L’organisme a des besoins pour fonctionner :

Besoins d’énergie

(glucides, lipides, protides)

Comment l’organisme récupère-t-il l’énergie stockée dans les molécules organiques ?

Solaire

Contenue dans les aliments

Cf photosynthèse: acquisition de l’énergie et investissement dans la matière

Cette énergie est donc stockée dans des molécules organiques

En classe de première, nous avons vu que les fibres musculaires possèdent deux types de métabolisme: fibres glycolytiques (anaérobie), et fibres oxydatives (aérobie)

La première étape de la dégradation est commune aux 2 types de fibres : la glycolyse (anaérobie)

La deuxième étape est spécifique :

- anaérobie: fermentation

- aérobie: respiration

(1ère étape commune à la respiration et à la fermentation)

La glycolyse est la dégradation d’une molécule de glucose (6 carbones) en 2 molécules d’acide pyruvique ( 3 carbones) et 2 molécules d’ATP. Ces réactions se déroulent dans le cytosol en conditions anaérobies.

Rappel: elle est réalisée chez les autotrophes comme chez les hétérotrophes.

L’exemple suivant se déroule dans une cellule animale.

Membrane plasmique

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension)

noyau

Glucose

glucose

2 ATP

2ADP

1:Activation du glucose par 2 ATP

2: scission du fru1,6biP en 2 molécules à 3C (DHAP et GAP)

3: oxydation des molécules à 3C par le NAD+ (NADH,H+) et déphosphorylation des DHAP et GAP formation d’ATP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 NADH,H+

2 acides pyruviques

Bilan de la glycolyse

2ADP

2 NAD+

2Pi

glucose2 acides pyruviques

2 ATP2 NADH,H+

Comment les NADH,H+ sont-ils réoxydés ?

Que devient l’acide pyruvique ?

noyau

Membrane plasmique

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension)

Glucose 2 Acides pyruviques

glycolyse

Suite de la fermentation dans le cytosol (conditions anaérobies)

La fermentation correspond à une dégradation partielle du substrat (glucose) en absence de dioxygène. Elle se déroule entièrement dans le cytosol. L’acide pyruvique produit lors de la glycolyse (1ère étape de la fermentation) est alors réduit en lactate (acide lactique) par du NADH,H+ dans les muscles.

Il existe plusieurs types de fermentation dont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique.Le produit final de la fermentation alcoolique (réalisée chez des levures par exemple) est de l’éthanol. Cette réaction est utilisée par l’industrie agroalimentaire à des fins de production (bière par exemple).Les cellules musculaires humaines utilisent la fermentation lactique lorsque l’oxygène est rare (au tout début d’un effort physique intense).

2 acides pyruviques

2 NAD+

2 NADH,H+

2 acides lactiques

4 : réduction de l’acide pyruvique par le NADH,H+ (NAD+)

et formation d’acide lactique.

glucose

2 ATP

2ADP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 NADH,H+

2 NADH,H+

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 acides lactiques

La fermentation lactique

Couplage entre les 2 phases de la fermentation pour régénérer les accepteurs d’électrons

Bilan simplifié de la fermentation (lactique)

glucose

2 ADP+2Pi

2 acides lactiques

2 ATP

la fermentation est un catabolisme faiblement énergétique : la dégradation partielle d’une molécule de glucose permet la synthèse de 2 ATP.

Comment se produit la dégradation du glucose en conditions aérobies ?

Membrane plasmique

Cytoplasme (cytosol+éléments en suspension)

noyau

Glucose 2 Acides pyruviques

Suite de la dégradation dans le cytosol en conditions anaérobies (suite de la fermentation)

En conditions aérobies, suite de la dégradation dans la mitochondrie (suite de la respiration)

La respiration cellulaire est une dégradation totale du substrat ( glucose) en 6 CO2 et 6H2O en conditions aérobies. La première étape ( glycolyse) se déroule dans le cytosol.

