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4.E : Comment les cellules obtiennent-elles de l'énergie (exercices) - Biologie

4.E : Comment les cellules obtiennent-elles de l'énergie (exercices) - Biologie



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4.1 : Énergie et métabolisme

Les cellules remplissent les fonctions de la vie à travers diverses réactions chimiques. Dans l'étude de l'énergie, le terme système fait référence à la matière et à l'environnement impliqués dans les transferts d'énergie.

Questions de révision

Lequel des éléments suivants n'est pas un exemple de transformation d'énergie ?

A. Réchauffer le dîner au micro-ondes
B. Les panneaux solaires au travail
C. Formation d'électricité statique
D. Aucune des réponses ci-dessus

Lequel des énoncés suivants n'est pas vrai à propos des enzymes ?

A. Ils sont consommés par les réactions qu'ils catalysent.
B. Ils sont généralement constitués d'acides aminés.
C. Ils abaissent l'énergie d'activation des réactions chimiques.
D. Chacun est spécifique au(x) substrat(s) particulier(s) auquel(s) il se lie.

UNE

Réponse libre

L'exercice physique pour augmenter la masse musculaire implique-t-il des processus anabolisants et/ou cataboliques ? Justifiez votre réponse.

L'exercice physique implique à la fois des processus anaboliques et cataboliques. Les cellules du corps décomposent les sucres pour fournir de l'ATP pour effectuer le travail nécessaire à l'exercice, comme les contractions musculaires. C'est le catabolisme. Les cellules musculaires doivent également réparer les tissus musculaires endommagés par l'exercice en construisant de nouveaux muscles. C'est l'anabolisme.

Expliquez dans vos propres termes la différence entre une réaction spontanée et une réaction instantanée, et ce qui cause cette différence.

Une réaction spontanée est une réaction qui a un G négatif et libère ainsi de l'énergie. Cependant, une réaction spontanée n'a pas besoin de se produire rapidement ou soudainement comme une réaction instantanée. Il peut se produire sur de longues périodes de temps en raison d'une grande énergie d'activation, ce qui empêche la réaction de se produire rapidement.

Concernant les enzymes, pourquoi les vitamines et minéraux sont-ils nécessaires à une bonne santé ? Donne des exemples.

La plupart des vitamines et minéraux agissent comme cofacteurs et coenzymes pour l'action enzymatique. De nombreuses enzymes nécessitent la liaison de certains cofacteurs ou coenzymes pour pouvoir catalyser leurs réactions. Étant donné que les enzymes catalysent de nombreuses réactions importantes, il est essentiel d'obtenir suffisamment de vitamines et de minéraux à partir de l'alimentation et des suppléments. La vitamine C (acide ascorbique) est une coenzyme nécessaire à l'action des enzymes qui construisent le collagène.

4.2 : Glycolyse

L'ATP fonctionne comme la monnaie énergétique des cellules. Il permet aux cellules de stocker brièvement de l'énergie et de la transporter en elle-même pour favoriser les réactions chimiques endergoniques. La structure de l'ATP est celle d'un nucléotide d'ARN avec trois groupes phosphate attachés. Comme l'ATP est utilisé pour l'énergie, un groupe phosphate est détaché et l'ADP est produit. L'énergie dérivée du catabolisme du glucose est utilisée pour recharger l'ADP en ATP. La glycolyse est la première voie utilisée dans la dégradation du glucose pour extraire de l'énergie.

Choix multiple

L'énergie est stockée à long terme dans les liaisons de _____ et utilisée à court terme pour effectuer un travail à partir d'une (n) molécule _____.

A. ATP : glucose
B. une molécule anabolique : molécule catabolique
C. glucose : ATP
D. une molécule catabolique : molécule anabolique

C

La devise énergétique utilisée par les cellules est _____.

A. ATP
B. ADP
CAMP
D. adénosine

UNE

Le glucose qui entre dans la voie de la glycolyse est divisé en deux molécules de _________.

A. phosphate
C. NADH
D. pyruvate

Réponse libre

Les organismes procaryotes et eucaryotes effectuent une certaine forme de glycolyse. Comment ce fait soutient-il ou non l'affirmation selon laquelle la glycolyse est l'une des voies métaboliques les plus anciennes ?

Si la glycolyse évoluait relativement tard, elle ne serait probablement pas aussi universelle dans les organismes qu'elle l'est. Il a probablement évolué dans des organismes très primitifs et a persisté, avec l'ajout d'autres voies de métabolisme des glucides qui ont évolué plus tard.

4.3 : Cycle de l'acide citrique et phosphorylation oxydative

Le cycle de l'acide citrique est une série de réactions chimiques qui élimine les électrons de haute énergie et les utilise dans la chaîne de transport d'électrons pour générer de l'ATP. Une molécule d'ATP (ou un équivalent) est produite à chaque tour du cycle. La chaîne de transport d'électrons est la partie de la respiration aérobie qui utilise l'oxygène libre comme accepteur final d'électrons pour les électrons retirés des composés intermédiaires dans le catabolisme du glucose.

