Libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique : Cours 2BAC SVT et PC

Bienvenue chers élèves de 2ème BAC SVT et PC. Dans cette unité, nous allons explorer comment les cellules extraient l’énergie chimique emmagasinée dans la matière organique (glucose) pour la convertir en une forme utilisable : l’ATP.

Introduction :

Les végétaux chlorophylliens sont autotrophes : ils produisent leur propre matière organique par la photosynthèse. À l’inverse, les êtres vivants hétérotrophes doivent consommer cette matière. La cellule dégrade ensuite ces molécules organiques pour extraire l’énergie sous forme d’ATP (Adénosine Triphosphate), molécule universelle nécessaire aux fonctions vitales (division, transport, contraction).

I. Mise en évidence des voies de libération de l’énergie

1. La respiration cellulaire (Milieu aérobie)

On place des levures aérées dans un bioréacteur relié à des sondes. Avant l’ajout de glucose, les teneurs en gaz sont stables. Dès l’injection du glucose à t1 , on observe une diminution rapide de la teneur en dioxygène (O2) et une augmentation simultanée de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) dans le milieu.

Ces résultats démontrent que, en présence de dioxygène, les levures consomment le glucose et l’oxygène pour extraire de l’énergie. Ce processus biologique est appelé la respiration cellulaire. Elle s’accompagne d’une consommation de O2 et d’un rejet de CO2.

Définition : La respiration cellulaire est une dégradation complète du glucose en matière minérale (CO₂ et H₂O). Elle nécessite l’intervention des mitochondries.

2. La fermentation (Milieu anaérobie)

En l’absence de dioxygène (O₂), la cellule utilise la fermentation. C’est une dégradation incomplète qui produit un résidu organique encore riche en énergie et un faible bilan d’ATP.

A-Fermentation lactique

Afin de comprendre comment les bactéries Lactobacillus produisent leur énergie, on place du lait frais dans un récipient hermétique à 40°C. Le suivi par ExAO montre une baisse progressive du pH du milieu au cours du temps. L’analyse finale révèle une forte accumulation d’acide lactique (CH3CHOHCOOH) et une absence totale de dégagement de CO2, prouvant une dégradation du lactose en milieu anaérobie.

Les bactéries dégradent le glucose (issu de l’hydrolyse du lactose) pour extraire de l’énergie. Ce processus, appelé fermentation lactique, produit de l’acide lactique dont l’accumulation dans le milieu provoque la hausse de l’acidité et donc la chute du pH.

Ces résultats démontrent que, en l’absence de dioxygène, les bactéries dégradent le glucose de manière incomplète pour extraire de l’énergie. Ce processus biologique est appelé la fermentation lactique. Elle s’accompagne de la production d’acide lactique (provoquant la baisse du pH), mais sans dégagement de CO2.

Fermentation lactique : une dégradation incomplète du glucose en l’absence de dioxygène. Elle permet d’extraire de l’énergie et s’accompagne de la production d’éthanol (alcool) et d’un dégagement de CO2

B-la fermentation alcoolique :

Des levures mises en culture dans un milieu glucosé. Le flacon, complètement rempli, est bouché et le tube à dégagement ne permet pas un renouvellement en dioxygène à partir de l’air ambiant (montage ci-dessous). Très rapidement, le dioxygène présent initialement est épuisé et on constate les modifications suivantes par comparaison avec un montage témoin (solution de glucose stérile) :

• L’analyse de milieu de culture à l’aide de bandelettes utilisées pour mesurer la glycémie montre une disparition progressive du glucose.
• L’alcootest du milieu de culture montre un résultat positif (présence d’éthanol), alors qu’il est négatif au début de l’expérience.
• Le gaz recueilli dans le tube à dégagement trouble l’eau de chaux.
• Légère élévation de la température dans le flacon.

Ces résultats démontrent que, en l’absence de dioxygène, les levures dégradent le glucose de manière incomplète pour extraire de l’énergie. Ce processus biologique est appelé la fermentation alcoolique. Elle s’accompagne de la production d’un alcool (l’éthanol) et d’un dégagement de CO2

Fermentation lactique : une dégradation incomplète du glucose en l’absence de dioxygène. Elle permet d’extraire de l’énergie et s’accompagne de la production d’acide lactique, ce qui provoque une hausse de l’acidité (baisse du pH) du milieu.

3. Rôle des structures cellulaires

L’observation au microscope électronique montre que :

• Les cellules en milieu aérobie possèdent de nombreuses mitochondries volumineuses avec des crêtes développées.
• Les cellules en milieu anaérobie possèdent peu de mitochondries, et celles-ci sont peu développées (atrophiées).

Conclusion : La mitochondrie est l’organite responsable des réactions d’oxydation respiratoire, alors que la fermentation se déroule entièrement dans le cytosol.

II. La Glycolyse : Étape commune dans l’hyaloplasme

Quelle que soit la voie choisie (respiration ou fermentation), la première étape est la glycolyse. Elle se déroule dans le cytosol (ou hyaloplasme) et ne nécessite pas d’oxygène.

La glycolyse passe par trois étapes :

1- la conversion du glucose en un sucre phosphorylé (le fructose 1,6-diphosphate) 

2-Le fractionnement de ce sucre à six atomes de carbone en deux composés à 3 atomes de carbone

3la conversion de ces composés à trois atomes de carbone en molécules de pyruvate (ou d’acide pyruvique).

