L'ATP : production par respiration - Cours de SVT Terminale S avec Maxicours - Lycée

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L'ATP : production par respiration

Objectif(s)
Pour se 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.
Où se déroule-t-elle ?
Quelles sont les différentes étapes permettant d'oxyder le glucose ?
1. Conversion de l'énergie des nutriments en ATP
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 :

Les levures sont des cellules eucaryotes qui possèdent des mitochondries : ces organites sont les « centrales énergétiques » de la cellule, ils sont le siège de la respiration.
2. La mitochondrie
• 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 nm de largeur et de longueur variable.
Elle est délimitée par deux membranes : une membrane externe lisse et 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.

Quelles sont les différentes étapes permettant la dégradation totale du glucose ?
3. Oxydation complète du glucose
a. La glycolyse
La dégradation du glucose débute dans le hyaloplasme de la cellule par une série de réactions : la glycolyse.

Cet ensemble de 10 réactions permet de produire, à partir d'une molécule de glucose à 6 atomes de carbone (C6H12O6), 2 molécules de pyruvate à 3 C (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 perd de l'hydrogène, il est oxydé, et les atomes d'hydrogène sont pris en charge par un accepteur R qui est réduit en RH2. 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 :


Le glucose est oxydé en pyruvate et l'accepteur R est réduit.

b. Dégradation du pyruvate
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 R' sont réduits en R'H2.

Le bilan global est :

c. Au niveau de la chaîne respiratoire
La quantité totale d'ATP directement formé est faible car la majeure partie a été stockée dans les accepteurs réduits RH2 et R'H2.
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 RH2 et R'H2 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 10 R'H2 + 2 RH2 sont donc réoxydés en 10 R' et 2 R, et il y a production totale de 32 ATP.

Le bilan est :


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).

L'essentiel
L'oxydation aérobie du glucose est une source d'énergie considérable pour la cellule.
Elle se déroule en plusieurs étapes, dont la glycolyse dans le hyaloplasme, la dégradation du pyruvate dans la matrice et la réoxydation des accepteurs réduits au niveau de la chaîne respiratoire.
Le rendement énergétique de la respiration est remarquable.

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