Choix multiple

Que font les électrons ajoutés au NAD+ faire?

A. Ils font partie d'une voie de fermentation.
B. Ils vont vers une autre voie pour la production d'ATP.
C. Ils dynamisent l'entrée du groupe acétyle dans le cycle de l'acide citrique.
D. Ils sont convertis en NADP.

B

La chimiosmose implique

A. le mouvement des électrons à travers la membrane cellulaire
B. le mouvement des atomes d'hydrogène à travers une membrane mitochondriale
C. le mouvement des ions hydrogène à travers une membrane mitochondriale
D. le mouvement du glucose à travers la membrane cellulaire

C

Réponse libre

Nous inhalons de l'oxygène lorsque nous respirons et expirons du dioxyde de carbone. A quoi sert l'oxygène et d'où vient le dioxyde de carbone ?

L'oxygène que nous inhalons est l'accepteur final d'électrons dans la chaîne de transport d'électrons et permet la respiration aérobie, qui est la voie la plus efficace pour récupérer l'énergie sous forme d'ATP à partir de molécules alimentaires. Le dioxyde de carbone que nous expirons se forme pendant le cycle de l'acide citrique lorsque les liaisons des composés carbonés sont rompues.

4.4 : Fermentation

Si le NADH ne peut pas être métabolisé par respiration aérobie, un autre accepteur d'électrons est utilisé. La plupart des organismes utiliseront une forme de fermentation pour accomplir la régénération du NAD+, assurant la poursuite de la glycolyse. La régénération du NAD+ en fermentation ne s'accompagne pas de production d'ATP ; par conséquent, le potentiel du NADH à produire de l'ATP en utilisant une chaîne de transport d'électrons n'est pas utilisé.

Questions de révision

Laquelle des méthodes de fermentation suivantes peut se produire dans les muscles squelettiques des animaux ?

A. fermentation lactique
B. fermentation alcoolique
C. fermentation acide mixte
D. fermentation propionique

UNE

Réponse libre

Lorsque les cellules musculaires manquent d'oxygène, qu'arrive-t-il au potentiel d'extraction d'énergie à partir des sucres et quelles voies la cellule utilise-t-elle ?

Sans oxygène, la phosphorylation oxydative et le cycle de l'acide citrique s'arrêtent, de sorte que l'ATP n'est plus généré par ce mécanisme, qui extrait la plus grande quantité d'énergie d'une molécule de sucre. De plus, le NADH s'accumule, empêchant la glycolyse d'avancer en raison d'une absence de NAD+. La fermentation lactique utilise les électrons du NADH pour générer de l'acide lactique à partir du pyruvate, ce qui permet à la glycolyse de se poursuivre et ainsi une plus petite quantité d'ATP peut être générée par la cellule.

4.5 : Liens avec d'autres voies métaboliques

Les voies métaboliques doivent être considérées comme poreuses, c'est-à-dire que les substances entrent par d'autres voies et que d'autres substances partent pour d'autres voies. Ces voies ne sont pas des systèmes fermés. De nombreux produits dans une voie particulière sont des réactifs dans d'autres voies.

Choix multiple

Le cholestérol synthétisé par les cellules prend comme point de départ quel composant de la voie glycolytique ?

A. glucose
B. acétyl-CoA
C. pyruvate
D. dioxyde de carbone

B

L'oxydation bêta est ________.

A. la dégradation des sucres
B. l'assemblage des sucres
C. la dégradation des acides gras
D. l'élimination des groupes aminés des acides aminés

C

Réponse libre

Décririez-vous les voies métaboliques comme intrinsèquement inutiles ou intrinsèquement économiques, et pourquoi ?

Ils sont très économiques. Les substrats, les intermédiaires et les produits se déplacent entre les voies et le font en réponse à des boucles de rétro-inhibition finement réglées qui maintiennent le métabolisme global sur un pied d'égalité. Les intermédiaires d'une voie peuvent se produire dans une autre et ils peuvent se déplacer d'une voie à une autre de manière fluide en réponse aux besoins de la cellule.


Chapitre 4 : Introduction à la façon dont les cellules obtiennent de l'énergie

Figure 4.1 Un colibri a besoin d'énergie pour maintenir un vol prolongé. L'oiseau tire son énergie de l'absorption de nourriture et de la transformation de l'énergie contenue dans les molécules alimentaires en des formes d'énergie pour propulser son vol à travers une série de réactions biochimiques. (crédit : modification d'œuvre par Cory Zanker)

Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. L'énergie est nécessaire pour effectuer un travail pénible et faire de l'exercice, mais les humains utilisent également de l'énergie en pensant et même pendant le sommeil. En fait, les cellules vivantes de chaque organisme utilisent constamment de l'énergie. Les nutriments et autres molécules sont importés dans la cellule, métabolisés (décomposés) et éventuellement synthétisés en de nouvelles molécules, modifiés si nécessaire, transportés dans la cellule et éventuellement distribués dans l'organisme entier. Par exemple, les grosses protéines qui composent les muscles sont constituées de molécules plus petites importées d'acides aminés alimentaires. Les glucides complexes sont décomposés en sucres simples que la cellule utilise pour produire de l'énergie. Tout comme l'énergie est nécessaire à la fois pour construire et démolir un bâtiment, de l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition de bactéries et de virus pathogènes, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent de l'énergie. D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Ce chapitre traitera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie. Ce chapitre décrira également comment les cellules utilisent l'énergie et la reconstituent, et comment les réactions chimiques dans la cellule sont effectuées avec une grande efficacité.


Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. L'énergie est nécessaire pour effectuer un travail pénible et faire de l'exercice, mais les humains utilisent également de l'énergie en pensant et même pendant le sommeil. En fait, les cellules vivantes de chaque organisme utilisent constamment de l'énergie. Les nutriments et autres molécules sont importés dans la cellule, métabolisés (décomposés) et éventuellement synthétisés en de nouvelles molécules, modifiés si nécessaire, transportés dans la cellule et éventuellement distribués dans l'organisme entier. Par exemple, les grosses protéines qui composent les muscles sont constituées de molécules plus petites importées d'acides aminés alimentaires. Les glucides complexes sont décomposés en sucres simples que la cellule utilise pour produire de l'énergie. Tout comme l'énergie est nécessaire à la fois pour construire et démolir un bâtiment, de l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition de bactéries et de virus pathogènes, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent de l'énergie. D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Ce chapitre traitera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie. Ce chapitre décrira également comment les cellules utilisent l'énergie et la reconstituent, et comment les réactions chimiques dans la cellule sont effectuées avec une grande efficacité.

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Expliquer quelles sont les voies métaboliques
  • Énoncer les première et deuxième lois de la thermodynamique
  • Expliquer la différence entre l'énergie cinétique et potentielle
  • Décrire les réactions endergoniques et exergoniques
  • Discuter du fonctionnement des enzymes en tant que catalyseurs moléculaires

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour décrire le concept de flux d'énergie (Figure) à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par des réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Tout comme les êtres vivants doivent continuellement consommer de la nourriture pour reconstituer leurs réserves d'énergie, les cellules doivent continuellement produire plus d'énergie pour reconstituer celle utilisée par les nombreuses réactions chimiques exigeantes en énergie qui se produisent constamment. Ensemble, toutes les réactions chimiques qui ont lieu à l'intérieur des cellules, y compris celles qui consomment ou génèrent de l'énergie, sont appelées les métabolisme.

Figure 4.2 En fin de compte, la plupart des formes de vie tirent leur énergie du soleil. Les plantes utilisent la photosynthèse pour capter la lumière du soleil et les herbivores mangent les plantes pour obtenir de l'énergie. Les carnivores mangent les herbivores et la décomposition éventuelle des matières végétales et animales contribue à la réserve de nutriments.

Voies métaboliques

Considérez le métabolisme du sucre. C'est un exemple classique de l'un des nombreux processus cellulaires qui utilisent et produisent de l'énergie. Les êtres vivants consomment des sucres comme source d'énergie majeure, car les molécules de sucre ont une grande quantité d'énergie stockée dans leurs liaisons. Pour la plupart, les organismes photosynthétiques comme les plantes produisent ces sucres. Au cours de la photosynthèse, les plantes utilisent de l'énergie (à l'origine de la lumière du soleil) pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) en molécules de sucre (comme le glucose : C6H12O6). Ils consomment du dioxyde de carbone et produisent de l'oxygène en tant que déchet. Cette réaction se résume ainsi :

Étant donné que ce processus implique la synthèse d'une molécule stockant de l'énergie, il nécessite un apport d'énergie pour se poursuivre. Au cours des réactions lumineuses de la photosynthèse, l'énergie est fournie par une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP), qui est la principale monnaie d'énergie de toutes les cellules. Tout comme le dollar est utilisé comme monnaie pour acheter des biens, les cellules utilisent des molécules d'ATP comme monnaie énergétique pour effectuer un travail immédiat. En revanche, les molécules de stockage d'énergie telles que le glucose ne sont consommées que pour être décomposées afin d'utiliser leur énergie. La réaction qui récupère l'énergie d'une molécule de sucre dans les cellules nécessitant de l'oxygène pour survivre peut être résumée par la réaction inverse à la photosynthèse. Dans cette réaction, de l'oxygène est consommé et du dioxyde de carbone est libéré sous forme de déchet. La réaction se résume ainsi :

Ces deux réactions impliquent de nombreuses étapes.

