La respiration cellulaire

Écrire l'équation globale de la respiration aérobie du glucose et indiquer quelle substance est oxydée et laquelle est réduite au cours du processus.

Nommer les quatre étapes de la respiration aérobie et indiquer dans quelle partie de la cellule eucaryote chacune est localisée.

Dans quelle partie de la cellule la glycolyse a-t-elle lieu et quels produits nets obtient-on à partir d'une molécule de glucose lors de cette étape ?

Pour chaque molécule de glucose, la glycolyse a un bilan net de $2\ \text{ATP}$ et $2$ NADH. Expliquer pourquoi on parle de bilan « net », en précisant combien d'ATP sont consommés lors de la première phase et combien sont produits lors de la seconde.

Qu'est-ce que le pyruvate et quelles sont ses deux principales destinées après la glycolyse selon que le dioxygène est disponible ou non ? Indiquer quel type de voie métabolique est suivi dans chaque cas.

Définir la fermentation et nommer les deux principaux types avec leurs produits finaux, en indiquant un organisme ou un tissu qui réalise chacun d'eux.

Dans la fermentation lactique, le pyruvate est transformé en lactate. Expliquer pourquoi ce processus permet de régénérer $\text{NAD}^+$ et dans quelles situations la musculature humaine l'utilise.

Qu'est-ce que le cycle de Krebs ? Indiquer quelle molécule à deux carbones y entre à partir de l'oxydation du pyruvate et quel gaz est dégagé lors de ses réactions.

Dessiner ou décrire une mitochondrie en indiquant sa membrane externe, sa membrane interne avec les crêtes et la matrice, et préciser dans quelles zones ont lieu le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

Dans le cycle de Krebs, l'acétyl-CoA se combine à l'oxaloacétate et, après une série de réactions, l'oxaloacétate est régénéré. Expliquer pourquoi cette voie est appelée « cycle » et préciser quels produits énergétiques et quel déchet sont générés à chaque tour.

Indiquer quelle molécule joue le rôle d'accepteur final des électrons dans la chaîne de transport d'électrons et quelle substance se forme lorsque cette molécule est réduite.

Sur le schéma de la respiration aérobie, indiquer à quelle étape correspond chacune des cases numérotées (1, 2 et 3), nommer les molécules désignées par A et B, et préciser dans quelle partie de la cellule se déroule chaque étape.

Expliquer le rôle du $\text{NAD}^+$ et du FAD dans la respiration cellulaire et ce qu'il advient de leurs formes réduites (NADH et $\text{FADH}_2$) dans la chaîne de transport d'électrons.

L'ATP synthase fonctionne comme un moteur moléculaire rotatif. Expliquer ce qui la fait tourner, quelle réaction elle catalyse et dans quelle membrane de la mitochondrie elle est localisée.

Les levures et nos cellules musculaires peuvent respirer ou fermenter selon le dioxygène disponible. Expliquer comment la cellule « choisit » entre l'une et l'autre voie (effet Pasteur) et quel avantage elle en retire lorsque, en présence de dioxygène, elle réduit sa consommation de glucose tout en maintenant le même apport d'ATP.

Les mitochondries possèdent leur propre ADN, leurs propres ribosomes et se divisent par scissiparité. Expliquer quelle origine évolutive ces données suggèrent (théorie endosymbiotique) et pourquoi ces organites sont le lieu approprié pour accueillir la respiration cellulaire.

Dans un bioréacteur industriel contenant des levures (Saccharomyces cerevisiae) alimentées en glucose, on suit la consommation de substrat et les métabolites formés. Dans une première phase anaérobie, les levures consomment du glucose à grande vitesse en produisant de l'éthanol et du $\text{CO}_2$. Lorsque l'on injecte du dioxygène en continu (seconde phase), on observe que la vitesse de consommation du glucose est divisée par quatre (effet Pasteur) et que la production d'éthanol cesse complètement. a) Interpréter et justifier, sur le plan bioénergétique, pourquoi les levures consomment beaucoup plus de glucose par unité de temps en anaérobiose qu'en aérobiose pour maintenir le même taux de division cellulaire. b) Si l'on soumettait à ces deux mêmes conditions une culture de cellules musculaires squelettiques au lieu de levures, prévoir quel métabolite organique s'accumulerait lors de la première phase et justifier si du $\text{CO}_2$ serait dégagé. c) Justifier le besoin métabolique commun qui oblige à la fois la levure et la cellule musculaire à réduire le pyruvate lors de la fermentation.

Le cyanure bloque le dernier complexe de la chaîne respiratoire (la cytochrome c oxydase). Prévoir ce qu'il adviendra de la consommation de dioxygène, de la synthèse d'ATP et du devenir du pyruvate dans une cellule intoxiquée, et expliquer pourquoi le cyanure est mortel même en présence de glucose disponible.

Le 2,4-dinitrophénol (DNP) est un découplant : il rend la membrane mitochondriale interne perméable aux protons sans production d'ATP. Prévoir, en le justifiant, ce qu'il adviendra de la consommation de dioxygène, de la synthèse d'ATP et de la température corporelle de la personne qui l'ingère, et expliquer pourquoi il a fini par être utilisé comme coupe-faim avec des conséquences mortelles.

