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    2e Bac Sciences de la vie et de la Terre (SVT)

    Libération de l'énergie emmagasinée dans la matière organique

    Cours de SVT 2e Bac : glycolyse, respiration (Krebs, chaîne respiratoire), fermentations, bilan en ATP et rendement ; 8 exercices corrigés et QCM.

    Prérequis : Structure de la cellule et de la mitochondrie (tronc commun), notions d'enzyme et d'ATP

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    En bref

    Niveau
    2e Bac Sciences de la vie et de la Terre (SVT)
    Matière
    SVT
    Contenu
    cours, méthodes, 8 exercices corrigés, QCM de 8 questions
    Durée
    75 min
    Prérequis
    Structure de la cellule et de la mitochondrie (tronc commun), notions d'enzyme et d'ATP
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    Licence
    contenu original 9raya, gratuit, CC BY-NC-SA 4.0.

    L'essentiel

    Toute cellule vivante dépense en permanence de l'énergie : synthèse de molécules, transport actif, contraction, division... Cette énergie est fournie par une molécule universelle, l'ATP\text{ATP}. Or la cellule n'en garde qu'un petit stock : elle doit donc régénérer l'ATP\text{ATP} en continu, en libérant progressivement l'énergie chimique contenue dans la matière organique, en particulier le glucose. Ce chapitre explique comment, avec ou sans dioxygène.

    1. L'ATP, monnaie énergétique de la cellule

    Définition(ATP\text{ATP})

    L'adénosine triphosphate (ATP\text{ATP}) est un nucléotide qui porte trois groupements phosphate. Son hydrolyse libère de l'énergie utilisable par la cellule ; sa synthèse (phosphorylation de l'ADP\text{ADP}) en stocke.

    ATP+H2O⇌ADP+Pi(ΔG≈−30,5 kJ/mol)\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_i \qquad (\Delta G \approx -30{,}5\ \text{kJ/mol})

    Dans la suite du chapitre, on retiendra qu'une mole d'ATP\text{ATP} hydrolysée libère environ 30,5 kJ. Il existe deux types de synthèse d'ATP\text{ATP} :

    • la phosphorylation au niveau du substrat : un groupement phosphate est transféré directement d'une molécule riche en énergie sur l'ADP\text{ADP} (glycolyse, cycle de Krebs) ;
    • la phosphorylation oxydative : l'ATP\text{ATP} est synthétisé grâce à l'énergie libérée par la réoxydation des coenzymes réduits dans la chaîne respiratoire (membrane interne de la mitochondrie).

    2. Vue d'ensemble : le devenir du glucose

    Toutes les voies commencent par la glycolyse, qui a lieu dans le hyaloplasme (le cytoplasme fondamental). La suite dépend de la présence de dioxygène et de l'équipement de la cellule.

    VoieConditionLieuProduits finauxATP\text{ATP} par glucose
    Respirationaérobie (O2\text{O}_2 nécessaire)hyaloplasme, puis mitochondrieCO2\text{CO}_2 et H2O\text{H}_2\text{O}36 à 38
    Fermentation lactiqueanaérobiehyaloplasmelactate2
    Fermentation alcooliqueanaérobiehyaloplasmeéthanol et CO2\text{CO}_22

    3. La glycolyse

    Définition(Glycolyse)

    La glycolyse est la suite de réactions, localisée dans le hyaloplasme, qui dégrade une molécule de glucose (6 carbones) en deux molécules d'acide pyruvique (3 carbones). Elle n'exige pas de dioxygène.

    Elle se déroule en trois temps :

    1. Activation : le glucose est phosphorylé deux fois, ce qui consomme 2 ATP\text{ATP} ;
    2. Clivage : la molécule à 6 carbones est coupée en deux molécules à 3 carbones (trioses phosphates) ;
    3. Oxydation : chaque triose phosphate est déshydrogéné (le NAD+\text{NAD}^+ est réduit en NADH,H+\text{NADH,H}^+) puis transformé en pyruvate, avec formation de 4 ATP\text{ATP} par phosphorylation au niveau du substrat.

    Le bilan s'écrit :

    C6H12O6+2 NAD++2 ADP+2 Pi→2 C3H4O3+2 NADH,H++2 ATP+2 H2OC_6H_{12}O_6 + 2\,\text{NAD}^+ + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{P}_i \rightarrow 2\,C_3H_4O_3 + 2\,\text{NADH,H}^+ + 2\,\text{ATP} + 2\,\text{H}_2\text{O}
    Par molécule de glucoseQuantité
    ATP\text{ATP} consommés2
    ATP\text{ATP} formés (brut)4
    ATP\text{ATP} gagnés (net)2
    Coenzymes réduits2 NADH,H+\text{NADH,H}^+
    Acide pyruvique2

    Remarque

    Certains manuels notent les coenzymes réduits RH2\text{RH}_2 au lieu de NADH,H+\text{NADH,H}^+. Tu n'as pas besoin de mémoriser le nom de chaque intermédiaire ni de chaque enzyme de la glycolyse : retiens les trois temps, le lieu et le bilan.

    4. La mitochondrie, siège de la respiration

    Quand le dioxygène est disponible, le pyruvate entre dans la mitochondrie.

    StructureRôle
    Membrane externelisse, perméable aux petites molécules (le pyruvate la traverse)
    Espace intermembranairecompartiment où s'accumulent les protons H+\text{H}^+ pompés par la chaîne respiratoire
    Membrane internerepliée en crêtes (grande surface) ; porte la chaîne respiratoire et les ATP synthases (leur partie F1\text{F}_1 correspond aux « sphères pédonculées » des manuels)
    Matricecontient les enzymes de la décarboxylation oxydative et du cycle de Krebs, de l'ADN et des ribosomes mitochondriaux

    5. Dans la matrice : décarboxylation oxydative et cycle de Krebs

    Décarboxylation oxydative. Chaque pyruvate perd un carbone sous forme de CO2\text{CO}_2 et un couple d'hydrogènes (capté par le NAD+\text{NAD}^+). Le fragment à 2 carbones restant est fixé sur le coenzyme A : c'est l'acétyl-coenzyme A.

    C3H4O3+CoA+NAD+→aceˊtyl-CoA+CO2+NADH,H+C_3H_4O_3 + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{acétyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH,H}^+

    Cycle de Krebs. L'acétyl-CoA (2 C) se condense avec l'oxaloacétate (4 C) pour former le citrate (6 C). Une suite de réactions régénère ensuite l'oxaloacétate : c'est un cycle.