Les processus de fabrication et de décomposition des molécules de sucre illustrent deux exemples de voies métaboliques. Une voie métabolique est une série de réactions chimiques qui prennent une molécule de départ et la modifient, étape par étape, à travers une série d'intermédiaires métaboliques, pour finalement aboutir à un produit final. Dans l'exemple du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétise le sucre à partir de molécules plus petites, et l'autre voie décompose le sucre en molécules plus petites. Ces deux processus opposés, le premier nécessitant de l'énergie et le second produisant de l'énergie, sont appelés anabolisant voies (polymères de construction) et catabolique voies (dégradation des polymères en leurs monomères), respectivement. Par conséquent, le métabolisme est composé de synthèse (anabolisme) et de dégradation (catabolisme) (Figure 4.3).

Il est important de savoir que les réactions chimiques des voies métaboliques ne se produisent pas d'elles-mêmes. Chaque étape de la réaction est facilitée, ou catalysée, par une protéine appelée enzyme. Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques, celles qui nécessitent de l'énergie ainsi que celles qui libèrent de l'énergie.

Figure 4.3 Les voies cataboliques sont celles qui génèrent de l'énergie en décomposant des molécules plus grosses. Les voies anaboliques sont celles qui nécessitent de l'énergie pour synthétiser des molécules plus grosses. Les deux types de voies sont nécessaires pour maintenir l'équilibre énergétique de la cellule.

Énergie

Thermodynamique fait référence à l'étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant la matière physique. La matière relative à un cas particulier de transfert d'énergie est appelée un système, et tout ce qui se trouve en dehors de cette matière est appelé l'environnement. Par exemple, lorsque vous chauffez une casserole d'eau sur le poêle, le système comprend le poêle, la casserole et l'eau. L'énergie est transférée à l'intérieur du système (entre le poêle, la marmite et l'eau). Il existe deux types de systèmes : ouverts et fermés. Dans un système ouvert, l'énergie peut être échangée avec son environnement. Le système de cuisinière est ouvert car la chaleur peut être perdue dans l'air. Un système fermé ne peut pas échanger d'énergie avec son environnement.

Les organismes biologiques sont des systèmes ouverts. L'énergie est échangée entre eux et leur environnement car ils utilisent l'énergie du soleil pour effectuer la photosynthèse ou consomment des molécules stockant de l'énergie et libèrent de l'énergie dans l'environnement en effectuant un travail et en libérant de la chaleur. Comme toutes les choses dans le monde physique, l'énergie est soumise à des lois physiques. Les lois de la thermodynamique régissent le transfert d'énergie dans et entre tous les systèmes de l'univers.

En général, l'énergie est définie comme la capacité de faire un travail ou de créer une sorte de changement. L'énergie existe sous différentes formes. Par exemple, l'énergie électrique, l'énergie lumineuse et l'énergie thermique sont toutes des types d'énergie différents. Pour apprécier la façon dont l'énergie entre et sort des systèmes biologiques, il est important de comprendre deux des lois physiques qui régissent l'énergie.

Thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante et conservée. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. L'énergie existe sous de nombreuses formes différentes. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre ou transformée en différentes formes, mais elle ne peut pas être créée ou détruite. Les transferts et transformations d'énergie ont lieu tout le temps autour de nous. Les ampoules transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique. Les poêles à gaz transforment l'énergie chimique du gaz naturel en énergie thermique. Les plantes effectuent l'une des transformations énergétiques les plus biologiquement utiles sur terre : celle de convertir l'énergie de la lumière du soleil en énergie chimique stockée dans des molécules organiques. (Figure 4.2). Quelques exemples de transformations d'énergie sont montrés dans Graphique 4.4.

Le défi pour tous les organismes vivants est d'obtenir de l'énergie de leur environnement sous des formes qu'ils peuvent transférer ou transformer en énergie utilisable pour effectuer un travail. Les cellules vivantes ont évolué pour relever ce défi. L'énergie chimique stockée dans les molécules organiques telles que les sucres et les graisses est transférée et transformée par une série de réactions chimiques cellulaires en énergie dans les molécules d'ATP. L'énergie contenue dans les molécules d'ATP est facilement accessible pour effectuer un travail. Des exemples des types de travail que les cellules doivent effectuer comprennent la construction de molécules complexes, le transport de matériaux, l'alimentation du mouvement des cils ou des flagelles et la contraction des fibres musculaires pour créer un mouvement.

Figure 4.4 Voici quelques exemples d'énergie transférée et transformée d'un système à un autre et d'une forme à une autre. La nourriture que nous consommons fournit à nos cellules l'énergie nécessaire à l'accomplissement des fonctions corporelles, tout comme l'énergie lumineuse fournit aux plantes les moyens de créer l'énergie chimique dont elles ont besoin. (crédit « ice cream » : modification d'œuvre par D. Sharon Pruitt crédit « kids » : modification d'œuvre par Max de Providence crédit « leaf » : modification d'œuvre par Cory Zanker)

