La respiration cellulaire

Question 1

Qu’est-ce que le métabolisme cellulaire et qu’est-ce qui y est au centre chez les organismes?

Answer 1

• C’est la somme des activités cataboliques et anaboliques où chaque étape est catalysée par une enzyme.
• La respiration cellulaire y est au cœur.

Question 2

Quelle est la différence entre l’anabolisme et le catabolisme?

Answer 2

• Anabolisme : ensemble des réactions de synthèse des molécules (endothermique)
• Catabolisme : ensemble des réactions de dégradation, permet d’aller puiser l’énergie au sein des liaisons des molécules (exothermique). Énergie qui est libérée permet : accomplir un travail cellulaire, dissipée sous forme de chaleur.

Question 3

Qu’est-ce qui rend possible la majorité des réactions endothermiques du métabolisme cellulaire?

Answer 3

• L’énergie de l’ATP qui provient de la respiration cellulaire.

Question 4

Qu’est-ce que l’ATP? Rôle, structure, synthèse et décomposition

Answer 4

-Adénosine triphosphate : molécules à 5 carbones et à une chaine de 3 acides phosphoriques. Présente dans toutes les cellules, fournit l’énergie à différents processus cellulaires.
- Structure : adénine + ribose + chaîne de groupement phosphate
- 3 groupements phosphate = chargés négativement, donc la molécule est instable, riche en énergie.
- Mécanisme de création d’énergie : Phosphorylation. Transfert d’un groupement phosphate sur une autre molécule et l’ATP devient alors l’adénosine diphosphate (ADP) et de l’Énergie.
- Mécanisme inverse : Déphosphorylation. Fournir de l’énergie pour l’actionner, crée l’ATP

Question 5

Comment regénère on l’ATP après son utilisation?

Answer 5

• En dégradant des molécules organiques
• Avec la réaction de phosphorylation

Question 6

Quels sont les 2 possibilités de type de production d’ATP?

Answer 6

• Aérobique (avec O2) : lent mais payant. 32 moles d’ATP/glucose
• Anaérobique (sans O2) : rapide, mais pas très payant. 2 moles d’ATP/glucose

Question 7

Décris brièvement les deux types de production d’ATP chez les humains en nommant leurs carburants et leurs étapes

Answer 7

• Aérobique (avec O2) : Respiration cellulaire aérobie
  Carburant : monosaccharides, acides aminés, acides gras.
  1) Glycolyse
  2) Oxydation du pyruvate
  3) Cycle de l’acide citrique
  4) Phosphorylation oxydative
• Anaérobique (sans O2) : Voies anaérobies
  Carburant : glucose
  1) Fermentation lactique (acide lactique = déchet) pour former le glucose
  2) Phosphorylation directe (création de créatine phosphate)/

Question 8

Quelle est la voie de régénération de l’ATP qui n’est pas possible pour l’être humain?

Answer 8

La fermentation alcoolique

Question 9

Qu’est-ce qu’une réaction d’oxydoréduction?

Answer 9

C’est une réaction qui implique un échange d’électron entre les réactifs.
- Oxydation : électrons s’éloignent du noyau au profit de l’agent oxydatif
- Réduction : électrons se rapprochent du noyau en raison de l’agent réducteur.

Question 10

Que permet l’oxydation contrôlée/par petites étapes du glucose.

Answer 10

Une libération graduelle d’énergie et donc la synthèse de l’ATP

Question 11

Pourquoi les mitochondries sont-elles si importantes? Quel rôle joue sa structure membranaire?

Answer 11

1) C’est l’organite principal de la respiration cellulaire
2) C’est ici que sont fabriqués la majorité des ATP

• L’enveloppe est formée de deux espaces et deux membranes
  a) Espace intermembranaire et matrice
  b) Membrane interne (repliée) et membrane externe (lisse). = en beaucoup plus grand %, ce qui permet une plus grande surface de contact et donc + de respiration cellulaire et de formation d’ATP

Question 12

Nomme et explique les deux réactions possibles pour fabriquer de l’ATP.

Answer 12

1- Phosphorylation au niveau du substrat : transfert de l’ADP et d’un groupement phosphate d’un substrat sur un enzyme avec 2 sites actifs. Utilise l’énergie chimique de l’instabilité de la liaison covalente pour faire la phosphorylation.