    TransformationÉvénements
    citrate (6 C) vers α-cétoglutarate (5 C)1 décarboxylation, 1 déshydrogénation (NADH,H+\text{NADH,H}^+)
    α-cétoglutarate (5 C) vers succinate (4 C)1 décarboxylation, 1 déshydrogénation (NADH,H+\text{NADH,H}^+), 1 phosphorylation au niveau du substrat (équivalent d'un ATP\text{ATP})
    succinate vers fumarate1 déshydrogénation (FADH2\text{FADH}_2)
    fumarate vers malate vers oxaloacétate (4 C)hydratation, puis 1 déshydrogénation (NADH,H+\text{NADH,H}^+)

    Par tour de cycle, on obtient donc : 2 CO2\text{CO}_2, 3 NADH,H+\text{NADH,H}^+, 1 FADH2\text{FADH}_2 et 1 ATP\text{ATP} (chez certains organismes, c'est un GTP\text{GTP}, énergétiquement équivalent). Retiens surtout le nombre de carbones et les événements de chaque étape (décarboxylation, déshydrogénation, phosphorylation) plutôt que le nom de chaque intermédiaire.

    aceˊtyl-CoA+3 NAD++FAD+ADP+Pi+2 H2O→2 CO2+3 NADH,H++FADH2+ATP+CoA\text{acétyl-CoA} + 3\,\text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{ADP} + \text{P}_i + 2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{NADH,H}^+ + \text{FADH}_2 + \text{ATP} + \text{CoA}

    Une molécule de glucose donne deux pyruvates : la décarboxylation oxydative et le cycle de Krebs tournent donc deux fois par glucose. Tout le carbone du glucose est alors éliminé sous forme de CO2\text{CO}_2 (6 CO2\text{CO}_2 au total, voir le bilan plus bas).

    6. Sur la membrane interne : chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative

    Les coenzymes réduits produits dans le hyaloplasme et la matrice (NADH,H+\text{NADH,H}^+, FADH2\text{FADH}_2) sont réoxydés sur la membrane interne. Ils cèdent leurs électrons à une suite de transporteurs (complexes protéiques, coenzyme Q, cytochrome c) : c'est la chaîne respiratoire. Le dernier maillon cède les électrons au dioxygène, accepteur final, qui est réduit en eau :

    12 O2+2 H++2 e−→H2O\frac{1}{2}\,\text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ + 2\,e^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}

    À l'échelle d'un coenzyme réduit : NADH,H++12 O2→NAD++H2O\text{NADH,H}^+ + \frac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow \text{NAD}^+ + \text{H}_2\text{O}.

    Le mécanisme de production d'ATP\text{ATP} est le suivant (théorie chimiosmotique) :

    1. le transfert des électrons libère de l'énergie, utilisée par certains complexes pour pomper des protons de la matrice vers l'espace intermembranaire ;
    2. il se crée un gradient de protons de part et d'autre de la membrane interne ;
    3. les protons retournent dans la matrice en traversant l'ATP synthase (canal F0\text{F}_0 et partie catalytique F1\text{F}_1) ;
    4. l'énergie de ce flux est utilisée pour synthétiser l'ATP\text{ATP} à partir d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i.

    On admet, dans le cadre du cours, que la réoxydation d'un NADH,H+\text{NADH,H}^+ permet de former 3 ATP\text{ATP} et celle d'un FADH2\text{FADH}_2 2 ATP\text{ATP} (ce dernier entre plus loin dans la chaîne).

    Attention

    Sans dioxygène, la chaîne respiratoire est bloquée : les coenzymes restent réduits, le NAD+\text{NAD}^+ n'est plus régénéré et le cycle de Krebs s'arrête. Le dioxygène ne sert pas à fabriquer le CO2\text{CO}_2 : celui-ci vient des décarboxylations.

    7. Bilan de la respiration

    C6H12O6+6 O2→6 CO2+6 H2O+eˊnergie (ATP et chaleur)C_6H_{12}O_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{énergie (ATP et chaleur)}
    ÉtapeCoenzymes réduits et ATP\text{ATP} directsATP\text{ATP} formés
    Glycolyse2 ATP\text{ATP} nets, 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+2 + 6 = 8
    Décarboxylation oxydative (2 fois)2 NADH,H+\text{NADH,H}^+6
    Cycle de Krebs (2 tours)6 NADH,H+\text{NADH,H}^+, 2 FADH2\text{FADH}_2, 2 ATP\text{ATP}18 + 4 + 2 = 24
    Total10 NADH,H+\text{NADH,H}^+, 2 FADH2\text{FADH}_2, 4 ATP\text{ATP} directs38

    Remarque

    Le total « 38 ATP\text{ATP} » suppose que les 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ de la glycolyse donnent 3 ATP\text{ATP} chacun. Si leurs électrons entrent dans la mitochondrie par une autre navette, ils ne donnent que 2 ATP\text{ATP} chacun et le total est de 36 ATP\text{ATP}. Les mesures modernes donnent des valeurs plus faibles encore. Dans un exercice, l'énoncé précise la valeur à utiliser : suis-la.

    Rendement. L'oxydation complète d'une mole de glucose libère environ 2 840 kJ. Le rendement énergétique est la fraction de cette énergie stockée dans l'ATP\text{ATP} :

    ρ=nATP×30,5ΔGglucose=36×30,52840≈0,387soit 38,7 %\rho = \frac{n_{\text{ATP}} \times 30{,}5}{\Delta G_{\text{glucose}}} = \frac{36 \times 30{,}5}{2840} \approx 0{,}387 \quad \text{soit } 38{,}7\ \%

    Le reste (environ 61 %) est dissipé sous forme de chaleur.

    8. Les fermentations

    En l'absence de dioxygène (ou dans une cellule sans mitochondrie), la glycolyse est suivie d'une fermentation. Le pyruvate (ou un dérivé) est réduit par le NADH,H+\text{NADH,H}^+ : cela régénère le NAD+\text{NAD}^+, indispensable pour que la glycolyse continue. La matière organique n'est que partiellement oxydée : il reste de l'énergie dans les produits (lactate, éthanol).

    Fermentation lactique (bactéries lactiques, cellules musculaires manquant de dioxygène, hématies) :

    C3H4O3+NADH,H+→C3H6O3+NAD+C_3H_4O_3 + \text{NADH,H}^+ \rightarrow C_3H_6O_3 + \text{NAD}^+
    C6H12O6→2 C3H6O3+2 ATPC_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_3H_6O_3 + 2\,\text{ATP}

    Fermentation alcoolique (levures) : le pyruvate est décarboxylé en éthanal (acétaldéhyde) avec libération de CO2\text{CO}_2, puis l'éthanal est réduit en éthanol par le NADH,H+\text{NADH,H}^+.

