Consommation de la matière organique pour la production d’énergie : La respiration et la fermentation

Flashcards complètes sous forme de questions-réponses couvrant les étapes de la respiration cellulaire, la glycolyse, le cycle de Krebs, la chaîne respiratoire, la phosphorylation oxydative, les fermentations lactique et alcoolique, ainsi que leurs bilans et rendements énergétiques respectifs.

Dans le dispositif ExAO pour l'étude des échanges gazeux, que constate-t-on concernant les concentrations de $O_2$ et de $CO_2$ après l'injection d'une solution de glucose ?

Avant l'injection de glucose, les concentrations de $O_2$ et de $CO_2$ sont stables. Après injection d'un millilitre de solution glucosée, la concentration de dioxygène diminue et celle de dioxyde de carbone augmente.

Quelle différence ultrastructurale observe-t-on au microscope électronique entre une levure cultivée en aérobiose et une levure cultivée en anaérobiose ?

En aérobiose, le cytoplasme présente des mitochondries nombreuses et volumineuses (actives). En anaérobiose, le cytoplasme présente un petit nombre de mitochondries de taille très réduite (inactives).

Quelles sont les deux étapes et les deux structures cellulaires impliquées dans la dégradation aérobie du glucose ?

1. Transformation du glucose en acide pyruvique dans l'hyaloplasme (la glycolyse).
2. Oxydation de l'acide pyruvique en $CO_2$ par l'intermédiaire des acides du cycle de Krebs au niveau des mitochondries.

Quel est le bilan en $\text{ATP}$ des deux phases principales de la glycolyse ?

La première phase consomme de l'énergie sous forme de $2\,\text{ATP}$ ($- 2\,\text{ATP}$) et la deuxième phase produit de l'énergie sous forme de $4\,\text{ATP}$ ($+ 4\,\text{ATP}$), procurant un gain net de $2\,\text{ATP}$ à la cellule.

Quelle est l'équation chimique globale de la glycolyse ?

$$C_6H_{12}O_6 + 2\,ADP + 2\,Pi + 2\,NAD^+ \rightarrow 2\,CH_3COCOOH + 2\,ATP + 2\,NADH_2$$

Sur ce schéma de l'ultrastructure d'une mitochondrie, à quelles structures correspondent les numéros 1, 2, 3 et 4 ?

1 : Membrane externe 2 : Espace intermembranaire 3 : Matrice mitochondriale 4 : Crêtes mitochondriales (replis de la membrane interne)

Comment se comparent la membrane externe et la membrane interne de la mitochondrie au niveau de leur composition chimique ?

La membrane externe est composée de $40\,\%$ à $50\,\%$ de lipides et de $50\,\%$ à $60\,\%$ de protéines. La membrane interne est composée de $20\,\%$ de lipides et de $80\,\%$ de protéines (très riche en ATP synthétases et en transporteurs d'électrons et de protons).

Quel est le contenu chimique et enzymatique caractéristique de la matrice mitochondriale ?

La matrice ne contient pas de glucose mais présente du pyruvate et de l'ATP, ainsi que des enzymes décarboxylases, déshydrogénases, et des transporteurs libres $NAD^+$ et $FAD$.

Quel est le rôle des enzymes décarboxylases et déshydrogénases de la matrice mitochondriale lors du cycle de Krebs ?

Les décarboxylases arrachent le $CO_2$ des composés organiques et les déshydrogénases arrachent les électrons et les protons ($H^+$) pour réduire les transporteurs matriciels libres ($NAD^+$ et $FAD$).

Comment s'écrivent les réactions de réduction des transporteurs d'électrons et de protons $NAD^+$ et $FAD$ ?

$NAD^+ + 2\,e^- + 2\,H^+ \rightarrow NADH + H^+\,(NADH_2)$$FAD + 2\,e^- + 2\,H^+ \rightarrow FADH_2$

D'après ce graphique, comment varie le pH de la suspension de mitochondries suite à l'injection de dioxygène ?

Dès l'injection de dioxygène, le pH chute brusquement (acidification due à l'expulsion de protons $H^+$ vers l'espace intermembranaire), puis remonte progressivement pour retrouver sa valeur initiale de $7$ en $100\,\text{s}$.