2- Phosphorylation oxydative : l’enzyme ATP synthase prend le groupement phosphate qui était libre dans la cellule + l’ADP et utilise l’énergie potentielle issue d’un gradient électrochimique (H+).

Question 13

Explique l’étape 1 de la respiration cellulaire, ainsi que son rendement net

Answer 13

• La glycolyse : Plusieurs réactions chimiques en succession, phosphorylation au niveau du substrat.

a) Phase de l’investissement d’énergie : utilisation de deux ATP avec le glucose pour former 2 ADP et deux groupements phosphate (plus réactifs). Utilisation de l’enzyme phosphofructokinase (PFK)
b) Phase de la libération d’énergie : utilisation de l’intermédiaire PGAL pour former 4 ATP, 2 NADH, 2 H+, 2 Pyruvates et 2 H2O

Rendement net : 2 pyruvates, 2 H2O, 2 ATP, 2 NADH/H+/ Si n= nombre de glucose :
2n pyruvates, 2n H2O, 2n ATP, 2n NADH/H+

Question 14

Comment le glucose entre il dans la cellule avant la respiration cellulaire?

Answer 14

à l’extérieur de la mitochondrie, le glucose entre dans la cellule via les perméases (protéines membranaires, diffusion) sur la membrane plasmique.

Question 15

Explique la formation de NADH/H+ pendant la glycolyse.

Answer 15

• Des déshydrogénases oxydent le substrat ce qui engendre sa perte d’électrons et, donc, réduit le NAD+ (devient NADH/H+, gagne des électrons)

Question 16

Qu’est-ce que le NADH + H+?

Answer 16

Un transporteur d’électrons riche en énergie potentielle.

Question 17

Explique l’étape 2 de la respiration cellulaire, ainsi que son rendement net.

Answer 17

• L’oxydation du pyruvate : passage dans la mitochondrie via un perméase, conversion du pyruvate en Acétyl-CoA
• Pyruvate : 3 carbones dont un carboxyle, contient peu d’énergie, qui est évacué en CO2

1) Passage par la perméase, évacuation du CO2 (1/3 du CO2 expiré)
2) Évacuation d’un NADH/H+ (énergie de l’évacuation du CO2 utilisée pour transformer NAD+ en NADH/H+)
3) Avec le coenzyme A, fin de la conversion en Acétyl-CoA

Rendement net (pour deux réactions parce que la glycolyse forme deux pyruvates) :
2 acétyl-CoA, 2 NADH/H+, 2 CO2
ou, si n= nb. de glucose :
2n acétyl-coA, 2n NADH/H+, 2n CO2

Question 18

Explique l’étape 3 de la respiration cellulaire, ainsi que son rendement net

Answer 18

• Cycle de l’acide citrique : dans la matrice, succession de réactions chimiques accompagnées d’enzyme pour chaque étape à partir de l’Acétyl-CoA, cyclique = pas de déchet.

Rendement net (pour deux cycles, 1 glucose = 2 Acétyl-CoA)
4 CO2 (2/3 du CO2 expiré), 2 ATP, 6 NADH/H+, 2 FADH2 (transport d’électrons)
ou, si n= nb. électrons :
4n CO2, 2n ATP, 6n NADH/H+, 2n FADH2

Question 19

Explique l’étape 4 de la respiration cellulaire.

Answer 19

La phosphorylation oxydative : 2 transferts d’énergie consécutifs oû l’énergie des électrons passe en énergie de gradient (de protons H+) puis en formation d’ATP dans la membrane interne.
Se divise en 2 sous-étapes :
4a) Chaîne de transport d’électrons
4b) Chimiosmose

Question 20

Explique l’étape 4a de la respiration cellulaire; la chaîne de transport d’électrons

Answer 20

• Les électrons transportée par le NADH/H+ (formés dans les 3 étapes précédentes) libèrent graduellement leur énergie en se déplaçant, ce qui forme la « chaîne », pour permettre la formation d’ATP.(protéines qui transportent les électrons ont une affinité croissante pour les électrons)
• Le NADH/ H+ cède ses électrons au début de la chaîne, tandis que le FADH2 les cède plus loin. (alors, les électrons du FADH2 dégagent moins d’énergie, font moins d’ATP)

Question 21

Explique l’étape 4b de la respiration cellulaire : fin du transport de la chaîne d’électrons+ Chimiosmose

Answer 21

• Le transport d’électrons dans la membrane cause l’arrivée de protons H+ dans l’espace intermembranaire.
• Donc, après le transport, il y a la formation d’un gradient électrochimique H+ vers la matrice (l’intérieur de la membrane), les protons H+ entrent donc dans la membrane, ce qui génère de l’énergie. (force protonmotrice)
• Cette énergie est utilisée (principe de la chimiosmose, utiliser un gradient électrochimique comme source d’énergie) par l’ATP synthase qui fait la phosphorylation oxydative de l’ATP.