    C6H12O6→2 C2H5OH+2 CO2+2 ATPC_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,\text{CO}_2 + 2\,\text{ATP}

    Pour alléger, ces deux équations n'indiquent pas l'ADP\text{ADP} et le Pi\text{P}_i consommés (2 de chaque par glucose), qui servent à former les 2 ATP\text{ATP}.

    Applications : yaourt et fromages (lactique), pain, vin, bière (alcoolique).

    9. Comparaison des voies

    RespirationFermentation lactiqueFermentation alcoolique
    O2\text{O}_2 nécessaireouinonnon
    Accepteur final d'hydrogèneO2\text{O}_2pyruvateéthanal
    Oxydation du glucosecomplètepartiellepartielle
    ATP\text{ATP} par glucose36 à 3822
    Énergie libérée (kJ/mol de glucose)environ 2 840environ 196environ 235
    Rendementenviron 39 % (36 ATP\text{ATP})environ 31 %environ 26 %

    Les rendements sont du même ordre de grandeur, mais la respiration extrait 18 fois plus d'ATP\text{ATP} par glucose que les fermentations (36 contre 2), car la molécule est entièrement oxydée. Pour obtenir la même quantité d'ATP\text{ATP}, une cellule en fermentation doit donc consommer beaucoup plus de glucose : c'est ce que l'on observe chez les levures, qui consomment bien moins de glucose en présence de dioxygène.

    Remarque

    Le programme étudie surtout le glucose comme substrat. Les lipides et les protéines peuvent aussi alimenter le cycle de Krebs après transformation, mais ce n'est pas à détailler.

    Méthodes

    Méthode 1 : Écrire et vérifier un bilan de réaction

    1. Écris les réactifs et les produits connus (substrat, coenzymes, ADP\text{ADP} et Pi\text{P}_i, produits).
    2. Équilibre les atomes de carbone, puis d'hydrogène et d'oxygène.
    3. Vérifie que le nombre de coenzymes oxydés consommés est égal au nombre de coenzymes réduits formés (ou l'inverse).

    Exemple. Pour la fermentation lactique du pyruvate : C3H4O3+NADH,H+→C3H6O3+NAD+C_3H_4O_3 + \text{NADH,H}^+ \rightarrow C_3H_6O_3 + \text{NAD}^+. Carbone : 3 = 3. Hydrogène : 4 + 2 = 6 (le NADH,H+\text{NADH,H}^+ apporte 2 H) et 6 à droite. Oxygène : 3 = 3. Le bilan est équilibré.

    Méthode 2 : Calculer un bilan en ATP et un rendement

    1. Compte les ATP\text{ATP} formés étape par étape (substrat, puis coenzymes réduits : 3 par NADH,H+\text{NADH,H}^+, 2 par FADH2\text{FADH}_2).
    2. Multiplie le nombre d'ATP\text{ATP} par 30,5 kJ pour obtenir l'énergie stockée.
    3. Divise par l'énergie totale libérée par la réaction pour obtenir le rendement. Le reste est de la chaleur.

    Exemple. Respiration de 0,5 mol de glucose avec 36 ATP\text{ATP} par glucose : nATP=0,5×36=18n_{\text{ATP}} = 0{,}5 \times 36 = 18 mol ; énergie stockée 18×30,5=54918 \times 30{,}5 = 549 kJ ; énergie libérée 0,5×2840=14200{,}5 \times 2840 = 1420 kJ ; rendement 549/1420≈0,387549 / 1420 \approx 0{,}387 soit 38,7 %.

    Méthode 3 : Localiser une réaction à partir d'expériences sur des fractions cellulaires

    1. Repère, dans le tableau, deux conditions qui ne diffèrent que par un seul facteur (la fraction cellulaire ou le substrat).
    2. Compare les résultats chiffrés : une réaction a lieu là où l'on observe la consommation du substrat ou la production du produit.
    3. Conclus en nommant le compartiment et la réaction, en citant les valeurs.

    Exemple. Des mitochondries isolées ne consomment pas de dioxygène avec du glucose, mais en consomment avec du pyruvate : le glucose n'est pas oxydé dans la mitochondrie, le pyruvate l'est.

    Méthode 4 : Distinguer respiration et fermentation à partir de mesures

    1. Regarde si du dioxygène est consommé : sans O2\text{O}_2, il s'agit d'une fermentation.
    2. Calcule le rapport CO2\text{CO}_2 libéré sur O2\text{O}_2 consommé : il vaut 1 pour la respiration du glucose, et il est supérieur à 1 si une fermentation alcoolique s'ajoute.
    3. Cherche des produits caractéristiques : éthanol (alcoolique), lactate (lactique). Si du O2\text{O}_2 est consommé et qu'un de ces produits apparaît aussi, les deux voies fonctionnent ensemble (voir l'exercice 5).
    4. Compare le glucose consommé : il est beaucoup plus élevé en fermentation pour la même quantité d'ATP\text{ATP}.

    Exemple. 2 mmol de glucose consommées, 0 mmol d'O2\text{O}_2, 4 mmol de CO2\text{CO}_2 et 4 mmol d'éthanol : pas de dioxygène, un éthanol pour un CO2\text{CO}_2 : c'est une fermentation alcoolique (2×2=42 \times 2 = 4).

    Méthode 5 : Rédiger une réponse sur documents

    1. Décris avec des valeurs chiffrées (une phrase par résultat clé).
    2. Compare les conditions, en nommant le facteur qui change.
    3. Déduis ce que cela prouve, sans aller plus loin que les données.
    4. Explique avec tes connaissances (réaction, lieu, enzyme, ATP\text{ATP}).

    Exercices corrigés

    Exercice 1 : Bilan de la glycolyse

    Facile

    On étudie la glycolyse seule : 0,90 g de glucose est entièrement transformé en pyruvate dans un extrait de hyaloplasme additionné de NAD+\text{NAD}^+, d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i en excès. Masses molaires : glucose 180 g/mol ; acide pyruvique 88 g/mol.

