L'ATP : production par respiration
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
- Connaître le rôle de l’ATP.
- Connaître la structure de la mitochondrie et le rôle de ses différentes parties.
- Identifier et comprendre les différentes étapes de la respiration cellulaire : glycolyse, cycle de Krebs et réoxydation des composés réduits.
- Connaître le bilan et le rendement (en nombre de molécules d’ATP) de la respiration cellulaire.
- Identifier le rôle d’un produit dopant et ses conséquences sur l’organisme.
- L’énergie est apportée sous forme de molécules d’ATP à toutes les cellules.
- Il n’y a pas de stockage de l’ATP, cette molécule est produite par les cellules à partir de matière organique, notamment le glucose.
- Lors de la respiration, il y a oxydation complète du glucose grâce à la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis au cycle de Krebs (dans la mitochondrie).
- Ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits NADH,H+.
- La chaîne respiratoire mitochondriale, au niveau des crêtes mitochondriales, permet la réoxydation des composés réduits, par la réduction de dioxygène en eau.
- Ces réactions conduisent à la production d’ATP qui est indispensable aux activités cellulaires (comme la contraction musculaire).
- Des substances exogènes, dites substances dopantes, peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé.
- La notion de métabolisme vue en seconde avec l’exemple de la respiration dont le bilan est :
C6H1206 + 02→ H20 + C02
- La catalyse enzymatique : processus par lequel des réactions chimiques sont catalysées par des protéines spécialisées appelés enzymes.
- Un oxydant est une espèce chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons.
- Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons.
Pour produire de l'énergie, la cellule dégrade des molécules organiques et procède progressivement, étape par étape, avec de nombreux composés intermédiaires. La suite de réaction qui permet d'aller d'une molécule à une autre est une voie métabolique.
Une voie métabolique connue est la respiration. Elle correspond à l'oxydation complète de molécules telles le glucose.
L’ATP est une molécule indispensable
à la contraction musculaire.
Cette molécule est composée :
- d'une base azotée : l'adénine ;
- d'un pentose (sucre) : le ribose ;
- de 3 groupements phosphate.
L’ATP n’est pas une molécule stockable. Elle est donc fabriquée en permanence dans les cellules à partir de molécules organiques comme le glucose.
Les cellules vivantes oxydent leurs molécules organiques afin de produire de l'énergie.
Des observations et expériences réalisées sur des levures montrent que celles-ci respirent : si on leur fournit du glucose, elles consomment de l'oxygène, produisent du CO2.
Ces réactions de dégradation ont un
rendement énergétique positif avec
production de molécules d'ATP.
La respiration consiste en la dégradation totale
d'un métabolite en présence
d'O2.
Elle aboutit à la formation de substances
minérales CO2 et H2O sans
valeur énergétique : on dit qu'il y a
minéralisation complète.
Dans le cas du glucose, la réaction globale
est :
Des organites spécialisés, les mitochondries, jouent un rôle majeur pour synthétiser de l’ATP. es organites sont les « centrales énergétiques » de la cellule, ils sont le siège de la respiration.
C'est un organite spécialisé présent dans les cellules eucaryotes animales et végétales, chez les champignons.
La mitochondrie a la forme d'un petit bâtonnet
d'environ 1 μm de largeur et de longueur variable.
Elle est délimitée par deux
membranes :
- une membrane externe lisse ;
- une membrane interne qui présente de nombreux replis appelés crêtes mitochondriales.
À l'intérieur se trouve la matrice
et l'espace entre les deux membranes est l'espace
intermembranaire (environ 10 nm de large).
La matrice est une sorte de gel dans lequel on trouve,
entre autre, de nombreuses enzymes de la
respiration, une molécule particulière,
le pyruvate, et des molécules
d'ATP.
Le glucose ne peut pas pénétrer dans la
mitochondrie alors qu'il est présent dans le
hyaloplasme. La membrane interne mitochondriale
possède les protéines de la
chaîne respiratoire.
La dégradation du glucose débute dans le
hyaloplasme de la cellule par une série de
réactions : la glycolyse.
Elle permet de produire, à partir d'une
molécule de glucose à 6 atomes de carbone
(C6H12O6), 2
molécules de pyruvate à 3 atomes de
carbone (CH3-CO-COOH).
Cette voie métabolique ne consomme pas
d'oxygène, comprend plusieurs réactions
catalysées chacune par une enzyme
spécifique avec de nombreux
intermédiaires.
Une étape est importante : elle correspond
à une réaction de
déshydrogénation catalysée par
une déshydrogénase.
Le composé déshydrogéné, le
glucose, perd de l'hydrogène, il est
oxydé, et les atomes d'hydrogène sont
pris en charge par un accepteur NAD+ qui est
réduit en NADH,H+.
Cette réaction de déshydrogénation est une réaction d'oxydo-réduction.
Le bilan énergétique de la glycolyse correspond à la formation de 2 ATP.
Le bilan de la glycolyse est le suivant :
C6H1206 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3-CO-COOH + 2 ATP + 2 NADH,H+
Le glucose est oxydé en pyruvate et l'accepteur NAD est réduit en NADH,H+.
