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    Accueil » Activité 4 : Le devenir de l’acide pyruvique en présence du dioxygène (La respiration cellulaire)

    Activité 4 : Le devenir de l’acide pyruvique en présence du dioxygène (La respiration cellulaire)

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    En présence du dioxygène (milieu aérobie), l’acide pyruvique pénètre dans la matrice mitochondriale où il subit une dégradation totale grâce à des réactions biochimiques catalysées par des enzymes.

    A. La mise en évidence du devenir de l’acide pyruvique au niveau de la mitochondrie

    Pour pouvoir préciser le devenir du glucose dans la cellule, on procède à un isolement des mitochondries. Pour cela, on utilise un matériel particulièrement riche en mitochondries comme les cellules de foie de rat.

    Les cellules de foie subissent un broyage modéré. Le broyat est ensuite centrifugé une première fois, ce qui permet de séparer les noyaux des autres constituants cellulaires. La seconde centrifugation à très grande vitesse sépare une fraction riche en mitochondries du reste des constituants cytoplasmiques.

    Le document suivant montre ces différentes étapes.

    Une fois isolées, on place les mitochondries dans un bioréacteur dans un milieu approprié et bien oxygéné. Une sonde à dioxygène (O2) permet de suivre l’évolution de la teneur en dioxygène du milieu.

    On réalise deux manipulations :

    • Manipulation 1 : on ajoute dans le bioréacteur une petite quantité de glucose (C6H12O6)
    • Manipulation 2 : on ajoute du pyruvate (CH3-CO-COOH) au bout de 3 min.
    1. Décrivez les résultats expérimentaux obtenus grâce à cette expérience
    • Avant l’ajout du glucose et du pyruvate dans le milieu, la concentration en O2 reste constante.
    • Après avoir ajouter la solution du   glucose au milieu, on remarque que la concentration en O2 reste toujours constante. Par contre, quand on ajoute une solution de pyruvate dans le milieu, on remarque une diminution de la concentration en O2.
    2. Expliquer ces résultats. Que pouvez-vous en conclure ?

    Explication : on peut expliquer ces résultats par le fait que les mitochondries utilisent et oxydent le pyruvate et non pas le glucose comme métabolite énergétique, à l’inverse des cellules, qui peuvent oxyder le glucose au niveau du cytosol.

    Conclusion : c’est au niveau de la mitochondrie qu’a lieu l’oxydation du pyruvate, une réaction qui nécessite l’O2.

    B. L’oxydation du pyruvate se poursuit dans la matrice mitochondriale

    Dans la matrice, le pyruvate issu de la glycolyse va subir une décarboxylation et une oxydation au cours d’un ensemble de réactions chimiques appelé « cycle de Krebs ».

    Au cours du cycle de Krebs, de nouveaux coenzymes réduits apparaissent (transporteurs d’électrons).

    1. Décrivez à partir des figures ci-dessus, les différentes réactions que subit la molécule d'acide pyruvique au niveau de la matrice mitochondriale.
    L’oxydation du pyruvate dans la mitochondrie à lieu dans la matrice et se fait en deux étapes :
    • Formation de l’Acétyl-coenzyme A : Le pyruvate subit une décarboxylation dont le résultat est le rejet d’une molécule de CO2, ensuite il subit une déshydrogénation, au cours de laquelle le pyruvate perd des électrons (e–) et des protons (H+
    • ), ces derniers sont fixés sur une molécule de NAD+ qui sera réduite en NADN+H+, et à la fin, on obtient un composé appelé l’Acétyl-coenzyme A.
    • Cycle de Krebs : Liaison de chaque acétyl-CoA à une molécule C4 pour former une molécule C6. Cette dernière subit deux décarboxylations et libère 2 CO2, et des déshydrogénations pour donner des composés réduits : 3 NADH+H+ et 1 FADH2 et une phosphorylation qui produit une molécule d’ATP. A la fin de ces réaction il y a régénération de C4 nécessaire pour le déroulement d’un nouveau cycle de Krebs.
    2. Ecrivez les réactions de réduction des transporteurs NAD+ et FAD, et donnez le bilan chimique de l’oxydation totale d’une molécule de pyruvate dans la matrice mitochondriale.
    Réactions de réduction des transporteurs :
    • NAD+ + 2H+ + 2e– ➔ NADH+H+
    • FAD + 2H+ + 2e– ➔ FADH2
    Bilan chimique de l’oxydation totale d’une molécule de pyruvate :
    • 4 NADH+H+
    • 1 FADH2
    • 1 ATP
    • 3 CO2

    C. Les conditions permettant la réoxydation des coenzymes (transporteurs d’électrons)

    Pour mettre en évidence les conditions permettant la réoxydation des coenzymes, on procède à l’étude des données expérimentales suivantes :
    • On place des mitochondries dépourvues de leurs membranes externes dans une solution dépourvue d’oxygène et enrichie de coenzymes réduits (NADH+H+). On suit la variation de la concentration des protons H+ avant et après l’addition d’O2.
    La figure a donne les conditions expérimentales, et la figure b donne les résultats de cette expérience.
    1. En se basant sur les données de la figure b, décrivez l’évolution de la concentration en protons H+.
    On observe qu’avant l’injection d’O2, la concentration des H+ est nulle, mais après l’injection d’O2 il y a une augmentation rapide de la concentration en H+ jusqu’à atteindre une valeur maximale, puis diminue progressivement jusqu’à sa valeur initiale après 4 min.
    2. Expliquez la variation de la concentration des protons H+ enregistrée directement après l’ajout d’O2.

    On explique l’augmentation de la concentration des protons H+ résultant de l’oxydation des coenzymes réduits NADH+H+ dans la solution directement après l’injection d’O2, par leur sortie des mitochondries à travers la membrane interne.

    La diminution progressive des protons H+ est due à leur retour vers la matrice mitochondriale.

    Bilan
    Les molécules de pyruvate issues de la glycolyse subissent une oxydation totale au niveau de la matrice mitochondriale permettant la formation de transporteurs d’électrons et de molécules d’ATP et de CO2.

    Les activités suivantes :

    Activité 5 : Réactions de la chaîne respiratoire : La phosphorylation oxydative

    Activité 6 : Le devenir de l’acide pyruvique en absence du dioxygène (La fermentation)

    Activité 7 : Bilan et rendement énergétique de la respiration cellulaire et de la fermentation

    Ressources numériques recommandées

    La respiration cellulaire – Les Bons Profs

    Comprendre les réactions biochimiques de la respiration cellulaire : glycolyse, cycle de krebs, phosphorylation oxydative.

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