    1. Écris l'équation-bilan de la glycolyse.
    2. Donne, par molécule de glucose, le nombre d'ATP\text{ATP} consommés, formés et gagnés.
    3. Calcule les quantités de matière de glucose, de pyruvate, d'ATP\text{ATP} net et de NADH,H+\text{NADH,H}^+ formés, puis la masse de pyruvate.
    Voir le corrigé

    1. C6H12O6+2 NAD++2 ADP+2 Pi→2 C3H4O3+2 NADH,H++2 ATP+2 H2OC_6H_{12}O_6 + 2\,\text{NAD}^+ + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{P}_i \rightarrow 2\,C_3H_4O_3 + 2\,\text{NADH,H}^+ + 2\,\text{ATP} + 2\,\text{H}_2\text{O}.

    2. Il y a 2 ATP\text{ATP} consommés (activation du glucose), 4 ATP\text{ATP} formés (phosphorylations au niveau du substrat), donc un gain net de 4−2=24 - 2 = 2 ATP\text{ATP} par glucose.

    3. Quantité de glucose : n=mM=0,90180=5,0×10−3n = \frac{m}{M} = \frac{0{,}90}{180} = 5{,}0 \times 10^{-3} mol, soit 5,0 mmol. D'après l'équation, 1 glucose donne 2 pyruvates, 2 ATP\text{ATP} nets et 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ :

    • pyruvate : 2×5,0=102 \times 5{,}0 = 10 mmol ;
    • ATP\text{ATP} net : 2×5,0=102 \times 5{,}0 = 10 mmol (20 mmol formés au total, 10 mmol consommés) ;
    • NADH,H+\text{NADH,H}^+ : 10 mmol.

    Masse de pyruvate : m=10×10−3×88=0,88m = 10 \times 10^{-3} \times 88 = 0{,}88 g.

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    Exercice 2 : Bilan du glucose dans la respiration

    Facile

    Données : la décarboxylation oxydative d'un pyruvate libère 1 CO2\text{CO}_2 et forme 1 NADH,H+\text{NADH,H}^+. Un tour de cycle de Krebs libère 2 CO2\text{CO}_2 et forme 3 NADH,H+\text{NADH,H}^+, 1 FADH2\text{FADH}_2 et 1 ATP\text{ATP}. La glycolyse fournit 2 ATP\text{ATP} nets et 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ par glucose.

    1. Combien de décarboxylations oxydatives et de tours de cycle de Krebs une molécule de glucose entraîne-t-elle ? Pourquoi ?
    2. Complète le bilan (en CO2\text{CO}_2, NADH,H+\text{NADH,H}^+, FADH2\text{FADH}_2, ATP\text{ATP} directs) pour une molécule de glucose.
    3. On admet 3 ATP\text{ATP} par NADH,H+\text{NADH,H}^+ et 2 par FADH2\text{FADH}_2. Calcule le total d'ATP\text{ATP} par glucose, puis le total si les 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ de la glycolyse ne rapportent que 2 ATP\text{ATP} chacun.
    4. Montre que ce bilan est cohérent avec la consommation de 6 O2\text{O}_2 par glucose.
    Voir le corrigé

    1. Une molécule de glucose donne 2 pyruvates (glycolyse). Chaque pyruvate subit une décarboxylation oxydative et alimente un tour de cycle : on a donc 2 décarboxylations oxydatives et 2 tours de cycle.

    2. On additionne les étapes :

    ÉtapeCO2\text{CO}_2NADH,H+\text{NADH,H}^+FADH2\text{FADH}_2ATP\text{ATP} directs
    Glycolyse0202
    2 décarboxylations oxydatives2200
    2 tours de Krebs4622
    Total61024

    3. ATP\text{ATP} total =4+10×3+2×2=4+30+4=38= 4 + 10 \times 3 + 2 \times 2 = 4 + 30 + 4 = 38. Si les 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ de la glycolyse ne rapportent que 2 ATP\text{ATP} chacun : 4+8×3+2×2+2×2=4+24+4+4=364 + 8 \times 3 + 2 \times 2 + 2 \times 2 = 4 + 24 + 4 + 4 = 36. On trouve bien 36 à 38 ATP\text{ATP} par glucose.

    4. Les 6 CO2\text{CO}_2 correspondent aux 6 carbones du glucose. Chaque coenzyme réduit libère un couple d'hydrogènes ; il y a 10+2=1210 + 2 = 12 coenzymes réduits donc 12 couples d'hydrogènes. Chaque couple réduit un demi-dioxygène en eau : 12×12=612 \times \frac{1}{2} = 6 O2\text{O}_2. Cela correspond à l'équation C6H12O6+6 O2→6 CO2+6 H2OC_6H_{12}O_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}.

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    Exercice 3 : Rendements énergétiques comparés

    Moyen

    Données (par mole de glucose) : l'oxydation complète libère 2 840 kJ ; la fermentation lactique libère 196 kJ ; la fermentation alcoolique libère 235 kJ. L'hydrolyse d'une mole d'ATP\text{ATP} libère 30,5 kJ. On compte 36 ATP\text{ATP} par glucose pour la respiration et 2 pour chaque fermentation.

    1. Calcule l'énergie stockée dans l'ATP\text{ATP} par mole de glucose pour chaque voie.
    2. Calcule le rendement de chaque voie.
    3. Quelle fraction de l'énergie est dissipée en chaleur dans la respiration ?
    4. Quelle masse de glucose (M = 180 g/mol) faut-il dégrader pour former 1 mol d'ATP\text{ATP} par respiration, puis par fermentation lactique ? Commente.
    Voir le corrigé

    1. Énergie stockée =nATP×30,5= n_{\text{ATP}} \times 30{,}5 :

    • respiration : 36×30,5=1 09836 \times 30{,}5 = 1\,098 kJ ;
    • fermentation lactique : 2×30,5=612 \times 30{,}5 = 61 kJ ;
    • fermentation alcoolique : 2×30,5=612 \times 30{,}5 = 61 kJ.

    2. Rendement =eˊnergie stockeˊeeˊnergie libeˊreˊe= \frac{\text{énergie stockée}}{\text{énergie libérée}} :

    • respiration : 10982840=0,387\frac{1098}{2840} = 0{,}387 soit 38,7 % ;
    • fermentation lactique : 61196=0,311\frac{61}{196} = 0{,}311 soit 31,1 % ;
    • fermentation alcoolique : 61235=0,260\frac{61}{235} = 0{,}260 soit 26,0 %.

    3. Énergie dissipée en chaleur dans la respiration : 2840−1098=1 7422840 - 1098 = 1\,742 kJ, soit 17422840=61,3 %\frac{1742}{2840} = 61{,}3\ \%.