Les tâches principales d'une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser de l'énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. Cependant, la deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu'il n'y paraît. Tous les transferts et transformations d'énergie ne sont jamais complètement efficaces. Dans chaque transfert d'énergie, une certaine quantité d'énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l'énergie thermique. Thermodynamiquement, énergie thermique est défini comme l'énergie transférée d'un système à un autre qui ne fonctionne pas. Par exemple, lorsqu'une ampoule est allumée, une partie de l'énergie convertie de l'énergie électrique en énergie lumineuse est perdue sous forme d'énergie thermique. De même, une partie de l'énergie est perdue sous forme d'énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui d'ordre et de désordre. Plus un système perd d'énergie dans son environnement, moins le système est ordonné et aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système. Une entropie élevée signifie un désordre élevé et une faible énergie. Les molécules et les réactions chimiques ont également une entropie variable. Par exemple, l'entropie augmente à mesure que les molécules à forte concentration en un seul endroit diffusent et s'étalent. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l'énergie sera toujours perdue sous forme de chaleur lors de transferts ou de transformations d'énergie.

Les êtres vivants sont très ordonnés, nécessitant un apport constant d'énergie pour être maintenus dans un état de faible entropie.

Énergie potentielle et cinétique

Lorsqu'un objet est en mouvement, il y a de l'énergie associée à cet objet. Pensez à une boule de démolition. Même une boule de démolition lente peut faire beaucoup de dégâts à d'autres objets. L'énergie associée aux objets en mouvement est appelée énergie cinétique (Figure 4.5). Une balle qui accélère, une personne qui marche et le mouvement rapide des molécules dans l'air (qui produit de la chaleur) ont tous une énergie cinétique.

Et si cette même boule de démolition immobile était soulevée à deux étages au-dessus du sol avec une grue ? Si la boule de démolition suspendue ne bouge pas, y a-t-il de l'énergie qui lui est associée ? La réponse est oui. L'énergie qui était nécessaire pour soulever la boule de démolition n'a pas disparu, mais est maintenant stockée dans la boule de démolition en raison de sa position et de la force de gravité agissant sur elle. Ce type d'énergie est appelé énergie potentielle (Figure 4.5). Si la balle tombait, l'énergie potentielle serait transformée en énergie cinétique jusqu'à ce que toute l'énergie potentielle soit épuisée lorsque la balle repose sur le sol. Les boules de démolition se balancent également comme un pendule à travers la balançoire, il y a un changement constant d'énergie potentielle (la plus élevée en haut de la balançoire) en énergie cinétique (la plus élevée en bas de la balançoire). D'autres exemples d'énergie potentielle incluent l'énergie de l'eau retenue derrière un barrage ou une personne sur le point de sauter en parachute d'un avion.

Figure 4.5 L'eau plate a une énergie potentielle. L'eau en mouvement, comme dans une chute d'eau ou une rivière à courant rapide, a une énergie cinétique. (crédit « barrage » : modification d'œuvre par « Pascal »/crédit Flickr « cascade » : modification d'œuvre par Frank Gualtieri)

L'énergie potentielle n'est pas seulement associée à l'emplacement de la matière, mais aussi à la structure de la matière. Même un ressort au sol a de l'énergie potentielle s'il est comprimé, de même qu'un élastique qui est tendu. Au niveau moléculaire, les liaisons qui maintiennent les atomes des molécules ensemble existent dans une structure particulière qui a une énergie potentielle. N'oubliez pas que les voies cellulaires anaboliques nécessitent de l'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples et que les voies cataboliques libèrent de l'énergie lorsque des molécules complexes sont décomposées. Le fait que l'énergie puisse être libérée par la rupture de certaines liaisons chimiques implique que ces liaisons ont une énergie potentielle. En fait, il y a de l'énergie potentielle stockée dans les liaisons de toutes les molécules alimentaires que nous mangeons, qui est finalement exploitée pour être utilisée. En effet, ces liaisons peuvent libérer de l'énergie lorsqu'elles sont rompues. Le type d'énergie potentielle qui existe dans les liaisons chimiques et qui est libérée lorsque ces liaisons sont rompues est appelé énergie chimique. L'énergie chimique est responsable de fournir aux cellules vivantes de l'énergie provenant de la nourriture. La libération d'énergie se produit lorsque les liaisons moléculaires au sein des molécules alimentaires sont rompues.

CONCEPT EN ACTION

Visitez le site (http://openstaxcollege.org/l/simple_pendulu2) et sélectionnez « Pendule » dans le menu « Travail et énergie » pour voir le changement d'énergie cinétique et potentielle d'un pendule en mouvement.

Énergie libre et d'activation

Après avoir appris que les réactions chimiques libèrent de l'énergie lorsque les liaisons de stockage d'énergie sont rompues, une prochaine question importante est la suivante : comment l'énergie associée à ces réactions chimiques est-elle quantifiée et exprimée ? Comment l'énergie libérée par une réaction peut-elle être comparée à celle d'une autre réaction ? Une mesure de l'énergie libre est utilisée pour quantifier ces transferts d'énergie. Rappelons que selon la deuxième loi de la thermodynamique, tous les transferts d'énergie impliquent la perte d'une certaine quantité d'énergie sous une forme inutilisable telle que la chaleur. L'énergie libre fait spécifiquement référence à l'énergie associée à une réaction chimique qui est disponible après la prise en compte des pertes. En d'autres termes, l'énergie gratuite est l'énergie utilisable, ou l'énergie disponible pour effectuer un travail.