Bilan de la glycolyse (pour 1 glucose) :

• Formation de 2 molécules de Pyruvate (Acide pyruvique : CH₃-CO-COOH).
• Production nette de 2 ATP.
• Production de 2 NADH, H+ (transporteurs d’électrons réduits).

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ → 2 CH₃-CO-COOH + 2 ATP + 2 NADH,H⁺

III. Le devenir du pyruvate en milieu anaérobie : La Fermentation

En l’absence d’oxygène, le pyruvate reste dans le cytosol pour subir une deuxième étape : la réduction. Cette étape est vitale car elle permet de réoxyder le NADH,H⁺ en NAD⁺, indispensable pour que la glycolyse puisse continuer.

1. La fermentation lactique

Dans le hyaloplasme ,le pyruvate est réduit directement en acide lactique par le NADH,H⁺ produit lors de la glycolyse. Il n’y a pas de dégagement de CO₂.

2 CH₃-CO-COOH + 2 NADH,H⁺ → 2 CH₃-CHOH-COOH + 2 NAD⁺

• Produits : 2 molécules d’acide lactique (résidu organique carboné).
• Exemple : Cellules musculaires lors d’un effort intense, provoquant la fatigue musculaire.

Donc la réaction globale de la fermentation lactique est : C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH₃-CHOH-COOH + 2 ATP

2. La fermentation alcoolique

Dans le hyaloplasme, le pyruvate subit d’abord une décarboxylation (libération de CO₂), puis il est réduit en éthanol.

• Produits : 2 éthanols + 2 CO₂.
• Exemple : Levures utilisées dans la panification ou la production de boissons alcoolisées.

2 CH₃-CO-COOH + 2 NADH,H⁺ → 2 CH₃-CH₂OH + 2 CO₂ + 2 NAD⁺

Donc la réaction globale de la fermentation alcoolique est : C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH₃-CH₂OH + 2 CO₂ + 2 ATP

Conclusion sur la fermentation :
La fermentation s’arrête dans le cytosol. Le bilan énergétique final reste de 2 ATP par molécule de glucose. Le produit final (acide lactique ou éthanol) est un résidu organique qui contient encore beaucoup d’énergie chimique.

IV. L’oxydation respiratoire dans la mitochondrie

1. Structure de la mitochondrie

La mitochondrie est limitée par une double membrane :

• Membrane externe : Lisse.
• Membrane interne : Présente des replis appelés crêtes mitochondriales, riches en protéines (chaîne respiratoire) et en sphères pédonculées (ATP synthase).
• Matrice : Espace interne contenant des enzymes, de l’ADN et des ribosomes.

[Insérer ici un schéma de la mitochondrie]

2. Les étapes de l’oxydation dans la matrice

Le pyruvate entre dans la matrice et subit une transition vers le Cycle de Krebs :

• Formation de l’Acétyl-CoA : Le pyruvate est décarboxylé (perte de CO₂) et déshydrogéné.
• Le Cycle de Krebs : Une succession de réactions qui achèvent la dégradation du carbone en CO₂.

Bilan pour l’oxydation de 2 Pyruvates (1 Glucose) dans la matrice :
2 ATP + 8 NADH,H⁺ + 2 FADH₂ + 6 CO₂

V. Phosphorylation oxydative : La Chaîne Respiratoire

Définition de la chaîne respiratoire :
C’est un ensemble de complexes protéiques situés dans la membrane interne de la mitochondrie. Son rôle est de transporter les électrons cédés par les transporteurs (NADH et FADH₂) jusqu’à l’accepteur final, le dioxygène (O₂), pour former de l’eau (H₂O).

Le fonctionnement repose sur trois mécanismes couplés :

• Oxydation des transporteurs : Les NADH,H⁺ et FADH₂ perdent leurs électrons (e^–) et protons (H⁺).
• Gradient de protons : L’énergie du transfert des électrons permet de pomper les H⁺ vers l’espace intermembranaire, créant un gradient.
• Synthèse d’ATP : Les protons reviennent vers la matrice par les sphères pédonculées. Ce flux active l’ATP synthase qui phosphoryle l’ADP en ATP.

VI. Bilan et Rendement Énergétique

1. Calcul du bilan global d’ATP (Respiration)

Pour calculer le bilan, on utilise les équivalences de la chaîne respiratoire :

• 1 NADH,H⁺ réoxydé permet la production de 3 ATP.
• 1 FADH₂ réoxydé permet la production de 2 ATP.

*Note : Le bilan peut être de 36 ATP selon le type de navette utilisée pour faire entrer les NADH issus de la glycolyse dans la mitochondrie.

2. Le rendement énergétique

Définition : Le rendement énergétique (r) représente le pourcentage d’énergie extraite et conservée sous forme d’ATP par rapport à l’énergie totale potentielle contenue dans une molécule de glucose.

Formule de calcul :

Données : 1 mole d’ATP libère 30,5 kJ. 1 mole de glucose contient 2860 kJ.

• Rendement de la Respiration (38 ATP) :
  r = (38 × 30,5 / 2860) × 100 ≈ 40,5 %
• Rendement de la Fermentation (2 ATP) :
  r = (2 × 30,5 / 2860) × 100 ≈ 2,13 %

Conclusion :
La respiration est une voie hautement efficace car elle dégrade totalement la matière organique. La fermentation est peu efficace car elle laisse une grande partie de l’énergie dans le résidu organique (éthanol ou acide lactique). Dans les deux cas, l’énergie non récupérée en ATP est dissipée sous forme de chaleur.