Consommation de La Matière Organique Et Flux D'énergie - Cour1 [PDF]

Zitiervorschau

Unité 1 : Consommation de la matière organique et flux d’énergie Chapitre 1 : Les réactions responsables de la libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique au niveau de la cellule Situation de départ :

I.

Mise en évidence des types de réactions responsables de la libération d’énergie potentielle des nutriments organiques: 1. Mise en évidence de la respiration cellulaire et de la fermentation:

On place dans le bioréacteur du dispositif EXAO (figure 1) une solution de levures bien oxygénées de concentration (10 g.L-1) et 2 sondes : une à O2 et l’autre à CO2. On ferme le bioréacteur. Grace à l’agitateur, la solution est toujours homogène et bien oxygénée. On relie chaque sonde à son interface et les 2 interfaces à un ordinateur. On démarre les mesures puis, à t1 on injecte 1 ml de solution de glucose à 5 g.L-1. La figure 2 donne les résultats obtenus dans un milieu aérobie alors que la figure 3 présente les

résultats obtenus chez des levures privées de O2 en utilisant le même protocole expérimentale. - Analysez les résultats ? Pour voir comment évoluent les populations de levures et certains paramètres du milieu, des levures ont été placées dans un milieu de culture contenant le glucose en présence de O2 (milieu 1) ou en son absence (milieu 2). Le tableau ci-dessous représente les conditions et les résultats de l’expérience. Poids de levures formées (g)

Glucose Consom mé (g)

début

fin

Milieu 1: aérobie

1.970

150

-

-

Milieu 2: anaérobie

0.255

45

-

+++

-

Alcool (éthanol) (g)

Indiquer les informations que l’on peut tirer de ces résultats.

On observe des cellules de levure cultivées sur un milieu nutritif riche en O2 : milieu anaérobie. Les schémas ci-dessous représentent las électronographie de cette observation. Comparez les deux cellules et déduisez la relation entre le type de métabolisme et la présence de mitochondrie. Sous forme d’un tableau, réalisez un bilan de phénomène qui caractérise d’une part le métabolisme de la respiration et d’autre part celui de la fermentation.

Réponse : Au niveau de la culture bien oxygénée du montage 1, après injection d’un millilitre de solution glucosée, la concentration de dioxygène diminue et la concentration de dioxyde de carbone augmente.

Dans Dans un milieu aérobie, les levures absorbent du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux caractérisent le métabolisme de la respiration. respiration =================================================================================== Au niveau de la culture non oxygénée du montage 2, après injection de 1mℓ 1mℓ de solution glucosée, la concentration en dioxygène diminue et devient nulle très rapidement. Au cours de ce bref moment, la concentration de dioxyde de carbone augmente légèrement. Puis, à partir du moment où il n’y a plus de dioxygène dans le milieu, la concentration de dioxyde de carbone augmente rapidement. Dans un milieu anaérobie, érobie, les levures rejettent du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux caractérisent le métabolisme de la fermentation. =================================================================================== 1. En milieu aérobie, la multiplication cellulaire (poids de levures) ainsi que la consommation du glucose sont beaucoup plus importantes qu’en milieu anaérobie. Sachant que la multiplication cellulaire nécessite de l’énergie, On pourrait admettre que la production d’énergie (à partir de la dégradation du glucose) est moindre en mode « fermentation » qu’en mode « respiration ». De plus, la dégradation du glucose en anaérobiose est incomplète et il se forme de l’alcool éthylique ou éthanol. 2. Les deux levures présentent un noyau et des vacuoles. Par contre, contre, seule la levure provenant du milieu oxygéné présente des mitochondries bien développées. La respiration et la présence de mitochondries sont liées. Le mode fermentation ne nécessite pas de mitochondries. Ces derniers sont des organites cellulaires impli impliqués dans la respiration cellulaire. 3. Bilan :

Conclusion : La respiration cellulaire : oxydation complète de MO (glucose) en milieu aérobie, elle nécessite l’intervention des mitochondries et produit une quantité importante d’énergie. La fermentation : oxydation incomplète de MO en milieu anaérobie, elle se déroule dans l’hyaloplasme et produit une faible quantité d’énergie et des résidus organiques contenant encore une énergie potentielle potentielle.