Question 22

Donc, quel est le rendement énergétique d’une mol de glucose (avec 10 NADHH+ et 2 FADH2) de la phosphorylation oxydative?

Answer 22

MAXIMMUM : 10 NADHH+ = 25 ATP + 2 FADH2 = 3 ATP = 28 ATP

MINIMUM : 8 NADH/H+ = 20 ATP + 4 FADH2 = 6 ATP = 26 ATP

Question 23

Pourquoi le bilan final d’ATP formés dans la respiration cellulaire est-il de 30-32 ATP?

Answer 23

• Parce que les 2 NADH/H+ formés pendant la glycolyse traversent la membrane au moyen d’une navette et sont mis sur deux NADH/H+ (MAX d’ATP) ou sur deux FADH2 (MIN. D’ATP)
• Impossible de savoir quelle navette a été choisie, alors on fait le calcul pour les deux.

Question 24

Quel est le rôle de l’O2 dans la respiration cellulaire?

Answer 24

C’est l’accepteur final d’électrons de la respiration cellulaire aérobie.

Question 25

Comment la cellule humaine, capable de faire de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie, choisit-elle laquelle faire?

Answer 25

Après la glycolyse, quand le pyruvate a été crée :
- Pyruvate en présence d’O2 : respiration aérobie, fait le reste des étapes
- Pyruvate en absence de CO2 : respiration anaérobie, fait de la fermentation (produits = éthanol, lactate, etc.

Question 26

Qu’est-ce qui caractérise la fermentation (comparativement à la voie aérobie)?

Answer 26

• on fait uniquement la glycolyse (pas de chaîne de transport d’électrons)
• Les électrons du NADH+/H+ sont envoyés sur le pyruvate.
• ça se passe uniquement dans le cytoplasme

Question 27

Quels sont les 2 types de fermentation? Quel est leur rendement d’ATP par mole de glucose?

Answer 27

• Fermentation alcoolique : produit de l’éthanol
• Fermentation lactique : produit de l’acide lactique (lactate)
  2 ATP/mol de glucose

Question 28

Explique le fonctionnement de la fermentation alcoolique chez les levures.

Answer 28

1- Glycolyse : même fonctionnement que aérobie, produit 2 ATP, 2 pyruvates et 2 NADH/H+

2- La chaîne de transport d’électrons est bloquée par le manque d’oxygène, il faut donc regénérer des NAD+ à partir des NADH/H+.

3- Pour ce faire, on enlève le groupement carboxyle des pyruvates (formation de CO2) : la molécule devient donc de l’Acétaldéhyde.

4- Les 2 H+ des NADH/H+ vont aller faire des liaisons avec l’acétaldéhyde ce qui a deux effets : il y a une régénération du NAD+ et l’Acétaldéhyde devient de l’éthanol

Question 29

Explique le fonctionnement de la fermentation lactique.

Answer 29

1- Glycolyse : même fonctionnement que aérobie, produit 2 ATP, 2 pyruvates et 2 NADH/H+

2- La chaîne de transport d’électrons est bloquée par le manque d’oxygène, il faut donc regénérer des NAD+ à partir des NADH/H+.

3- Pour ce faire, les 2 H+ des NADH/H+ vont aller faire des liaisons avec les pyruvate ce qui crée deux molécules de lactate (acide lactique)

4- Finalement, le lactate est transporté par le sang jusqu’au foie oû il est converti est 1 molécule de glucose ce qui demande 6 ATP. Donc, la fermentation lactique produit 2 ATP, au final son bilan est techniquement de -4 ATP.

Question 30

Où se produit principalement la fermentation lactique?

Answer 30

Dans les cellules musculaires, surtout les fibres musculaires glycolytiques à contractions rapides.

Question 31

Explique le fonctionnement général de l’acidose lactique du Saguenay-Lac St-Jean.

