L‘oxydation du pyruvate
1 – L’ultra structure et composition biochimique 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. La taille des mitochondries 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
Document 3: présente la composition biochimique des différentes structures mitochondriales:
1 – A partir de l’exploitation des documents 1 et 2, décrire la structure de la mitochondrie
2 – A partir du document 3, Comparer la composition des différentes structures mitochondriales.
1-Au microscope électronique, les mitochondries apparaissent constituées d’une membrane externe, d’une membrane interne qui forme des replis appelés « crêtes », d’un espace intermembranaire et d’une matrice riche en enzymes, composée de ribosomes, d’ADN mitochondrial (ADNmt).
2 -La membrane interne se distingue par sa richesse en protéines, composées d’enzymes responsables de la fabrication d’ATP (les ATP synthétases ou sphères pédonculées) et des complexes d’oxydoréduction. Tandis que la membrane externe est similaire à celle de la membrane plasmique. La matrice contient des complexes enzymatiques de décarboxylation et de déshydrogénation.
2 – L’oxydation respiratoire:
2 – 1 – Formation de l’acétyl-coenzyme A:
L’acide pyruvique issu de la glycolyse entre dans la matrice mitochondriale, s’associe au coenzyme A pour former l’acétyl-CoA et subi une décarboxylation ( perte d’un atome de carbone par libération d’une molécule de CO2 ) et une déshydrogénation ( perte d’hydrogène ).
2 – 2 – Le cycle de Krebs :
Document 4 : Les atomes de carbone des molécules d’acétyl-coenzyme A vont être oxyder dans le cycle de l’acide citrique ou cycle de Krebs.
Document 5: Schéma interactif du cycle de Krebs:
A partir de l’exploitation des documents 4 et 5,
1 – Décrire le cycle de Krebs.
2 – Ecrire les réactions de réduction des transporteurs NAD+ et FAD.
3 – Déduire la réaction bilan du cycle de Krebs.
4 – Déduire la réaction bilan de l’oxydation de l’acide pyruvique.
1-Une molécule d’acétyl-CoA (C2) se lie à l’oxaloacétate (C4) pour former le citrate (C6). Les réactions se suivent ensuite produisant des décarboxylations qui dégagent du CO2 et des oxydoréductions qui donnent des transporteurs réduits (NADH,H+ et FADH2), et formation d’une molécule d’ATP.
2 – NAD+ + 2H++ 2e- ————–> NADH,H+
FAD + 2H+ + 2e- ————–> FADH2
3 -La réaction bilan cycle de Krebs:
Acetyl-CoA+ADP+Pi+3NAD++FAD+3H2O ———-> 2CO2+ATP + 3NADH,H++FADH2+CoA
4 -La réaction bilan de l’oxydation de l’acide pyruvique :
pyruvate + ADP + Pi + 4NAD+ + FAD+3H2O ———> 3CO2 + ATP + 4NADH,H+ + FADH2
2 – 3 – Devenir des transporteurs réduits (NADH.H+ et FADH2) :
Pour connaitre le devenir des transporteurs réduits (NADH.H+ et FADH2) , on propose d’étudier les documents suivants :
Document 6: Expérience permettant d’ajouter du dioxygène à une suspension de mitochondries contenant des transporteurs réduits R‘H2, et de mesurer les variations du pH dans la suspension en fonction du temps:
Document 7 : Expérience sur des particules submitochondriales (d’après bac Martinique septembre 2007)
Les particules submitochondriales, petits sacs de 100 nm de diamètre, sont obtenues à partir de fragments retournés de membrane interne de mitochondries.
Cette membrane est recouverte de structures arrondies nommées sphères pédonculées qui ne sont plus en contact avec la matrice (=milieu intra-mitochondrial) mais avec un milieu expérimental. Il contient de l’O2, des transporteurs réduits R‘H2, de l’ADP et du P (phosphate inorganique).
N.B : En l’absence des composés réduits R‘H2 ou du dioxygène, il n’y a pas de synthèse d’ATP au niveau des particules submitochondriales.
Document 8: Des particules submitochondriales avec les sphères pédonculées ont été mise dans les conditions suivantes:
1 – A partir de l’exploitation du document 6, interpréter les résultats obtenus.
2 – En exploitant les documents 7 et 8, déduire les conditions de la phosphorylation d’ADP.
3 – Déduire le devenir des transporteurs réduits (NADH,H+ et FADH2).