Si de l'énergie est libérée au cours d'une réaction chimique, le changement d'énergie libre, signifié par ∆G (delta G) sera un nombre négatif. Une variation négative de l'énergie libre signifie également que les produits de la réaction ont moins d'énergie libre que les réactifs, car ils libèrent de l'énergie libre pendant la réaction. Les réactions qui ont une variation négative de l'énergie libre et libèrent par conséquent de l'énergie libre sont appelées réactions exergoniques. Pensez : exergonic signifie que l'énergie sort du système. Ces réactions sont également appelées réactions spontanées et leurs produits ont moins d'énergie stockée que les réactifs. Une distinction importante doit être faite entre le terme spontané et l'idée d'une réaction chimique se produisant immédiatement. Contrairement à l'usage courant du terme, une réaction spontanée n'est pas une réaction soudaine ou rapide. La rouille du fer est un exemple de réaction spontanée qui se produit lentement, petit à petit, au fil du temps.

Si une réaction chimique absorbe de l'énergie plutôt que de libérer de l'énergie dans l'ensemble, alors le G pour cette réaction sera une valeur positive. Dans ce cas, les produits ont plus d'énergie libre que les réactifs. Ainsi, les produits de ces réactions peuvent être considérés comme des molécules de stockage d'énergie. Ces réactions chimiques sont appelées réactions endergoniques et ils ne sont pas spontanés. Une réaction endergonique n'aura pas lieu d'elle-même sans l'ajout d'énergie libre.

CONNEXION ARTISTIQUE

Figure 4.6 Voici quelques exemples de processus endergoniques (ceux qui nécessitent de l'énergie) et exergoniques (ceux qui libèrent de l'énergie). (crédit a : modification du travail par Natalie Maynor crédit b : modification du travail par USDA crédit c : modification du travail par Cory Zanker crédit d : modification du travail par Harry Malsch)

Regardez chacun des processus montrés et décidez s'il est endergonique ou exergonique.

Il existe un autre concept important qui doit être pris en compte concernant les réactions endergoniques et exergoniques. Les réactions exergoniques nécessitent une petite quantité d'énergie pour démarrer, avant de pouvoir procéder à leurs étapes de libération d'énergie. Ces réactions ont une libération nette d'énergie, mais nécessitent toujours un apport d'énergie au début. Cette petite quantité d'énergie nécessaire pour que toutes les réactions chimiques se produisent s'appelle l'énergie d'activation.

CONCEPT EN ACTION

Regardez une animation (http://openstaxcollege.org/l/energy_reactio2) du passage de l'énergie libre à l'état de transition de la réaction.

Enzymes

Une substance qui aide une réaction chimique à se produire est appelée catalyseur, et les molécules qui catalysent les réactions biochimiques sont appelées enzymes. La plupart des enzymes sont des protéines et effectuent la tâche critique d'abaisser les énergies d'activation des réactions chimiques à l'intérieur de la cellule. La plupart des réactions critiques pour une cellule vivante se produisent trop lentement à des températures normales pour être utiles à la cellule. Sans enzymes pour accélérer ces réactions, la vie ne pourrait pas persister. Les enzymes le font en se liant aux molécules réactives et en les retenant de manière à faciliter les processus de rupture et de formation des liaisons chimiques. Il est important de se rappeler que les enzymes ne changent pas si une réaction est exergonique (spontanée) ou endergonique. En effet, ils ne modifient pas l'énergie libre des réactifs ou des produits. Ils ne font que réduire l'énergie d'activation nécessaire pour que la réaction avance (Figure 4.7). De plus, une enzyme elle-même n'est pas modifiée par la réaction qu'elle catalyse. Une fois qu'une réaction a été catalysée, l'enzyme est capable de participer à d'autres réactions.

Figure 4.7 Les enzymes abaissent l'énergie d'activation de la réaction mais ne modifient pas l'énergie libre de la réaction.

Les réactifs chimiques auxquels une enzyme se lie sont appelés les substrats. Il peut y avoir un ou plusieurs substrats, selon la réaction chimique particulière. Dans certaines réactions, un seul substrat réactif est décomposé en plusieurs produits. Dans d'autres, deux substrats peuvent se réunir pour créer une molécule plus grosse. Deux réactifs peuvent également entrer dans une réaction et tous deux se modifier, mais ils quittent la réaction sous forme de deux produits. L'emplacement dans l'enzyme où le substrat se lie est appelé l'enzyme site actif. Le site actif est l'endroit où "l'action" se produit. Puisque les enzymes sont des protéines, il existe une combinaison unique de chaînes latérales d'acides aminés au sein du site actif. Chaque chaîne latérale est caractérisée par des propriétés différentes. Ils peuvent être gros ou petits, faiblement acides ou basiques, hydrophiles ou hydrophobes, chargés positivement ou négativement, ou neutres. La combinaison unique de chaînes latérales crée un environnement chimique très spécifique au sein du site actif. Cet environnement spécifique est adapté pour se lier à un ou des substrats chimiques spécifiques.