    4. Respiration : 18036=5,0\frac{180}{36} = 5{,}0 g de glucose pour 1 mol d'ATP\text{ATP}. Fermentation lactique : 1802=90\frac{180}{2} = 90 g. Il faut donc 18 fois plus de glucose en fermentation pour la même quantité d'ATP\text{ATP}. Les rendements sont du même ordre (26 à 39 %), mais la respiration oxyde entièrement le glucose et en extrait beaucoup plus d'énergie utilisable. Les produits des fermentations (lactate, éthanol) contiennent encore l'essentiel de l'énergie chimique du glucose.

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    Exercice 4 : Pâte à pain et fermentation alcoolique

    Moyen

    Dans un flacon fermé, relié à une éprouvette retournée sur l'eau, on place de la pâte contenant des levures et du glucose. Après 30 minutes, on a recueilli 1,2 L de CO2\text{CO}_2. Dans les conditions de l'expérience, le volume molaire des gaz est de 24 L/mol. Masses molaires : glucose 180 g/mol ; éthanol 46 g/mol ; CO2\text{CO}_2 44 g/mol.

    1. Écris l'équation de la fermentation alcoolique du glucose.
    2. Calcule la quantité de CO2\text{CO}_2 formé, puis celles de glucose consommé et d'éthanol formé.
    3. Vérifie la conservation de la masse.
    4. Calcule la quantité d'ATP\text{ATP} formé.
    5. Explique pourquoi la pâte lève et pourquoi un flacon fermé suffit.
    Voir le corrigé

    1. C6H12O6→2 C2H5OH+2 CO2+2 ATPC_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,\text{CO}_2 + 2\,\text{ATP}.

    2. n(CO2)=VVm=1,224=0,050n(\text{CO}_2) = \frac{V}{V_m} = \frac{1{,}2}{24} = 0{,}050 mol. D'après l'équation, 1 glucose donne 2 CO2\text{CO}_2, 2 éthanols et 2 ATP\text{ATP} :

    • glucose consommé : n=0,0502=0,025n = \frac{0{,}050}{2} = 0{,}025 mol, soit m=0,025×180=4,5m = 0{,}025 \times 180 = 4{,}5 g ;
    • éthanol formé : n=0,050n = 0{,}050 mol, soit m=0,050×46=2,3m = 0{,}050 \times 46 = 2{,}3 g.

    3. Masse de CO2\text{CO}_2 : 0,050×44=2,20{,}050 \times 44 = 2{,}2 g. Masse des produits : 2,3+2,2=4,52{,}3 + 2{,}2 = 4{,}5 g, égale à la masse de glucose consommé. La masse est conservée.

    4. Il se forme 2 ATP\text{ATP} par glucose : n(ATP)=2×0,025=0,050n(\text{ATP}) = 2 \times 0{,}025 = 0{,}050 mol.

    5. Le CO2\text{CO}_2 est un gaz libéré par la fermentation : il forme des bulles qui font gonfler la pâte. Un flacon fermé suffit : la fermentation n'a pas besoin de dioxygène, et le CO2\text{CO}_2 est un produit de la réaction, pas un réactif. L'éthanol formé s'évapore à la cuisson.

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    Exercice 5 : Levures en présence et en absence de dioxygène

    Moyen

    On cultive des levures dans trois conditions et on mesure, par heure et pour la même masse de cellules, les échanges (en mmol).

    CultureGlucose consomméO2\text{O}_2 consomméCO2\text{CO}_2 libéréÉthanol formé
    A, bien aérée1,06,06,00
    B, sans dioxygène18,0036,036,0
    C, peu aérée9,53,021,018,0
    1. Compare les cultures A et B.
    2. Écris l'équation de la réaction dans chaque culture et vérifie que les valeurs du tableau sont cohérentes.
    3. Calcule la quantité d'ATP\text{ATP} formée par heure dans les cultures A et B, avec 36 ATP\text{ATP} par glucose pour la respiration. Conclus.
    4. Pour la culture C, détermine la part du glucose dégradée par respiration, celle dégradée par fermentation, et la part de l'ATP\text{ATP} fournie par la respiration.
    Voir le corrigé

    1. En A (aérobie), 1,0 mmol de glucose est consommée, avec 6,0 mmol de O2\text{O}_2 consommées et 6,0 mmol de CO2\text{CO}_2 libérées, sans éthanol. En B (sans O2\text{O}_2), 18,0 mmol de glucose sont consommées, pas de O2\text{O}_2, 36,0 mmol de CO2\text{CO}_2 et 36,0 mmol d'éthanol sont formées. La consommation de glucose est donc 18 fois plus élevée en B qu'en A.

    2. Culture A : respiration, C6H12O6+6 O2→6 CO2+6 H2OC_6H_{12}O_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}. Pour 1,0 mmol de glucose : 6,0 mmol de O2\text{O}_2 et 6,0 mmol de CO2\text{CO}_2, conforme (rapport CO2\text{CO}_2/O2\text{O}_2 = 1). Culture B : fermentation alcoolique, C6H12O6→2 C2H5OH+2 CO2C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,\text{CO}_2. Pour 18,0 mmol de glucose : 2×18=362 \times 18 = 36 mmol d'éthanol et 36 mmol de CO2\text{CO}_2, conforme.

    3. Culture A : 1,0×36=361{,}0 \times 36 = 36 mmol d'ATP\text{ATP} par heure. Culture B : 18,0×2=3618{,}0 \times 2 = 36 mmol d'ATP\text{ATP} par heure. Les deux cultures forment donc la même quantité d'ATP\text{ATP} : pour l'obtenir, les levures consomment 18 fois plus de glucose en fermentation qu'en respiration. La respiration est beaucoup plus économe en glucose (c'est l'effet Pasteur).

    4. Soit xx la quantité de glucose respirée et yy celle fermentée. La respiration consomme 6 O2\text{O}_2 par glucose : x=3,06=0,5x = \frac{3{,}0}{6} = 0{,}5 mmol. Donc y=9,5−0,5=9,0y = 9{,}5 - 0{,}5 = 9{,}0 mmol. Vérification : CO2\text{CO}_2 =6×0,5+2×9,0=21,0= 6 \times 0{,}5 + 2 \times 9{,}0 = 21{,}0 mmol ; éthanol =2×9,0=18,0= 2 \times 9{,}0 = 18{,}0 mmol : conforme. Part respirée : 0,59,5=5,3 %\frac{0{,}5}{9{,}5} = 5{,}3\ \% du glucose ; part fermentée : 94,7 %94{,}7\ \%. ATP\text{ATP} fourni par la respiration : 0,5×36=180{,}5 \times 36 = 18 mmol ; par la fermentation : 9,0×2=189{,}0 \times 2 = 18 mmol. La respiration, qui n'utilise que 5 % du glucose, fournit donc la moitié (50 %) de l'ATP\text{ATP}.

