Dans un paragraphe argumenté, expliquer le phénomène d'oxydation complète du glucose lors de la respiration cellulaire.
Que signifie le sigle ATP ?
Le sigle ATP signifie « adénosine triphosphate ». Cette molécule est composée de la base azotée adénine (A) liée au ribose, formant ainsi le nucléoside appelé « adénosine », lui-même lié à trois groupements phosphates successifs.
Comment est libérée l'énergie contenue dans l'ATP ?
C'est l'hydrolyse de l'ATP qui libère de l'énergie utilisable par la cellule. La liaison entre les deux derniers groupements phosphates est rompue par addition d'une molécule d'eau, libérant une molécule d'ADP (adénosine diphosphate) et un phosphate inorganique (Pi) selon l'équation : \ce{H2O} + \text{ATP} \ce{->} \text{ADP} + \text{Pi} + \text{Énergie}.
En quoi consiste la respiration cellulaire ?
La respiration cellulaire consiste en l'oxydation complète d'une molécule organique, dont le glucose. Ces molécules peuvent céder des électrons (oxydation) jusqu'à être totalement oxydées en \ce{CO2}. Les électrons cédés permettent la production d'ATP dans les mitochondries, et sont finalement acceptés par le \ce{O2} qui se retrouve réduit en \ce{H2O}.
Où ont sont situées les différentes voies métaboliques de la respiration cellulaire ?
La glycolyse correspond à la réduction du glucose en deux pyruvates, elle a lieu dans l'hyaloplasme (= cytosol). Les pyruvates sont ensuite complètement oxydés en \ce{CO2} par le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale. Les transporteurs réduits RH,H+ formés durant ces deux voies sont alors oxydés en R+ au niveau de la membrane interne mitochondriale qui abrite les chaînes respiratoires. Le gradient de H+ généré par le passage des électrons dans les chaînes respiratoires est libéré au niveau des crêtes mitochondriales par les ATP synthases, ce qui permet la synthèse d'ATP.
Parmi les affirmations suivantes, laquelle est fausse ?
La respiration cellulaire permet de produire de l'ATP grâce à l'énergie fournie par l'oxydation complète du glucose. Celui-ci est partiellement oxydé en pyruvate dans l'hyaloplasme (= cytosol) par le fonctionnement de la glycolyse. Le pyruvate est alors complètement oxydé en \ce{CO2} par le cycle de Krebs au sein de la matrice mitochondriale. Les électrons cédés par le glucose, transportés par les transporteurs réduits RH,H+ puis à travers la chaîne respiratoire sont finalement acceptés par le \ce{O2} qui se retrouve réduit en \ce{H2O}. En condition anaérobie, cette étape ne peut pas être réalisée et bloque donc le fonctionnement de la respiration cellulaire. Le rendement de la respiration cellulaire est d'environ 38 ATP par molécule de glucose, ce qui représente un rendement énergétique élevé.
Le bon fonctionnement des cellules repose sur un ensemble de réactions métaboliques qui permettent d'en renouveler les constituants (membranes lipidiques, protéines, etc.) ou de réaliser diverses actions (contraction, division, etc.). Or, ces réactions ne sont possibles qu'avec un apport en énergie, principalement fourni par l'hydrolyse de molécules d'ATP (adénosine triphosphate) en ADP (adénosine diphosphate) et en Pi (phosphate inorganique). Cette molécule représente une « monnaie énergétique » universelle au sein de la cellule, qui correspond à un apport d'énergie de 31 kJ/mol. L'ATP n'est pas présente en grande quantité au sein des cellules, mais celles-ci possèdent un moyen efficace d'en reformer à partir d'ADP et de Pi : la respiration cellulaire.
La respiration cellulaire est un ensemble de réactions qui a pour équation bilan simple \ce{C6H12O6} + 6 \ce{O2} \ce{->} 6 \ce{CO2} + 6 \ce{H2O}. À la fin de cette voie métabolique, tous les atomes de carbone du glucose se retrouvent dans les molécules de dioxyde de carbone (\ce{CO2}) et ne peuvent être davantage oxydés (c'est-à-dire céder des électrons), on dit que le glucose a subi une oxydation totale/complète. L'oxydation du glucose en \ce{CO2} est une réaction très énergétique qui s'accompagne d'un transfert de 12 électrons (= réduction) vers le dioxygène (\ce{O2}), qui est converti en eau (\ce{H2O}) et qui ne peut être davantage réduit. Cependant cette réaction ne peut pas s'effectuer directement et se déroule en plusieurs étapes, qui permettront notamment de convertir l'énergie libérée en synthétisant de l'ATP.
La première étape est la glycolyse, qui se déroule dans le cytosol/hyaloplasme. C'est une voie métabolique (c'est-à-dire une succession de réactions enzymatiques) qui convertit le glucose en deux molécules de pyruvates (\ce{C3H3O3-}). L'investissement de deux ATP en début de glycolyse permet la scission du glucose (6 carbones) en deux molécules à 3 carbones, qui sont ensuite oxydées en pyruvate et permettent chacune la synthèse de deux ATP. Au total, deux électrons sont perdus durant l'oxydation en pyruvates et sont transmis à deux transporteurs R+, qui se retrouvent alors réduits en deux RH,H+. La glycolyse produit donc 2 pyruvates, 2 ATP et 2 RH,H+ par molécule de glucose. Le pyruvate est une molécule qui peut encore être oxydée, et qui contient donc encore de l'énergie.
La seconde étape est le cycle de Krebs, qui se déroule dans la matrice mitochondriale. Chaque molécule de pyruvate est complètement oxydée en 3 \ce{CO2}, tandis que les 5 électrons perdus sont transférés à 5 R+ qui sont donc réduits en 5 RH,H+. De plus, 1 ATP est directement produit par molécule de pyruvate oxydé. Cette voie métabolique produit ainsi 6 \ce{CO2}, 10 RH,H+ et 2 ATP par molécule de glucose, qui a donc été totalement oxydé.
Cependant, une partie de l'énergie contenue dans le glucose a été transférée aux 12 transporteurs RH,H+. L'oxydation de ces molécules au niveau de la chaîne respiratoire contenue dans la membrane interne mitochondriale permet de régénérer des formes oxydées R+, et de transférer les 12 électrons à 6 molécules de \ce{O2} qui sont alors réduites en 6 \ce{H2O}. Ce transit d'électrons dans la chaîne respiratoire fournit surtout l'énergie nécessaire à pomper des protons (H+) en les transférant de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Les ATP synthases présentes dans la membrane interne au niveau des crêtes mitochondriales permettent finalement aux protons de retourner dans la matrice, et convertissent l'énergie libérée par leur passage en ATP. Environ 34 ATP sont ainsi produites par molécule de glucose.
En conclusion, la respiration cellulaire est composée de nombreuses étapes qui se déroulent dans le cytosol puis les mitochondries des cellules eucaryotes (uniquement dans le cytoplasme chez les bactéries, qui n'ont pas de mitochondries), et permet la synthèse d'environ 38 molécules d'ATP par l'oxydation complète d'une molécule de glucose. Elle nécessite cependant la présence de \ce{O2} qui joue l'accepteur finale d'électrons, et n'est donc possible qu'en conditions aérobies.