Les sites actifs sont soumis aux influences de l'environnement local. L'augmentation de la température ambiante augmente généralement les vitesses de réaction, catalysées par des enzymes ou non. Cependant, les températures en dehors d'une plage optimale réduisent la vitesse à laquelle une enzyme catalyse une réaction. Les températures chaudes finiront par provoquer la dénaturation des enzymes, un changement irréversible de la forme tridimensionnelle et donc de la fonction de l'enzyme. Les enzymes sont également adaptées pour fonctionner au mieux dans une certaine plage de pH et de concentration en sel et, comme pour la température, un pH extrême et des concentrations en sel peuvent entraîner la dénaturation des enzymes.

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont pensé que la liaison enzyme-substrat s'effectuait d'une simple « serrure et clé ». Ce modèle affirmait que l'enzyme et le substrat s'assemblaient parfaitement en une seule étape instantanée. Cependant, les recherches actuelles soutiennent un modèle appelé ajustement induit (Figure 4.8 ). Le modèle d'ajustement induit s'étend sur le modèle de verrouillage et de clé en décrivant une liaison plus dynamique entre l'enzyme et le substrat. Au fur et à mesure que l'enzyme et le substrat se rejoignent, leur interaction provoque un léger changement dans la structure de l'enzyme qui forme un arrangement de liaison idéal entre l'enzyme et le substrat.

CONCEPT EN ACTION

Lorsqu'une enzyme se lie à son substrat, un complexe enzyme-substrat se forme. Ce complexe abaisse l'énergie d'activation de la réaction et favorise sa progression rapide de l'une des multiples manières possibles. À un niveau basique, les enzymes favorisent les réactions chimiques qui impliquent plus d'un substrat en rassemblant les substrats dans une orientation optimale pour la réaction. Une autre manière dont les enzymes favorisent la réaction de leurs substrats est de créer un environnement optimal au sein du site actif pour que la réaction se produise. Les propriétés chimiques qui émergent de l'arrangement particulier des groupes d'acides aminés R au sein d'un site actif créent l'environnement parfait pour que les substrats spécifiques d'une enzyme réagissent.

Le complexe enzyme-substrat peut également abaisser l'énergie d'activation en compromettant la structure de la liaison afin qu'elle soit plus facile à rompre. Enfin, les enzymes peuvent également abaisser les énergies d'activation en participant à la réaction chimique elle-même. Dans ces cas, il est important de se rappeler que l'enzyme reviendra toujours à son état d'origine à la fin de la réaction. L'une des propriétés distinctives des enzymes est qu'elles restent finalement inchangées par les réactions qu'elles catalysent. Une fois qu'une enzyme a catalysé une réaction, elle libère son ou ses produits et peut catalyser une nouvelle réaction.

Figure 4.8 Le modèle d'ajustement induit est un ajustement au modèle lock-and-key et explique comment les enzymes et les substrats subissent des modifications dynamiques pendant l'état de transition pour augmenter l'affinité du substrat pour le site actif.

Il semblerait idéal d'avoir un scénario dans lequel toutes les enzymes d'un organisme existent en abondance et fonctionnent de manière optimale dans toutes les conditions cellulaires, dans toutes les cellules, à tout moment. Cependant, divers mécanismes garantissent que cela ne se produise pas. Les besoins et les conditions cellulaires varient constamment d'une cellule à l'autre et changent au sein des cellules individuelles au fil du temps. Les enzymes requises des cellules de l'estomac diffèrent de celles des cellules de stockage des graisses, des cellules de la peau, des cellules sanguines et des cellules nerveuses. De plus, une cellule d'un organe digestif travaille beaucoup plus dur pour traiter et décomposer les nutriments pendant le temps qui suit de près un repas par rapport à plusieurs heures après un repas. Comme ces exigences et conditions cellulaires varient, il en va de même pour les quantités et la fonctionnalité des différentes enzymes.

Étant donné que les vitesses des réactions biochimiques sont contrôlées par l'énergie d'activation et que les enzymes diminuent et déterminent les énergies d'activation pour les réactions chimiques, les quantités relatives et le fonctionnement de la variété d'enzymes dans une cellule déterminent en fin de compte quelles réactions se dérouleront et à quelles vitesses. Cette détermination est étroitement contrôlée dans les cellules. Dans certains environnements cellulaires, l'activité enzymatique est en partie contrôlée par des facteurs environnementaux tels que le pH, la température, la concentration en sel et, dans certains cas, des cofacteurs ou des coenzymes.