Le pyruvate pénètre ensuite dans la
matrice mitochondriale pour être
entièrement oxydé sous l'action de
différentes enzymes dont des
décarboxylases et des
déshydrogénases : il y a
libération de CO2, production d'ATP
et des accepteurs d'hydrogène NAD+
sont réduits en NADH,H+.
Cette succession de réactions se nomme le
cycle de Krebs.
Le bilan global du cycle de Krebs est :
2 CH3-CO-COOH + 10 NAD+ + 6 H20 + 2ADP + 2Pi → 6 CO2 + 10 NADH,H+ + 2 ATP
Pour le moment, la quantité totale d'ATP
directement formée est faible car la majeure
partie a été stockée dans les
accepteurs réduits NADH,H+.
C'est la chaîne respiratoire qui va
récupérer cette énergie pour la
synthèse d'ATP.
Cette chaîne est un ensemble de protéines
et de molécules incluses dans la membrane
interne mitochondriale, qui peuvent prendre en
charge des électrons et des protons
(hydrogène = électron + proton) :
ce sont des transporteurs.
Les accepteurs réduits
NADH,H+ vont donc transférer
leurs électrons et protons à cette
chaîne respiratoire : ceux-ci vont passer de
transporteur en transporteur (réactions
d'oxydo-réduction) jusqu'à un accepteur
final, O2, qui sera réduit
en H2O.
C'est ce gradient de protons et d'électrons qui
va fournir l'énergie nécessaire à
la synthèse d'ATP (à partir d'ADP + Pi)
grâce à une ATP synthétase
localisée elle aussi dans la membrane
interne.
Les 12 NADH,H+ sont donc
réoxydés en 12 NAD+, et il y a
production totale de 32 ATP.
Le bilan est :
12 NADH,H+ + 6 O2 + 32 ADP + 32 Pi → 12 H20 + 12 NAD+ + 32 ATP
Pour faire le bilan énergétique complet de l’oxydation complète du glucose, il faut penser à ajouter au 32 ATP, les 2 ATP formés lors de la glycolyse et les 2 ATP formés lors du cycle de Krebs.
Le bilan énergétique de l'oxydation complète du glucose est de 36 molécules d'ATP, soit un rendement proche de 40 % (c'est-à-dire que 40 % de l'énergie chimique de la molécule de glucose est utilisable par la cellule, le reste étant perdu sous forme de chaleur).
Durant l’effort physique, il est donc important de bien s’oxygéner pour permettre aux molécules d’O2 de participer à la respiration cellulaire permettant la synthèse d’ATP indispensable à la contraction musculaire.
La récupération physique, post effort, est également très importante.
Afin d’améliorer leurs performances sportives, certaines personnes consomment des produits dopants.
Ces produits permettent d’accroître la masse musculaire et par conséquent la force musculaire ainsi que l’endurance. Un effet anti-fatigue et anti-douleur est aussi recherché par la prise de ces produits.
Mais la grande majorité de ces produits provoquent des effets secondaires, à court et long terme, graves pour la santé. Certains produits sont aussi responsables du phénomène d'accoutumance (fait de s’habituer) entraînant la dépendance.
| Exemples de substances dopantes | Effets recherchés pour la performance sportive | Conséquences graves sur la santé |
|
LES STIMULANTS amphétamines cocaïne caféine éphédrine |
permettent d’accroître la concentration, de réduire la sensation de fatigue | augmentent l'agressivité et font perdre du poids troubles psychiatriques |
| LES ANABOLISANTS dérivés de la testostérone (hormone sexuelle mâle) comme la nandrolone |
développent les tissus de l'organisme : les
muscles et le sang permettent d'augmenter la force, la puissance, l'endurance, l'agressivité, la vitesse de récupération après une blessure |
tendinites, acné majeure, maux de
tête, saignements de nez, déchirures
musculaires, troubles du foie cancers troubles cardiovasculaires pouvant entraîner le décès dépendance physique |
| LES CORTICOSTÉROÏDES |
substances anti-fatigue avec action
psychostimulante et anti-inflammatoire augmentent la tolérance à la douleur |
fragilité des tendons, déchirures
musculaires, infections locales et
générales fatigue chronique avec chute des performances défaillance cardiovasculaire pouvant conduire au décès dépendance physique |
| LES NARCOTIQUES | suppriment ou atténuent la sensibilité à la douleur provoquent une impression de bien-être |
risques de dépression respiratoire,
d'accoutumance et de dépendance physique diminution de la concentration et de la capacité de coordination |
| LES BÊTABLOQUANTS |
régulent et ralentissent la fréquence
cardiaque diminution des tremblements effet anti-stress |
fatigue permanente chutes de tension artérielle crampes musculaires risque de dépression psychique et une impuissance sexuelle possible |
Des substances exogènes, comme les produits dopants, peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé.
Ces produits dopants sont interdits par la loi et les sportifs de haut niveau qui les utilisent encourent de graves sanctions.
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