Les 2nde et 3ème étapes se déroulent dans la mitochondrie en présence de dioxygène et produisent au maximum 36 ATP.

La mitochondrie (vue au MET)

Membrane externe

Membrane interne

Crêtes mitochondriales

matricehyaloplasme = cytosol

oxaloacétate

citrate

CG

SuccinateFAD

FADH2

malate

acide pyruvique

Cycle de Krebs (simplifié)

Succinyl-coA

CoA

CoA

CoA

Acétyl-co-A

CoA

Fixation d’un coenzyme coA, décarboxylation (libération d’un CO2), et réduction du NAD+ en NADH,H+formation d’acétyl-coA

Fixation de l’acétyl-co-A sur le substrat (oxaloacétate) et libération du coenzyme A formation de citrate

décarboxylation

Réduction du NAD+ en NADH,H+ et réorganisation de la molécule carbonée en

-cétoglutarate

décarboxylation

Réduction du NAD+ en NADH,H+,fixation du coA et réorganisation de la molécule carbonée en succinyl-coA

Synthèse d’ATP et libération du coA formation de succinate

Réduction du FAD en FADH2 et formation de malate

Réduction du NAD+ en NADH,H+et régénération de l’oxaloacétate (substrat du cycle)

Lors de la glycolyse, la dégradation du glucose produit 2 molécules d’acides pyruviques…

Donc le bilan est le suivant:

8 NAD+

2ADP2Pi

2 acides pyruviques

2 FAD

2 ATP8 NADH,H+

2 FADH2

6CO2

Nous avions vu que la dégradation d’une molécule de glucose en conditions aérobies produisait 36 molécules d’ATP.

Or, 2 molécules ont été produites lors de la glycolyse et 2 lors de la phase suivante.

Comment sont produites les autres molécules d’ATP ?

De plus comment les accepteurs d’électrons sont-ils réoxydés pour être réutilisés dans le cycle de Krebs ?

3ème phase de la respiration: couplage de la chaîne de transfert d’électrons à la synthèse d’ATP au niveau des membranes internes de la mitochondrie.

Matrice

mitochondriale

Membrane interne

Espace intermembranaire

Membrane externe mitochondriale

H+,H+

Synthèse d’ATP couplée à la chaîne de transporteurs d’électrons…

e-

H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+…

ATP synthase

Chaine de transfert des électrons

Oxydation de NADH,H+,prise en charge des électrons par la chaîne de la membrane interne de la mitochondrie et transfert des H+ dans l’espace intermembranaire.

Le gradient de protons ainsi créé est utilisé comme source d’énergie par l’ATP synthase pour synthétiser de l’ATP à partir d’ADP +Pi.

Les protons , les électrons récupérés de NADH,H+ réagissent alors avec la molécule d’O2 pour former de l’eau qui est ensuite libérée dans le milieu externe.

2H+ + 1/2O2 H2O

glucose

2 ATP

2ADP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 NADH,H+

2: Cycle de Krebs

e-

2H+, +1/2 O2

H2O

H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+…

H+,H+

Bilan de la respiration cellulaire1:

glycolyse

3: Synthèse d’ATP par phosphorylation oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale

Bilan de la respiration cellulaire

la respiration est un catabolisme hautement énergétique : la dégradation totale d’une molécule de glucose permet la synthèse de 36 ATP.

glucose

36ADP +36Pi

6O2

6CO2

36 ATP

6H2O

Les accepteurs d’électrons ont été ré oxydés lors de la 3ème phase…

glucose

2 ATP

2ADP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 NADH,H+

1: glycolyse

2 NADH,H+

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 acides lactiques

2: réoxydation

des transporteurs

d’électrons

Rappel:

La fermentation lactique

Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie)

glucose

36ADP +36Pi

6O2

6CO2

36 ATP

6H2O

Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol)

glucose

2 ADP+2Pi

2 acides lactiques

2 ATP

Bilan de la glycolyse (cytosol)

2ADP

2 NAD+

2Pi

glucose2 acides pyruviques

2 ATP2 NADH,H+

Synthèse de 2 molécules d’ATP lors de la glycolyse, la 2ème phase de la fermentation permet uniquement de réoxyder les accepteurs d’électrons.