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    Exercice 6 : Bactéries lactiques et régénération du NAD+

    Difficile

    Une culture de bactéries lactiques est placée à l'abri de l'air dans un milieu contenant du glucose. On suit la concentration en glucose, en lactate et le pH.

    Temps (h)01234
    Glucose (mmol/L)5044383226
    Lactate (mmol/L)012243648
    pH6,66,25,95,65,3
    1. Calcule, pour chaque heure, la quantité de glucose consommée et de lactate formée. Déduis le rapport lactate formé sur glucose consommé et écris l'équation.
    2. Calcule la quantité d'ATP\text{ATP} formée par litre entre 0 et 4 h. Quelle quantité de glucose aurait suffi si ces bactéries avaient pu respirer (36 ATP\text{ATP} par glucose) ?
    3. Explique la diminution du pH.
    4. On suppose que le litre de culture contient en tout 0,5 mmol de NAD+\text{NAD}^+ (formes oxydée et réduite). En l'absence de toute réduction du pyruvate, jusqu'à quelle quantité de glucose la glycolyse pourrait-elle fonctionner ? Combien de fois, en moyenne, chaque molécule de coenzyme intervient-elle en réalité ? Conclus sur le rôle de la réduction du pyruvate en lactate.
    Voir le corrigé

    1. À chaque heure, le glucose diminue de 6 mmol/L et le lactate augmente de 12 mmol/L. Le rapport est 126=2\frac{12}{6} = 2 lactates pour 1 glucose. Équation : C6H12O6→2 C3H6O3+2 ATPC_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_3H_6O_3 + 2\,\text{ATP} (fermentation lactique).

    2. Glucose consommé entre 0 et 4 h : 50−26=2450 - 26 = 24 mmol/L, soit 24×2=4824 \times 2 = 48 mmol d'ATP\text{ATP} par litre. Par respiration, il aurait suffi de 4836=1,33\frac{48}{36} = 1{,}33 mmol/L de glucose, soit 18 fois moins. Les bactéries consomment beaucoup de glucose parce que la fermentation rapporte peu d'ATP\text{ATP} par molécule.

    3. Les bactéries rejettent du lactate (acide lactique) dans le milieu : la concentration en ions H+\text{H}^+ augmente, donc le pH diminue (de 6,6 à 5,3). Cette acidification est à l'origine du caractère acide des laits fermentés.

    4. La glycolyse consomme 2 NAD+\text{NAD}^+ par glucose (oxydation des trioses phosphates). Sans régénération, 0,5 mmol de NAD+\text{NAD}^+ ne permettrait de dégrader que 0,52=0,25\frac{0{,}5}{2} = 0{,}25 mmol de glucose, ce qui est très inférieur aux 24 mmol effectivement consommées. En réalité, 2×24=482 \times 24 = 48 mmol de NAD+\text{NAD}^+ doivent être réduites en tout, donc chaque molécule de NAD+\text{NAD}^+ intervient en moyenne 480,5=96\frac{48}{0{,}5} = 96 fois (réduite, puis réoxydée à chaque fois). La réduction du pyruvate en lactate, effectuée par le NADH,H+\text{NADH,H}^+, régénère le NAD+\text{NAD}^+ : sans elle, la glycolyse s'arrêterait en quelques instants faute de coenzyme oxydé, et la cellule ne produirait plus d'ATP\text{ATP}.

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    Exercice 7 : Où se déroulent les étapes de l'oxydation du glucose ?

    Type Bac

    Document 1. On mesure les échanges (en µmol/min) de différentes préparations incubées dans un milieu aéré, avec ADP\text{ADP}, Pi\text{P}_i et cofacteurs en excès.

    Préparation et substratO2\text{O}_2 consomméCO2\text{CO}_2 libéréPyruvate formé
    1. Cellules entières + glucose7,57,5non détecté
    2. Mitochondries isolées + glucose000
    3. Mitochondries isolées + pyruvate (3,0 µmol/min consommés)7,59,00
    4. Hyaloplasme + glucose (1,25 µmol/min consommés) et NAD+\text{NAD}^+ en excès002,5
    5. Hyaloplasme + glucose (1,25 µmol/min) + mitochondries7,57,5non détecté

    Document 2. On sépare les compartiments d'une mitochondrie et on mesure les échanges (en µmol/min).

    FractionSubstrat ajoutéO2\text{O}_2 consomméCO2\text{CO}_2 libéréATP\text{ATP} synthétisé
    Matrice isoléepyruvate (1,0 µmol/min consommé) ; NAD+\text{NAD}^+, FAD\text{FAD}, CoA\text{CoA}, ADP\text{ADP} et Pi\text{P}_i en excès03,01,0
    Vésicules de membrane interneNADH,H+\text{NADH,H}^+ en excès, ADP\text{ADP}, Pi\text{P}_i2,0012,0
    Vésicules de membrane interne dépourvues de sphères pédonculéesNADH,H+\text{NADH,H}^+ en excès, ADP\text{ADP}, Pi\text{P}_i2,400
    Mêmes vésicules, sphères pédonculées réintroduitesNADH,H+\text{NADH,H}^+ en excès, ADP\text{ADP}, Pi\text{P}_i2,0012,0
    1. Compare les préparations 1 à 3 du document 1. Que peux-tu déduire sur le rôle de la mitochondrie ?
    2. Compare les préparations 4 et 5. Déduis où se déroule la glycolyse et quel est le devenir du pyruvate.
    3. À l'aide du document 2, localise la décarboxylation oxydative et la chaîne respiratoire. Précise le rôle des sphères pédonculées.
    4. Construis un tableau-bilan : étape, lieu, substrat, produits.
    Voir le corrigé

    1. Les cellules entières consomment du dioxygène (7,5 µmol/min) et libèrent du CO2\text{CO}_2 à partir du glucose. Les mitochondries isolées ne consomment pas de dioxygène avec du glucose (0), mais en consomment 7,5 µmol/min avec du pyruvate, en libérant du CO2\text{CO}_2 (9,0 µmol/min). On en déduit que la mitochondrie n'oxyde pas le glucose lui-même, mais oxyde le pyruvate : elle est le siège de la respiration (consommation de O2\text{O}_2 et libération de CO2\text{CO}_2).

