THEME. LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE ET L'EVOLUTION DE LA VIE. La respiration (Spé)

Nous avons vu que la cellule photosynthétique fabriquait des ATP pour faire tourner le cycle de Calvin. Tout mouvement, toute activité cellulaire nécessitent de l'énergie donc de l'ATP.

Un des mécanismes employés par la cellule pour récupérer de l'ATP est la respiration. On rappelle que l'équation globale de la respiration est la suivante :

Mise en évidence de la respiration chez un champignon unicellulaire, la levure de bière

La levure de bière est un champignon formé d'une seule cellule ovoïde, qui se reproduit par bourgeonnement. Elle s'observe facilement au microscope optique.

Levures de bière au MEB

Des levures sont placées en suspension dans une solution de glucose  et oxygénées durant 24 heures. Pour étudier le processus respiratoire, on utilise le montage ExAO suivant qui est très simple.

La mesure se fait sur 5 minutes. Il est important que la solution soit agitée. Pendant la 1ère minute vous observez ce qui se passe sur l'écran, puis vous ajouter avec une seringue 2 ml de solution glucosée à 50 g/L. On obtient (si on a de la chance !) une courbe qui ressemble à celle-ci :

On constate que lorsqu'on injecte du glucose dans le milieu, le taux de dioxygène baisse. Cela signifie que la levure consomme du dioxygène grâce au glucose. La levure s'est mise à respirer.

Dans l'expérience suivante, on travaille sur des levures sans réserve intracellulaire. On incube des solutions de glucose dans 5 erlens à 30 °C en agitant continuellement durant 1 heure selon le protocole suivant :

— tube 1, il n'y a pas de levure. il s'agit du tube témoin. Il y a forte présence de glucose, ce qui est normal.

— tube 2, il y a des levures mais pas de glucose. le résultat en fin d'expérience est obligatoirement négatif.

— tube 3, il y a présence de glucose et de levure. Un peu de glucose est consommé mais, en absence d'oxygénation, la levure ne peut pas respirer. Elle est donc en fermentation, qui est forme de vie ralentie.

— tube 4, compte-tenu de l'absence de glucose, il n'y a aucun résultat significatif.

— tube 5, il y a présence de levure, de glucose et d'oxygénation. On observe une forte consommation de glucose due à la respiration cellulaire des levures.

La première étape : la glycolyse

Protocole expérimental :

— Faites chauffer le bain-marie au maximum

— Faites bouillir 2 moules

— Mettre du tissu de moule vivant dans un tube et du tissu de moule bouillie dans un autre

— Mettez 2 du bleu de méthylène peu concentré dans chaque tube.On rappelle que que le bleu de méthylène (BM) est bleu à l'état oxydé et incolore à l'état réduit (forme leucodérivée).

On constate que les tubes chauffés ne changent pas de couleur. L'ébullition a entraîné la mort des cellules de moules. Le changement de couleur dans les autres tubes est donc bien le résultat d'une activité cellulaire.

On sait que le BM est incolore à l'état réduit. Cela signifie qu'il a récupéré des H2 qui proviennent de la dégradation du glucose par la cellule. La première étape de la dégradation du glucose donne donc du dihydrogène.

D'autres expérience ont permis de mettre en évidence que cette première étape de la dégradation du glucose entrainait la formation d'acide pyruvique ou pyruvate et de 2 ATP.

Formule de l'acide pyruvique ou pyruvate

On peut donc écrire l'équation de la première étape de la dégradation du glucose qui s'appelle la glycolyse. La glycolyse a lieu dans le cytoplasme de la cellule.

Comparaison entre deux cellules de levure cultivées différemment

On constate que la levure cultivée en anaérobiose ne présente pas de réserves lipidiques et possède une vacuole de petite taille (zone de réserves). Elle est donc en vie ralentie et fermente.

La levure en aérobiose est en vie active. Elle accumule des réserves et respire. On constate la présence de mitochondries qu'on ne trouvait pas dans l'autre cellule. La mitochondrie est une organite cellulaire qui intervient dans la respiration.

On a vu que la glycolyse se produisait dans le cytoplasme. cela signifie que ce n'est pas une réaction spécifique à la respiration. La glycolyse est commune à la respiration et à la fermentation.

Electronographie de mitochondrie

1: membranes externe et interne

2 : matrice mitochondriale

3 : crête mitochondriale

4 : ribosome

La glycolyse se produit dans le cytoplasme cellulaire.

La seconde étape : le cycle de Krebs
Une expérience en ExAO permet de mettre en évidence la consommation de pyruvate par les mitochondries en travaillant sur une suspension de mitochondries de carottes. On obtient les résultats suivants :

 

Il y a donc une respiration mitochondriale.
Le biochimiste Lehninger a précisé dans une expérience sur la pomme de terre, le déroulement de la respiration mitochondriale.

On constate que le dégagement de CO2 au niveau cellulaire ne se fait qu'au niveau de la mitochondrie. La glycolyse est donc une réaction carrefour entre respiration et fermentation.

Le document suivant permet de suivre la présence de différentes molécules intervenant dans la respiration dans les différents compartiments de la mitochondrie.

Tout un ensemble d'enzymes se retrouve dans la matrice. Ils interviennent dans le cycle de Krebs, dont l'équation bilan est la suivante :

Le cycle de Krebs est une phase de décarboxylation et de déshydrogénation de l'acide pyruvique. En réalité le mécanisme est très complexe puisqu'il faut six tours de cycle pour que tout le pyruvate ait été détruit.

La respiration correspond à une dégradation complète du glucose puisqu'on n'obtient que des molécules minérales. Le cycle de Krebs permet la formation de 10 R'H2 et de deux molécules d'ATP.

Depuis le glucose, il a donc été formé 2 R'H2 (glycolyse) + 10 R'H2 (cycle de Krebs) = 12 R'H2.

La seconde phase : les phosphorylations oxydatives
Il faut donc maintenant régénérer ces transporteur réduit, c'est à dire éliminer les H2 (c'est une oxydation). Cette phase s'appelle la phosphorylation oxydative.

L'expérience de Lehninger permet de démontrer que le dioxygène est nécessaire pour que le CO2 se dégage, c'est à dire que le cycle de Krebs fonctionne.

Or, dans les étapes précédentes, le dioxygène n'est jamais intervenu. Il va donc obligatoirement intervenir dans cette troisième et dernière phase de la respiration.

C'est au cours de cette étape qu'intervient la chaîne respiratoire.

Des expériences utilisant des produits bloquants la chaîne respiratoire (roténone, cyanure), montre que ces produits bloque alors la fabrication de l'ATP. C'est le fonctionnement de la chaîne respiratoire qui permet la fabrication d'ATP. Cet ATP se forme au niveau des crêtes mitochondriales.

C'est à ce niveau que les R'H2 sont régénérés (oxydés) en R'. C'est à ce niveau là que le dioxygène intervient. En effet la régénération des transporteurs libérent 12 H2 qui, réagissant avec 6 O2 vont donner 12 molécules d'eau.

Le bilan de la phase de phosphorylations oxydatives est donc :

Du point de vue énergétique le bilan total de la dégradation d'une molécule de glucose est le suivant :

2 ATP (glycolyse) + 2 ATP (cycle de Krebs) + 32 ATP (phosphorylations oxydatives) = 36 ATP