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L'ATP : production par respiration

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Objectif(s)

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.

Points clés

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.

Pour bien comprendre

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.

1. Conversion de l'énergie des nutriments en ATP

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.

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 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.

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.

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⁺

Remarque : par souci de simplification, nous ne faisons pas apparaître dans le bilans les électrons.

Le glucose est oxydé en pyruvate et l'accepteur NAD est réduit en NADH,H⁺.

b. Dégradation du pyruvate dans la matrice mitochondriale : le cycle de Krebs

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

c. La réoxydation des composés réduits au niveau de la chaîne respiratoire

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).

d. Bilan

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.

4. Produits dopants et métabolisme

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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