    2. Le hyaloplasme seul transforme le glucose en pyruvate (1,25 µmol/min de glucose donnent 2,5 µmol/min de pyruvate, soit 2 pyruvates par glucose) sans consommer de O2\text{O}_2 : la glycolyse se déroule dans le hyaloplasme. Quand les mitochondries sont ajoutées (préparation 5), le pyruvate n'est plus détecté et la consommation de O2\text{O}_2 et la libération de CO2\text{CO}_2 sont identiques à celles des cellules entières : le pyruvate formé dans le hyaloplasme est oxydé par les mitochondries. On retrouve d'ailleurs 7,51,25=6\frac{7{,}5}{1{,}25} = 6 O2\text{O}_2 consommés et 6 CO2\text{CO}_2 libérés par glucose, comme dans l'équation de la respiration. L'association hyaloplasme et mitochondries reproduit le fonctionnement de la cellule.

    3. La matrice, avec du pyruvate, libère du CO2\text{CO}_2 (3,0 µmol/min pour 1,0 µmol/min de pyruvate, soit 3 CO2\text{CO}_2 par pyruvate) mais ne consomme pas de O2\text{O}_2 : les décarboxylations (décarboxylation oxydative et cycle de Krebs) ont lieu dans la matrice. La matrice forme aussi un peu d'ATP\text{ATP} (1,0 pour 1,0 pyruvate : une phosphorylation au niveau du substrat par tour de cycle). Les vésicules de membrane interne, avec du NADH,H+\text{NADH,H}^+, consomment du O2\text{O}_2 (2,0) et synthétisent beaucoup d'ATP\text{ATP} (12,0), sans libérer de CO2\text{CO}_2 : la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative sont portées par la membrane interne. Privées de sphères pédonculées, les vésicules consomment toujours du O2\text{O}_2 (2,4, même un peu plus) mais ne synthétisent plus d'ATP\text{ATP} (0) ; leur réintroduction rétablit la synthèse (12,0). Les sphères pédonculées sont donc la partie catalytique (F1\text{F}_1) de l'ATP synthase : elles ne sont pas nécessaires à l'oxydation des coenzymes, mais indispensables à la synthèse d'ATP\text{ATP}. Dans les vésicules complètes, le rapport 12,02,0=6\frac{12{,}0}{2{,}0} = 6 ATP\text{ATP} par O2\text{O}_2 (soit 3 par atome d'oxygène) correspond à 3 ATP\text{ATP} par NADH,H+\text{NADH,H}^+ réoxydé.

    4.

    ÉtapeLieuSubstratProduits
    Glycolysehyaloplasmeglucose2 pyruvates, 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+, 2 ATP\text{ATP} nets
    Décarboxylation oxydative et cycle de KrebsmatricepyruvateCO2\text{CO}_2, NADH,H+\text{NADH,H}^+, FADH2\text{FADH}_2, un peu d'ATP\text{ATP}
    Chaîne respiratoire et phosphorylation oxydativemembrane interneNADH,H+\text{NADH,H}^+, FADH2\text{FADH}_2, O2\text{O}_2H2O\text{H}_2\text{O}, NAD+\text{NAD}^+, beaucoup d'ATP\text{ATP}
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    Exercice 8 : Chaîne respiratoire, ATP synthase et gradient de protons

    Type Bac

    On place des mitochondries intactes dans un milieu aéré contenant du pyruvate et du malate (substrats de la respiration). On mesure, selon les conditions, la consommation de dioxygène (en nmol d'atomes d'oxygène par minute), la synthèse d'ATP\text{ATP} (en nmol/min) et la différence de concentration en protons entre l'espace intermembranaire et la matrice (en unités arbitraires, u.a.).

    Substances utilisées : l'oligomycine bloque le canal F0\text{F}_0 de l'ATP synthase ; le DNP rend la membrane interne perméable aux protons (découplant) ; le cyanure bloque le dernier transporteur de la chaîne respiratoire, qui cède les électrons au dioxygène.

    ConditionO2\text{O}_2 consommé (atomes d'O)ATP\text{ATP} synthétiséGradient de protons (u.a.)
    a. Sans ADP\text{ADP} ni Pi\text{P}_i200100
    b. Avec ADP\text{ADP} et Pi\text{P}_i12036070
    c. Condition b + oligomycine220100
    d. Condition c + DNP15005
    e. Condition b + cyanure005
    f. Condition b + DNP (sans oligomycine)15005
    1. Compare les conditions a et b. Calcule le rapport ATP\text{ATP} formé sur oxygène consommé en b.
    2. Que montre la condition e ?
    3. Compare b et c. Propose une explication pour la forte chute de la consommation de dioxygène en c.
    4. Compare c et d, puis b et f. Que peux-tu conclure sur le lien entre chaîne respiratoire et synthèse d'ATP\text{ATP} ?
    5. Rédige un schéma explicatif (en texte) du mécanisme de la phosphorylation oxydative.
    Voir le corrigé

    1. Sans ADP\text{ADP} ni Pi\text{P}_i (a), la consommation de dioxygène est faible (20) et il n'y a pas de synthèse d'ATP\text{ATP}. L'ajout d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i (b) multiplie la consommation de dioxygène par 6 (120) et déclenche la synthèse d'ATP\text{ATP} (360). Le rapport est 360120=3\frac{360}{120} = 3 ATP\text{ATP} par atome d'oxygène consommé, soit 3 ATP\text{ATP} par couple d'hydrogènes oxydé, valeur cohérente avec 3 ATP\text{ATP} par NADH,H+\text{NADH,H}^+. La respiration est donc couplée à la synthèse d'ATP\text{ATP} : elle s'accélère quand de l'ADP\text{ADP} est disponible.

    2. Avec le cyanure (e), la consommation de dioxygène est nulle, l'ATP\text{ATP} n'est plus synthétisé et le gradient de protons disparaît (5 u.a.). Le dioxygène est l'accepteur final de la chaîne respiratoire ; son utilisation est nécessaire pour que le transfert des électrons, donc le pompage de protons, et la synthèse d'ATP\text{ATP} aient lieu.

    3. En c, la synthèse d'ATP\text{ATP} s'arrête (0) comme attendu puisque l'ATP synthase est bloquée, mais la consommation de dioxygène tombe aussi (de 120 à 22) et le gradient de protons remonte de 70 à 100. Explication : les protons pompés ne peuvent plus revenir dans la matrice par l'ATP synthase ; le gradient augmente et s'oppose au pompage de protons, ce qui ralentit le transfert des électrons et donc la consommation de dioxygène. La chaîne respiratoire ne fonctionne à plein régime que si les protons peuvent être « consommés » par l'ATP synthase.