Answer 31

• Problème : le complexe cytochrome c oxydase (une protéine de la chaîne de transport d’électrons) n’est pas produit en assez grande quantité dans le cerveau et le foie.
• Effet : moins d’accès à l’O2 (accepteur final d’électrons), respiration cellulaire est au ralenti sauf pour la glycolyse qui fournit la fermentation lactique, baisse de production d’ATP, foie n’est pas capable de convertir le lactate en glucose (pcq trop de lactate, pas assez d’ATP pour le foie)
• Résultat : accumulation de lactate : acidose (sang, paramètre homéostasique, devient acide). Fatal avant 5 ans.

Question 32

Quels sont les accepteurs finaux d’électrons dans les 2 types de fermentation?

Answer 32

Lactique : pyruvate
Alcoolique : acétaldéhyde

Question 33

Est-ce que seuls les glucides peuvent être utilisés lors de la voie catabolique aérobique de la régénération de l’ATP?

Answer 33

Non, plusieurs autres nutriments, comme les protéines et les lipides peuvent être utilisés, mais ils entrent à différents moments au niveau du cycle et non nécessairement au début.

Question 34

Explique le catabolisme des protéines (généralisé).

Answer 34

Différents acides aminés (20) entrent dans le cycle à différents endroits dans le processus de la respiration cellulaire ; généralement, il faut enlever le groupement amine des acides aminés (désaminer)

Question 35

Explique le catabolisme du glycérol d’un monoglycéride ou d’un triglycéride, ainsi que son rendement net.

Answer 35

• En investissant de l’énergie (1 ATP/glycérol), le glycérol est transformé en PGAL, qui peut ensuite poursuivre la phase de libération d’énergie de la glycolyse.
• Rendement net (n= nb de glycérol) :
  n NADH/H+, n ATP, n Pyruvate. (glycérol = 1/2 glucose)
  15-16 ATP

Question 36

Explique le catabolisme des queues acides gras des monoglycérides et triglycérides, ainsi que leur rendement net.

Answer 36

• En investissant de l’énergie (1 ATP), les queues acides gras peuvent être dégradées par leur beta-oxydation, qui peut ensuite poursuivre le cycle de l’acide citrique.
• Rendement net (n= nb de carbones) :
  n acétyl-coA, n-1 NADH/H+, n-1 FADH2, -1 ATP

Question 37

Que permet la complexe réalité du métabolisme humain? Quel est son rapport à la régénération de l’ATP?

Answer 37

L’homéostasie de certains paramètres du corps, c’est-à-dire leur stabilité (par des processus de rétro-inhibition et de rétro-activation)
- La concentration d’ATP est un paramètre homéostasique.

Question 38

Qu’est-ce qu’un enzyme allostérique?

Answer 38

• Enzyme qui participe à la régulation allostérique des réactions chimiques (altération de l’activité d’une protéine par la liaison d’une molécule effectrice à un site spécifique.)
• Ce type d’enzyme est particulier, car il a non seulement un site actif pour son substrat, mais aussi un site supplémentaire auquel un autre ligand, un effecteur, peut venir s’y lier. Fait d’elle un excellent catalyseur biologique, peut répondre à de multiples conditions différentes. C’est donc un enzyme dont on peut modifier la vitesse de travail.

Question 39

Nomme un enzyme allostérique vital à la respiration et explique ses mécanismes d’inhibition et d’activation.

Answer 39

• Phosphofructokinase (PFK) ; évite les surplus ou les carences en ATP ; elle permet de synchroniser le cycle de l’acide citrique et la glycolyse afin d’éviter l’oxydation de molécules qui pourraient être utiles à autres choses dans la cellule.
• Inhibition : (enzyme ralentie ou empêchée de travailler) inhibiteur, la haute concentration en citrate et en ATP (trop de carburant dans le cycle de l’Acide citrique), se lie sur le site allostérique, ce qui amène la modification 3D du site actif et empêche donc le fonctionnement du substrat. L’enzyme ralentit.
• Activation : l’enzyme est inactive ou lente, un activateur, la haute concentration en AMP (faible concentration en ATP, résultat de son hydrolyse), entre dans le site allostérique, ce qui modifie la forme 3D du site actif, et donc, rend le fonctionnement du substrat possible. L’enzyme accélère.