Le monoxyde de carbone se fixe à l'hémoglobine avec plus d'affinité que le dioxygène. a) Expliquer quel effet il a sur le transport de $\text{O}_2$ vers les tissus. b) Expliquer quelles étapes de la respiration cellulaire seront affectées et pourquoi les cellules se mettent à fermenter alors qu'elles disposent de glucose. c) Comparer le mécanisme de toxicité du monoxyde de carbone à celui du cyanure.

Pour vérifier expérimentalement l'hypothèse chimiosmotique, on isole des mitochondries intactes et on les met en suspension dans un milieu à pH 8,0 sans ADP ni substrats oxydables. Après avoir laissé la matrice atteindre ce pH, on les transfère brusquement dans un milieu à pH 4,0 contenant de l'ADP et $\text{P}_i$, en l'absence totale de dioxygène et de donneurs d'électrons. a) Prévoir, en le justifiant, si de l'ATP sera synthétisé dans ces conditions artificielles et décrire le mécanisme biophysique par lequel l'ATP synthase exploite cette situation. b) Que se passerait-il pour la synthèse d'ATP si l'on avait préalablement traité la membrane mitochondriale interne avec une substance ionophore permettant le libre passage des protons ? Justifier la réponse. c) Expliquer pourquoi, dans des conditions physiologiques normales, l'épuisement du dioxygène arrête la phosphorylation oxydative.

On réalise des essais sur des mitochondries isolées auxquelles on fournit différents substrats respiratoires : en apportant du malate (qui génère du NADH intramitochondrial), on enregistre une consommation de $\text{O}_2$ et un rapport de synthèse d'environ $2,5\ \text{ATP}$ par paire d'électrons ; en ajoutant de la roténone (inhibiteur du complexe I), la consommation de $\text{O}_2$ cesse, mais elle est rétablie par l'apport de succinate (qui réduit le FAD en $\text{FADH}_2$), pour un rendement d'environ $1,5\ \text{ATP}$ seulement par paire d'électrons. a) Justifier, aux niveaux moléculaire et chimiosmotique, la cause biophysique de cette différence de rendement énergétique entre les deux substrats. b) Déduire, en le justifiant, ce qu'il adviendrait de la consommation de $\text{O}_2$ et de la synthèse d'ATP à partir du succinate si l'on ajoutait un inhibiteur spécifique du complexe IV (cytochrome c oxydase). c) Dans le muscle squelettique, les électrons du NADH glycolytique entrent dans la chaîne respiratoire par la navette du glycérol-3-phosphate, alors que dans le myocarde ils le font par la navette malate-aspartate. Calculer la différence de bilan net total d'ATP par mole de glucose complètement oxydée entre les deux tissus et justifier la cause métabolique de cette divergence.

On analyse des biopsies musculaires d'un sprinteur pendant une course à effort maximal. Pendant les premières $2$ à $3$ secondes de la course, la concentration cellulaire d'ATP reste presque inchangée ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), tandis que la phosphocréatine chute drastiquement de $25$ à $8\ \text{mmol/kg}$. À partir de la quatrième seconde, le lactate augmente rapidement de $1,5$ à $12\ \text{mmol/kg}$ et la puissance mécanique commence à diminuer.

1. a) Justifier d'un point de vue biochimique pourquoi la concentration d'ATP reste pratiquement constante au début, bien que l'hydrolyse par les myosine-ATPases soit massive.
2. b) Prévoir ce qu'il adviendrait des niveaux d'ATP, de l'accumulation de lactate et de la performance pendant les premières $3$ secondes si l'on administrait aux fibres musculaires un inhibiteur sélectif de la créatine kinase.
3. c) Comparer la vitesse de resynthèse de l'ATP et la capacité totale de production d'énergie du système phosphocréatine avec celles de la respiration mitochondriale, en justifiant pourquoi un athlète ne peut pas maintenir sa vitesse maximale tout au long d'une épreuve de $400\text{ mètres}$.

Lors d'un débat en classe sur l'origine cellulaire, un élève affirme : « Les enzymes de la glycolyse et celles de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale ont dû évoluer en même temps dans les premières cellules vivantes pour éviter l'épuisement du $\text{NAD}^+$ cytosolique ».

1. a) Réfuter l'affirmation de l'élève en apportant deux arguments géochimiques sur les conditions de l'atmosphère de la Terre primitive et un argument évolutif fondé sur la théorie endosymbiotique.
2. b) Si les premiers organismes ne disposaient ni d'oxygène ni de systèmes de transport d'électrons dépendant de membranes complexes, justifier d'un point de vue biochimique la nécessité absolue de coupler la glycolyse à des réactions de fermentation pour la poursuite de la vie cellulaire.
3. c) Prévoir ce qu'il adviendrait d'une bactérie anaérobie stricte, dont la seule voie de régénération du $\text{NAD}^+$ est la fermentation lactique, si une mutation inactivait sa lactate déshydrogénase dans un milieu où le glucose est sa seule source de carbone et d'énergie.