1-Document 6 : Avant l’injection du dioxygène, la concentration des H+ était nulle, mais après son injection, on observe une augmentation rapide de la concentration en H+ jusqu’à atteindre une valeur supérieur à 40.10-9 mol/l, puis elle diminue progressivement jusqu’à sa valeur initiale après 240 s. L’augmentation de la concentration de H+ peut être interpréter par le fait que le dioxygène a oxydé les transporteurs réduits R’H2 et la libération des protons H+ dans la suspension. La diminution progressive des protons H+ est dû à leur retour vers la matrice mitochondriale.
2- Document 7 : En présence du dioxygène, il y a réoxydation des R’H2 en R’ dans tous les milieux expérimentaux, mais la synthèse d’ATP ne s’effectue qu’en présence des sphères pédonculées.
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 au pH du milieu externe.
Les conditions de la phosphorylation d’ADP et la synthèse d’ATP sont donc :
- La présence de O2
- La présence des transporteurs réduits R’H2
- La présence des sphères pédonculées.
- La présence d’ADP et de Pi.
- Le pH de l’espace intermembranaire est inferieur au pH de la matrice.
3- Les transporteurs réduits (NADH,H+ et FADH2) subissent une réoxydation au niveau de la membrane interne mitochondriale.
2 – 4 – La chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative:
La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne mitochondriale. Cette chaîne de transport d’électrons est constituée de quatre complexes protéiques : complexes I, II, III et IV. La membrane interne porte aussi le complexe V qui sont des sphères pédonculées ( ATP synthétases ) tournées vers la matrice.
Pour élucider le rôle de la chaîne respiratoire, on propose d’étudier les documents suivants :
Document 9 : présente un schéma fonctionnel simplifié de la chaîne respiratoire :
Document 10 : présente une animation fonctionnelle simplifiée de la chaîne respiratoire :
Source : Graham R. Kent Dept. of Biological Sciences Smith College Northampton
1 – A partir de l’exploitation les documents 9 et 10, décrire le flux d’électrons, le transfert de protons H+ à travers la membrane interne et leur relation avec la phosphorylation de l’ADP.
2 – Justifier l’appellation de la phosphorylation oxydative.
3 – Donner les réactions de la réoxydation des transporteurs réduits (NADH,H+ et FADH2).
4 – Donner la réaction de la réduction du dioxygène.
1-Les électrons issus de la réoxydation des transporteurs réduits (NADH,H+ et FADH2), vont être transférés de transporteur à transporteur, jusqu’au complexe CIV de la chaîne respiratoire, puis vers le récepteur final des électrons qui est le dioxygène; qui sera réduit en eau.
L’énergie perdue par les électrons durant leur passage dans la chaîne respiratoire est utilisée pour faire passer les ions H+ de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire où ils se concentrent. Ce qui crée un gradient de protons (H+) de part et d’autre de la membrane interne.
L’énergie chimique emmagasinée dans le gradient, exploitée par les sphérules pédonculées (ATP synthétases), pour transporter H+ de l’espace intermembranaire vers la matrice et la phosphorylation de l’ADP en ATP selon la réaction suivante:
ADP + Pi + énergie —————-> ATP + H2O
2 – La membrane interne est le lieu de production d’énergie par phosphorylation de l’ADP et le lieu de l’oxydation de NADH,H+ et de FADH2 en parallèle avec la réduction du dioxygène en eau, l’ensemble de ces activités constitue la phosphorylation oxydative.
3 -Les réactions de la réoxydation des transporteurs réduits :
NADH,H+ —————->NAD+ + 2e– + 2H+
FADH2 —————-> FAD + 2e– + 2H+
4 -la réaction de la réduction du dioxygène :
O2+ 4e– + 4H+ ——————–>2H2O
– Evaluation
3 – Le bilan énergétique de l’oxydation du glucose:
Document 11: un schéma bilan montrant les mécanismes produisant de l’énergie à partir du glucose, lors de la respiration cellulaire.
1 – A partir de l’exploitation du document 11 et vos connaissances, calculer le bilan énergétique de la respiration, sachant que l’oxydation d’une molécule de NADH,H+ permet la synthèse de 3ATP, alors que l’oxydation d’une molécule de FADH2 permet la synthèse de 2ATP seulement.
Le milieu Les réactions le bilan énergétique
L’hyaloplasme Glycolyse 2ATP ————> 2ATP
2NADH,H+ —–> 6ATP
La Mitochondrie Formation de l’acétyl-CoA 2NADH,H+ —–> 6ATP
Cycle de Krebs 6NADH,H+ —–> 18ATP
2FADH2 ——–> 4ATP
2ATP ————> 2ATP
Total = 38ATP
Dans certaines cellules les molécules de NADH,H+ formées dans l’hyaloplasme sont remplacées par des FADH2 à l’intérieur de la mitochondrie, dans ce cas le bilan sera 36ATP.