2. Devenir du glucose dans la cellule:

Des cultures ures de levures sont réalisées en présence et en absence de O2 dans des milieux contenant une faible quantité du glucose marqué au carbone 14 ( 14C).. des prélèvements effectués à différents temps permettent de détecter et d’identifier les molécules radioactives radioactives présentes dans les compartiments intracellulaires et extracellulaires. Le tableau dessous résume les résultats obtenus. Milieu anaérobie

Milieu aérobie

temps

Milieu hyaloplasme Milieu extracellulaire extracellulaire

T0

G+++

T1

G++

Milieu intracellulaire

G+++ G++

G++

G++

T2

P++++

P++++

T3

E+, P++, CO2++

*P++ , *K+, *CO2+

T4

E+, CO2+

T5

E++, CO2++

+++ Radioactivité forte ++ Radioactivité moyenne + Radioactivité faible

E++, CO2+

CO2+

CO2+, *K+

CO2+++

- Analysez les résultats du tableau, et donnez une conclusion. Réponse : Analyse : On observe dans le tableau qu’il n’y a que du glucose dans le milieu externe au temps t0, le taux de glucose du milieu extérieur diminue au temps t1 et on en voit apparaitre dans l’hyaloplasme. Cela signifie que le glucose est entré dans les cellules. Au temps t2, il n’y a plus de glucose dans l’hyaloplasme, la radioactivité se retrouve dans les molécules de pyruvate. Le glucose a été transformé en pyruvate dans l’hyaloplasme. l’hyaloplasme. Puis on observe qu’il apparait, progressivement, du pyruvate dans la matrice mitochondriale. Au temps t3 et t4, la radioactivité est retrouvée dans les molécules de dioxyde de carbone émises dans le milieu extérieur.

Conclusion : On déduit que: - Dans les 2 milieux, de T0 à T2, le glucose pénètre dans la cellule et se transforme en acide pyruvique dans l’hyaloplasme, cette étape est nommée La glycolyse. - Dans le milieu anaérobie, de T2 à T3, le pyruvate se transforme dans l’hyaloplasme en éthanol (alcool à 2C) et CO2 qui sont par suite rejetés vers le milieu extérieur de T4 à T5. C’est la suite de la fermentation alcoolique alcoolique.

Bilan :

II. Étude de la respiration cellulaire: 1- la glycolyse : La Glycolyse: est la dégradation du glucose en 2 acides pyruviques au niveau du cytosol (hyaloplasme) à travers une série de réactions biochimiques. C’est une étape commune entre la respiration et la fermentation. Il s'agit de réactions anaérobiques.

2. Ultra-structure et composition chimique de la mitochondrie: Les mitochondries sont des organites qui se trouvent à l’intérieur des cellules eucaryotes (cellules qui possèdent un noyau). Elles se situent plus précisément dans le cytoplasme des cellules. Sa taille varie entre 0,5 et 1 μm de diamètre et jusqu’à 7 μm de longueur. Pour l’étude de ces organites, on propose les documents suivants: Document 1: Une mitochondrie au microscope électronique

Document 2: Schéma descriptif de la structure mitochondriale

La structure moléculaire de la membrane mitochondriale :

Document 3: présente la composition biochimique des différentes structures mitochondriales:

composition

Principaux constituants

Membrane externe

45 % de lipides et 55 % de protéines

Canaux protéiques assurant les échanges de molécules entre la mitochondrie et le cytosol

Membrane interne

20 % de lipides et 80 % de protéines. Surface importante (crêtes)

Matrice

Absence du glucose Présence d’ATP et du pyruvate.

Canaux protéiques assurant les échanges de molécules entre la matrice et l’espace intermembranaire nombreuses molécules participants au transfert des électrons,(réaction d’oxydoréduction), formant la chaine respiratoire. nombreuses ATP synthase. Plusieurs enzymes ; notamment les décarboxylases et les déshydrogénases.

1. Rôle de la mitochondrie :

Une fraction de mitochondrie isolée par centrifugation d’un broyat cellulaire, est introduite dans un appareil de mesure contenant une solution tampon riche en O2 et en ions phosphate. On mesure l’évolution du taux d’O2 dans l’appareil après injection de glucose puis de pyruvate. Le document dessous représente les résultats obtenus. - Décrire les variations de la teneur en dioxygène dans le milieu. - Que peut-en déduire à propos du rôle des mitochondries dans la respiration cellulaire. -

En présence du glucose les mitochondries ne consomment pas l’O2, par contre à l’ajout du pyruvate, on remarque une diminution dans la concentration O2, c’est-à-dire que le pyruvate permet la consommation d’O2 donc le pyruvate est le substrat utilisé par la mitochondrie.

-

Dans un milieu aérobie (présence d’O2), les 2 pyruvates obtenus par la glycolyse pénètrent dans la matrice mitochondriale où ils subissent une dégradation totale en CO2.

Quelles sont les étapes de cette dégradation?

