules de Levures. Mais la séparation des mitochondries demande une centrifugeuse très rapide (vitesse 100 000 G); c'est un matériel qui n'existe que dans les laboratoires de recherche, l'absence de ce matériel fait que l'isolement des mitochondries est aléatoire, on obtient en fait un mélange de mitochondries et de cytoplasme qui à toutes les chances de se comporter comme des cellules entières.

On proposera donc des résultats obtenus ainsi: Une suspension de mitochondries obtenue par centrifugation d'un broyat cellulaire est placée dans une enceinte de réaction, dans un milieu approprié et bien oxygéné, au temps t1 on ajoute une petite quantité de glucose (molécule en C6), au temps t2 on ajoute du pyruvate (molécule en C3) ou du succinate (molécule en C4), choisies parce que c'est notamment sous ces formes moléculaires que le glucose est transformé dans le cytoplasme.

On pourra utiliser une simulation réalisée par F.TILQUIN (feuille de calcul "RESPIRATION MITOCHONDRIALE" qui simule les expériences consistant à introduire des substrats ou des bloquants à une préparation de mitochondries et à observer l'évolution de la teneur en O2 du milieu). Il suffit de saisir la quantité de substance à mettre et le moment auquel se fait l'addition (autre tableau de calcul - §3 ). Analysez les résultats obtenus et essayez de les expliquer.

3 Les étapes de la respiration cellulaire

C6H12O6 + 6 O2 ----> 6 CO2 + 6 H2O

3.1 PREMIERE ETAPE: LA GLYCOLYSE DANS LE CYTOPLASME

La dégradation des nutriments débute toujours dans le hyaloplasme de la cellule par une glycolyse (=dégradation du glucose).
C'est une suite complexe de réactions qui dégradent une molécule de glucose (à 6 atomes de carbone) en deux molécules d'acide pyruvique (à 3 atomes de carbone):

Retenons-en quelques caractéristiques:

C'est toujours un phénomène anaérobie, c'est-à-dire qui ne consomme pas de dioxygène.
Elle comprend plusieurs réactions catalysées chacune par une enzyme spécifique et produisant une série de métabolites intermédiaires entre le produit initial, le glucose et le produit final, l'acide pyruvique (succinate par exemple).
La signification biochimique fondamentale est une déshydrogénation, correspondant à une oxydo-réduction qui nécessite un accepteur ou transporteur de protons et d'électrons symbolisé R' (état oxydé).
Le bilan de la glycolyse se traduit par la synthèse de 2 molécules d'ATP par mole de glucose oxydé.
Pour que les phénomènes puissent se poursuivre, il est nécessaire que les molécules de transporteurs, maintenant réduits (R'H2) soient régénérées, c'est-à-dire repassent à l'état oxydé (R').

N.B. Ce recyclage des transporteurs est réalisé de manière différente dans le cas des fermentations et dans celui de la respiration selon l'équipement enzymatique de la cellule, donc le patrimoine génétique.

3.2 DEUXIEME ETAPE DANS LA MATRICE DES MITOCHONDRIES

La dégradation des métabolites amorcée dans le cytoplasme, se poursuit dans les mitochondries: dans la matrice, l'acide pyruvique est totalement dégradé sous l'action d'enzymes (décarboxylases et déshydrogénases): du dioxyde de carbone est libéré, les transporteurs de protons et d'électrons sont réduits (R'H2) et de l'ATP est produit.

3.3 TROISIEME ETAPE DANS LES CRETES MITOCHONDRIALES

Au niveau de la membrane interne (crêtes) les molécules de transporteurs réduits (R'H2) sont régénérées (R') grâce à des molécules spécialisées qui constituent la chaîne respiratoire et assurent une série de réactions d'oxydo-réduction.

Le dioxygène constitue l'accepteur final de protons et d'électrons: lui-même réduit, il permet la formation de molécules d'eau.

Ainsi, les échanges gazeux respiratoires, d'une part en assurant une série de déshydrogénations et de décarboxylations et d'autre part en ne libérant pas d'emblée, d'un seul coup leur énergie, mais par fractions, permettent-ils une suite d'oxydo-réductions cellulaires productrices d'ATP.
En effet le recyclage des transporteurs est couplé à la synthèse de 16 à 18 molécules d'acide adénosine tri-phosphate par mole d'acide pyruvique, grâce à des ATP-synthétases fixées sur la membrane interne des mitochondries.

Si l'on prend en compte la glycolyse, la respiration cellulaire produit ainsi 36 moles d'ATP par mole de glucose oxydé.

Animation schéma de la respiration

4 Etude expérimentale de la fermentation alcoolique

4.1 MONTAGE EXPERIMENTAL CLASSIQUE

Lorsqu'on place une suspension de levures dans une solution glucosée peu oxygénée, cette dernière fermente.