Quelles sont les conditions expérimentales démontrées par les vésicules membranaires pour permettre la synthèse d'ATP ?

La synthèse d'ATP nécessite à la fois la présence de sphérules pédonculées (ATP synthétases) et un gradient de protons ($H^+$) caractérisé par un pH interne plus acide qu'à l'extérieur ($pH = 4$ à l'intérieur contre $pH = 8.5$ à l'extérieur).

Quel est le rôle du dioxygène ($O_2$) dans la chaîne respiratoire mitochondriale ?

Le dioxygène est le récepteur final des électrons. Au niveau du complexe CIV, il est réduit en eau selon la réaction : $\frac{1}{2}\,O_2 + 2\,H^+ + 2\,e^- \rightarrow H_2O$.

Qu'est-ce que la chimiosmose selon le concept établi par Peter Mitchell en 1961 ?

C'est l'utilisation de l'énergie stockée sous forme de gradient de concentration de protons ($H^+$) pour accomplir un travail cellulaire, ici la production d'$\text{ATP}$ catalysée par l'ATP synthase alimentée par la force protonmotrice.

Combien de molécules d'$\text{ATP}$ sont produites par l'oxydation respiratoire d'une molécule de $NADH_2$ et d'une molécule de $FADH_2$ ?

L'oxydation d'une molécule de $NADH_2$ permet la synthèse de $3\,\text{ATP}$, tandis que l'oxydation d'une molécule de $FADH_2$ permet la synthèse de $2\,\text{ATP}$.

Quel est le bilan énergétique total de l'oxydation respiratoire complète d'une mole de glucose ?

Il est de $38\,\text{ATP}$ :

• Glycolyse : $2\,\text{ATP}$ nets + $2\,NADH_2$

• Oxydation de 2 pyruvates : $2\,\text{ATP}$ + $8\,NADH_2$ + $2\,FADH_2$

• Phosphorylation oxydative ($10\,NADH_2 \rightarrow 30\,\text{ATP}$ et $2\,FADH_2 \rightarrow 4\,\text{ATP}$) : $34\,\text{ATP}$. Total : $4\,\text{ATP} + 34\,\text{ATP} = 38\,\text{ATP}$.

Où se déroule la fermentation lactique et quelles en sont les deux étapes principales ?

Elle a lieu entièrement dans le cytosol (hyaloplasme) et comprend :

1. La glycolyse produisant le pyruvate.
2. La réduction du pyruvate en lactate (acide lactique), où le pyruvate joue le rôle de récepteur final des électrons et protons.

Quelle est la réaction chimique globale de la fermentation lactique ?

$$C_6H_{12}O_6 + 2\,ADP + 2\,Pi \rightarrow 2\,CH_3CHOHCOOH + 2\,ATP$$

Quelles sont les trois étapes de la fermentation alcoolique dans le cytosol ?

1. La glycolyse qui transforme le glucose en pyruvate.
2. La décarboxylation du pyruvate en éthanal avec dégagement de $CO_2$.
3. La réduction de l'éthanal en éthanol grâce aux électrons fournis par $NADH_2$.

Quelle est l'équation globale de la fermentation alcoolique ?

$$C_6H_{12}O_6 + 2\,ADP + 2\,Pi \rightarrow 2\,CO_2 + 2\,CH_3CH_2OH + 2\,ATP$$

Quelle quantité d'énergie est libérée par l'oxydation chimique complète d'une molécule de glucose dans une bombe calorimétrique ?

Elle libère une énergie brute de $2860\,\text{kJ}$.

Quelle quantité d'énergie stocke une molécule d'ATP, libérée lors de son hydrolyse par l'ATPase ?

L'hydrolyse d'une mole d'$\text{ATP}$ selon l'équation $ATP + H_2O \rightarrow ADP + Pi$ libère $30.5\,\text{kJ}$.

Comment calcule-t-on le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation d'une mole de glucose ?

• Respiration : $\frac{38 \times 30.5}{2860} \times 100 = 40\,\%$ (les $60\,\%$ restants étant dissipés sous forme de chaleur).
• Fermentation : $\frac{2 \times 30.5}{2860} \times 100 = 2\,\%$ (la plus grande partie de l'énergie restant stockée dans le résidu organique).