 Formation de l’ACoA (Acétylcoenzyme A) :

 Les réactions de cycle de Krebs :

Le bilan chimique de l’oxydation d’une molécule de l’acétyl-coenzyme A dans la matrice: +

+

CH -CO-CoA + 3NAD + FAD + ADP + Pi + 3H O → 2CO + 3NADH,H + FADH + ATP + CoA-H 3

2

2

2

Le bilan énergétique d’un cycle de Krebs est: +

1 ATP + 3 NADH,H + 1 FADH

2

L‘équation globale d’oxydation d’une molécule de pyruvate dans la matrice: +

CH -CO-COOH+4NAD +FAD+ADP+Pi+3H O 3

2

→

+

3CO +4NADH,H +FADH +ATP 2

2

Donc l’oxydation de 2 pyruvates (issues d’une molécule de glucose) donne: +

6CO + 8 NADH,H + 2 FADH +2 ATP 2

2

4. la chaîne respiratoire de la membraneinterne mitochondriale : Document 5 : On ajoute à une suspension de mitochondrie, des composés réduits R’H2 et de l’ADP + Pi en présence ou non de roténone (molécule inhibitrice des réactions d’oxydoréduction). Les mesures de la production d’ATP et de la consommation d’O2 par les mitochondries sont présentées dans le graphique ci contre.

On observe que avant l’ajout du R’H2 et ADP +Pi, la concentration d’O2 subit une légère diminution et une légère augmentation pour la synthèse d’ATP. Après l’ajout du RH2 et ADP + Pi, on remarque une diminution importante de la concentration d’O2 jusqu’à la valeur 20%, une augmentation importante du taux de l’ATP jusqu’à la valeur de 100 UA. Mais après l’ajout de la Roténone, la concentration du CO2 et le taux de l’ATP reste stable.

La synthèse d’ATP nécessite la présence d’ATP+ Pi et l’oxydation des RH2 et aussi la consommation d’O2 par les mitochondries.

-

Où ce passe cette oxydation des coenzymes RH2?

Document 6 : La chaine respiratoire correspond à une association de complexes protéiques présents au sein de

la membrane interne de la mitochondrie et responsable du transfert d’électrons, provenant du NADH+H+ et du FADH2, vers le couple H2O/O2. - Ce processus liée à l’oxydation du NADH+H+ et du FADH2, tout deux produits lors de la glycolyse et du cycle

de Krebs, est accompagné d’un flux de protons H+ de la matrice vers l’espace intermembranaire. Document 7 : La direction du flux d’électrons le long de la chaine respiratoire est déterminée par la faculté des

composants à perdre ou à gagner des électrons. La capacité a « donner » ou a « prendre » des électrons est exprimée par un paramètre nommée : potentiel d’oxydoréduction (redox). Les électrons se déplacent des molécules à faible potentiel d’oxydoréduction vers les molécules possédant un potentiel plus fort (depuis le premier donneur : le couple NADH,H+ /NAD+, jusqu’au l’accepteur final le couple O2/H2O.) , ce déplacement spontané des électrons s’accompagne de libération de l’énergie.

Document 6 : La phosphorylation oxydative

Document 7 : Potentiel d'oxydoréduction

- Le gradient électrochimique (différence de concentration et de charges électriques) est une sorte d'énergie potentielle. - La membrane interne est imperméable aux protons sauf au niveau de l'ATP synthase. L'énergie du gradient est exploitée lors du retour des protons vers la matrice, traversant l’ATP synthase, pour activer la synthèse de l'ATP (ADP + Pi + énergie → ATP). - La phosphorylation de l’ADP est couplée à la réoxydation des transporteurs d'électrons. C’est pour cela qu’on parle de « phosphorylation oxydative » ou « oxydation phosphorylante ». - La réoxydation d'une molécule de NADH,H+ donne l'énergie nécessaire à la synthèse de 3 molécules d’ATP. Pour une molécule de FADH2, on a seulement 2 ATP.

-

En exploitant le document 8, déduisez les conditions cond de la phosphorylation d’ADP. Document 8 : Expérience sur des particules submitochondriales (d’après bac Martinique septembre 2007)

Document 8: En présence d’ADP et de Pi, la synthèse d’ATP ne s’effectue que si le pH à l’intérieur des particules submitochondriales est inferieur du pH du milieu externe. Donc les conditions de la phosphorylation d’ADP et la synthèse d’ATP sont: – La présence des sphères pédonculées. – La présence d’ADP et de Pi. – Le pH de l’espace intermembranaire est inferieur inferi du pH de la matrice.

1. Comparaison du bilan énergétique de la respiration et de la fermentation :