Les 2ème et 3ème phases de la respiration cellulaire permettent de réoxyder les accepteurs d’électrons et de synthétiser 36 molécules d’ATP supplémentaires en conditions aérobies!!!

Remarque : 2 molécules d’ATP sont consommées pour le transfert des molécules du cytosol vers la mitochondrie…

L’ATP est la seule source d’énergie directement utilisable pour la contraction

musculaire.

Or, les stocks d’ATP ne peuvent assurer qu’une contraction de 4 à 6 secondes.

Il doit donc être régénéré .

Comment l’ATP est-il régénéré durant l’activité musculaire ?

Suite Module M3

Créatine-P

Créatine

Phosphorylation directe (couplée à la créatine phosphate)

Cette voie de régénération de l’ATP permet de fournir l’énergie nécessaire à un effort musculaire de 10 secondes environ .

Créatine-phosphate: molécule à haute énergie emmagasinée dans les muscles.

Réaction réversible lors d’une production trop importante d’ATP ( stockage d’énergie sous forme de créatine-P)

Fermentation lactique (voie anaérobie)

Cette voie s’active en présence ou en absence de O2 mais n’utilise pas de O2 d’où voie anaérobie. Durée de la réserve d’énergie : 30 à 60 s.

Problèmes: rendement faible (2ATP/molécule de glucose) et accumulation d’acide lactique à l’origine de fatigue musculaire.

Respiration cellulaire (voie aérobie)

Lors d’une activité physique légère et prolongée; permet de réaliser un exercice durant plusieurs heures. Rendement énergétique important (36 ATP /molécule de glucose) mais besoin de O2.Peut utiliser également acides gras et acides aminés comme source d’ATP au lieu d’acide pyruvique.

Déchets: H2O et CO2.

Systèmes énergétiques mis en jeu pendant les activités sportives…

Énergie nécessaire pour exercices intenses mais brefs (haltérophilie, sprint, plongeon…) provient uniquement des réserves d’ATP et de la créatine phosphate.Exercices avec efforts intermittents (football, tennis, nage 100m…) alimentés presque exclusivement par voie anaérobie.

Exercices d’endurances (marathon, course à pied: voie aérobie).En réalité, voies aérobie et anaérobie intimement liées, voie anaérobie intervient surtout au début d’un effort physique pendant que créatine-P s’épuise et que voie aérobie se met en place. Mais voie anaérobie peut compléter voie aérobie si elle ne suffit plus (effort très intense et très long).

Doc.1

1:

2:

3:

Doc.2

4 :

Doc.3

glucose

2 ATP

2ADP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 NADH,H+

2 NADH,H+

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 acides lactiques

Doc.4

Doc.5

Doc.6

H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+…

Doc.7

glucose

2 ATP

2ADP

Fru-1,6bi-P

2 NAD+

2 acides pyruviques

2 NADH,H+

2:

e-

2H+, +1/2 O2

H2O

H+, H+, H+H+, H+, H+,H+,H+,H+…

H+,H+

Bilan de la respiration cellulaire1:

3:

par phosphorylation

oxydative au niveau de la chaîne de transporteurs d’électrons mitochondriale

Doc.8

Bilan de la respiration cellulaire (cytosol+mitochondrie)

glucose

36ADP +36Pi

6O2

6CO2

36 ATP

6H2O

Bilan simplifié de la fermentation lactique (cytosol)

glucose

2 ADP+2Pi

2 acides lactiques

2 ATP

Bilan de la glycolyse (cytosol)

2ADP

2 NAD+

2Pi

glucose2 acides pyruviques

2 ATP2 NADH,H+

Doc.9