    4. Comparaison de c et d. Le DNP rend la membrane perméable aux protons : le gradient s'effondre (100 puis 5 u.a.) et la consommation de dioxygène remonte de 22 à 150. Le gradient freinait donc la chaîne respiratoire en c. Il n'y a toujours pas d'ATP\text{ATP} en d (0), puisque l'oligomycine bloque encore l'ATP synthase : cette comparaison ne permet pas de conclure sur la synthèse d'ATP\text{ATP}.

    Comparaison de b et f. Dans les deux conditions, l'ADP\text{ADP}, le Pi\text{P}_i et une ATP synthase fonctionnelle sont présents. Avec le DNP, le gradient chute (70 puis 5 u.a.), la chaîne respiratoire fonctionne même plus vite (120 puis 150) mais la synthèse d'ATP\text{ATP} disparaît (360 puis 0). On en conclut que la synthèse d'ATP\text{ATP} dépend du gradient de protons et non du seul transfert des électrons : la chaîne respiratoire et l'ATP synthase sont couplées par ce gradient. Quand il est dissipé, l'énergie libérée par l'oxydation n'est plus stockée dans l'ATP\text{ATP} : elle est dissipée sous forme de chaleur.

    5. Mécanisme : NADH,H+\text{NADH,H}^+ et FADH2\text{FADH}_2 cèdent leurs électrons à la chaîne respiratoire de la membrane interne →\rightarrow le transfert des électrons libère de l'énergie utilisée pour pomper des H+\text{H}^+ de la matrice vers l'espace intermembranaire →\rightarrow gradient de protons →\rightarrow retour des H+\text{H}^+ vers la matrice par l'ATP synthase (canal F0\text{F}_0) →\rightarrow synthèse d'ATP\text{ATP} à partir d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i (partie F1\text{F}_1) ; les électrons sont finalement acceptés par le dioxygène, qui forme de l'eau.

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    QCM

    Question 1.Où se déroule la glycolyse dans une cellule eucaryote ?
    Question 2.Quel est le gain net d'ATP\text{ATP} de la glycolyse par molécule de glucose ?
    Question 3.Combien de molécules de dioxygène sont consommées et de dioxyde de carbone libérées par molécule de glucose dans la respiration ?
    Question 4.Quel est le rôle du dioxygène dans la chaîne respiratoire ?
    Question 5.Quel est le rôle de la réduction du pyruvate en lactate dans la fermentation lactique ?
    Question 6.Une cellule oxyde du glucose avec 36 ATP\text{ATP} par molécule. L'oxydation libère 2 840 kJ/mol et l'hydrolyse de l'ATP\text{ATP} 30,5 kJ/mol. Quel est le rendement ?
    Question 7.Où se trouve l'ATP synthase dans une mitochondrie ?
    Question 8.Des levures sans dioxygène consomment du glucose. Quels produits forment-elles ?

    Erreurs fréquentes

    • Dire que la glycolyse produit 4 ATP\text{ATP}. Elle en forme 4 mais en consomme 2 : le gain net est de 2 ATP\text{ATP} par glucose.
    • Placer la glycolyse dans la mitochondrie. Elle se déroule dans le hyaloplasme ; seule la suite de la respiration a lieu dans la mitochondrie.
    • Croire que le dioxyde de carbone provient du dioxygène. Le CO2\text{CO}_2 est libéré par les décarboxylations (décarboxylation oxydative et cycle de Krebs) ; le dioxygène sert uniquement d'accepteur final et forme de l'eau.
    • Confondre respiration et fermentation. La fermentation n'utilise pas de dioxygène, n'oxyde que partiellement le glucose et ne forme que 2 ATP\text{ATP} ; la respiration oxyde entièrement le glucose et forme 36 à 38 ATP\text{ATP}.
    • Oublier le rôle de la fermentation dans la régénération du NAD+\text{NAD}^+. Sans cette régénération, la glycolyse s'arrête et plus aucun ATP\text{ATP} n'est formé.
    • Attribuer la synthèse d'ATP\text{ATP} à la chaîne respiratoire seule. Il faut citer le gradient de protons et l'ATP synthase : les électrons ne fabriquent pas directement l'ATP\text{ATP}.
    • Confondre énergie libérée et énergie stockée. L'ATP\text{ATP} ne stocke qu'une partie (environ 39 % pour la respiration) ; le reste est dissipé en chaleur. Le rendement se calcule toujours en divisant l'énergie stockée par l'énergie libérée.

    À retenir

    • L'ATP\text{ATP} est la monnaie énergétique de la cellule : son hydrolyse libère environ 30,5 kJ/mol ; il est régénéré en permanence.
    • Glycolyse (hyaloplasme) : 1 glucose donne 2 pyruvates, 2 NADH,H+\text{NADH,H}^+ et un gain net de 2 ATP\text{ATP}, sans dioxygène.
    • En présence de dioxygène, le pyruvate entre dans la mitochondrie : décarboxylation oxydative et cycle de Krebs (matrice) libèrent le CO2\text{CO}_2 et forment des coenzymes réduits (NADH,H+\text{NADH,H}^+ et FADH2\text{FADH}_2).
    • La chaîne respiratoire (membrane interne) réoxyde ces coenzymes ; le dioxygène est l'accepteur final et forme de l'eau.
    • Les transferts d'électrons pompent des protons vers l'espace intermembranaire ; leur retour par l'ATP synthase fournit l'énergie de la synthèse d'ATP\text{ATP} (phosphorylation oxydative).
    • Bilan de la respiration : 36 à 38 ATP\text{ATP} par glucose ; C6H12O6+6 O2→6 CO2+6 H2OC_6H_{12}O_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} ; rendement d'environ 39 %, le reste en chaleur.
    • Sans dioxygène, la glycolyse est suivie d'une fermentation (lactique ou alcoolique) qui régénère le NAD+\text{NAD}^+ ; bilan de seulement 2 ATP\text{ATP} par glucose.
    • Fermentation lactique : glucose en 2 lactates ; fermentation alcoolique : glucose en 2 éthanols et 2 CO2\text{CO}_2.
    • La respiration extrait 18 fois plus d'ATP\text{ATP} par glucose que les fermentations : en fermentation, il faut consommer bien plus de glucose pour la même quantité d'ATP\text{ATP}.

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