Que met en évidence le test réalisé avec l'allumette (1, 2)?
Que révèle un dosage de la solution réalisé avec un glucomètre au début de l'expérience et au bout de deux heures au moins?
Que révèle deux alcootests réalisés sur la solution dans le même laps de temps?

On peut écrire l'équation-bilan de la fermentation alcoolique de la sorte:

C6H12O6 ------> 2 CH3 - CH2OH + 2 CO2

4.2 EVALUATION DU TYPE DE METABOLISME UTILISE PAR DES LEVURES

On cherche à déterminer le type de métabolisme utilisé par les levures selon la disponibilité en dioxygène du milieu. On dispose, pour ce faire, du matériel suivant:

une suspension de levures maintenues à 28°C en milieu oxygéné et glucosé,

un bain marie à 30°C,

une seringue de 10mL prolongée par un fin cathéter,

une solution glucosée,

une chaîne de mesure ExAO avec bioréacteur, sonde à CO2, sonde oxymétrique, sonde à éthanol et logiciel d'acquisition de mesures.

On utilise le même montage que dans le §1 ci-dessus. Avant de démarrer les mesures, on ajoute dans le milieu contenant la suspension de levures une quantité importante de glucose.
Le document ci-contre présente les résultats d'une telle expérience.

Exploitez ces résultats en relation avec le problème posé. Donnez leur une explication.

4.3 ETAPES DE LA FERMENTATION

La fermentation débute dans le cytoplasme par la glycolyse:

Dans le cas de la fermentation alcoolique, l'acide pyruvique est d'abord décarboxylé (perte de CO2), le métabolite qui en résulte (l'éthanal) est ensuite réduit en éthanol avec régénération du transporteur:



Ces réactions d'oxydo-réduction ne libèrent pas une quantité suffisante d'énergie pour permettre la synthèse d'ATP. Donc seule la glycolyse produit de l'ATP lors des fermentations.

Animation schéma de la fermentation

Le bilan en ATP de la fermentation alcoolique est donc de 2 moles d'ATP par mole de glucose oxydé.

4.4 COMPARAISON RESPIRATION - FERMENTATION ALCOOLIQUE

RESPIRATION METABOLISME FERMENTATION ALCOOLIQUE

Glucose C6H12O6 Substrat Glucose C6H12O6

2840 kJ par mole de glucose Energie potentielle initiale 2 840 kJ par mole de glucose

aérobies (O2) Conditions anaérobies

6 CO2 + 6 H2O Produits 2 CO2 + 2 CH3 - CH2OH

0 kJ Energie potentielle finale 1 360 kJ par mole d'éthanol

36 moles par mole de glucose ATP produit 2 moles par mole de glucose


Sachant qu'une mole d'ATP libère par hydrolyse à 25°C une quantité d'énergie égale à 30,5 kJ, évaluez le rendement énergétique de la respiration, de la fermentation alcoolique.
En terme d'oxydation, comment peut-on qualifier chacun des deux processus métaboliques?

5 Bilan structural et fonctionnel d'une cellule vivante

Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d'entrée et de rejet de matière, qu'accompagnent des conversions énergétiques.
La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières, catalysées par des enzymes spécifiques, par exemple dans la mitochondrie et le chloroplaste, qui proviennent probablement de bactéries qu'une cellule hôte ancestrale aurait adoptées comme endosymbiotes.
Le noyau, par l'information génétique qu'il contient, dirige la synthèse des protéines, et donc des enzymes nécessaires au métabolisme de la cellule.

Au sein d'une cellule eucaryote, la production d'ATP est assurée:

dans les chloroplastes des cellules autotrophes lors de la phase photochimique de la photosynthèse. L'ATP produit est utilisé dans la seconde phase, pour la réduction du CO2.
dans les mitochondries de toute cellule autotrophe ou hétérotrophe, lors de la respiration cellulaire.
dans le hyaloplasme de quelques types de cellules par fermentation lorsque le dioxygène fait défaut.

Choisissons comme exemple la cellule végétale chlorophyllienne pour y dresser un bilan des deux modalités de transfert énergétique: le cycle de l'énergie dans la biosphère étant un cycle de transfert d'électrons, dans la photosynthèse, les électrons transitent d'un bas potentiel, celui de l'eau, à un potentiel élevé, fortement réducteur, celui de RH2; dans la respiration, le transit se fait dans le sens inverse. De l'énergie est ainsi récupérée pour synthétiser de l'ATP.

RESPIRATION	METABOLISME	FERMENTATION ALCOOLIQUE
Glucose C6H12O6	Substrat	Glucose C6H12O6
2840 kJ par mole de glucose	Energie potentielle initiale	2 840 kJ par mole de glucose
aérobies (O2)	Conditions	anaérobies
6 CO2 + 6 H2O	Produits	2 CO2 + 2 CH3 - CH2OH
0 kJ	Energie potentielle finale	1 360 kJ par mole d'éthanol
36 moles par mole de glucose	ATP produit	2 moles par mole de glucose