Les enzymes peuvent également être régulées de manière à favoriser ou à réduire l'activité enzymatique. Il existe de nombreux types de molécules qui inhibent ou favorisent la fonction enzymatique, et divers mécanismes par lesquels elles le font. Dans certains cas d'inhibition enzymatique, une molécule inhibitrice est suffisamment similaire à un substrat pour qu'elle puisse se lier au site actif et simplement bloquer la liaison du substrat. Lorsque cela se produit, l'enzyme est inhibée par inhibition compétitive, car une molécule inhibitrice entre en compétition avec le substrat pour se lier au site actif.

D'autre part, dans inhibition non compétitive, une molécule inhibitrice se lie à l'enzyme à un emplacement autre que le site actif, appelé site allostérique, mais parvient toujours à bloquer la liaison du substrat au site actif. Certaines molécules inhibitrices se lient aux enzymes à un endroit où leur liaison induit un changement de conformation qui réduit l'affinité de l'enzyme pour son substrat. Ce type d'inhibition est appelé inhibition allostérique (Figure 4.9). La plupart des enzymes régulées allostériquement sont constituées de plus d'un polypeptide, ce qui signifie qu'elles ont plus d'une sous-unité protéique. Lorsqu'un inhibiteur allostérique se lie à une région d'une enzyme, tous les sites actifs sur les sous-unités protéiques sont légèrement modifiés de sorte qu'ils se lient à leurs substrats avec moins d'efficacité. Il existe des activateurs allostériques ainsi que des inhibiteurs. Les activateurs allostériques se lient à des emplacements sur une enzyme éloignés du site actif, induisant un changement de conformation qui augmente l'affinité du ou des sites actifs de l'enzyme pour son ou ses substrats. (Figure 4.9).

Figure 4.9 L'inhibition allostérique fonctionne en induisant indirectement un changement conformationnel du site actif de telle sorte que le substrat ne s'adapte plus. En revanche, dans l'activation allostérique, la molécule activatrice modifie la forme du site actif pour permettre un meilleur ajustement du substrat.

CARRIÈRES EN ACTION

Développeur de médicaments pharmaceutiques

Figure 4.10 Vous êtes-vous déjà demandé comment les médicaments pharmaceutiques sont développés ? (crédit : Deborah Austin)

Les enzymes sont des composants clés des voies métaboliques. Comprendre comment les enzymes fonctionnent et comment elles peuvent être régulées sont des principes clés qui sous-tendent le développement de nombreux médicaments pharmaceutiques sur le marché aujourd'hui. Les biologistes travaillant dans ce domaine collaborent avec d'autres scientifiques pour concevoir des médicaments (Figure 4.10).

Prenons l'exemple des statines : les statines sont le nom donné à une classe de médicaments qui peuvent réduire le taux de cholestérol. Ces composés sont des inhibiteurs de l'enzyme HMG-CoA réductase, qui est l'enzyme qui synthétise le cholestérol à partir des lipides dans le corps. En inhibant cette enzyme, le taux de cholestérol synthétisé dans l'organisme peut être réduit. De même, l'acétaminophène, couramment commercialisé sous le nom de marque Tylenol, est un inhibiteur de l'enzyme cyclooxygénase. Bien qu'il soit utilisé pour soulager la fièvre et l'inflammation (douleur), son mécanisme d'action n'est pas encore complètement compris.

Comment les drogues sont-elles découvertes ? L'un des plus grands défis de la découverte de médicaments est l'identification d'une cible médicamenteuse. Une cible médicamenteuse est une molécule qui est littéralement la cible du médicament. Dans le cas des statines, la HMG-CoA réductase est la cible du médicament. Les cibles médicamenteuses sont identifiées grâce à des recherches minutieuses en laboratoire. Il ne suffit pas d'identifier la cible à elle seule, les scientifiques doivent également savoir comment la cible agit à l'intérieur de la cellule et quelles réactions tournent mal en cas de maladie. Une fois que la cible et la voie sont identifiées, le processus réel de conception du médicament commence. À ce stade, les chimistes et les biologistes travaillent ensemble pour concevoir et synthétiser des molécules capables de bloquer ou d'activer une réaction particulière. Cependant, ce n'est que le début : si et quand un prototype de médicament réussit à remplir sa fonction, il est alors soumis à de nombreux tests, des expériences in vitro aux essais cliniques avant de pouvoir obtenir l'approbation de la Food and Drug Administration des États-Unis. le marché.

De nombreuses enzymes ne fonctionnent pas de manière optimale, voire pas du tout, à moins qu'elles ne soient liées à d'autres molécules auxiliaires non protéiques spécifiques. Ils peuvent se lier soit temporairement par des liaisons ioniques ou hydrogène, soit de façon permanente par des liaisons covalentes plus fortes. La liaison à ces molécules favorise la forme et la fonction optimales de leurs enzymes respectives. Deux exemples de ces types de molécules auxiliaires sont les cofacteurs et les coenzymes. Les cofacteurs sont des ions inorganiques tels que les ions de fer et de magnésium. Les coenzymes sont des molécules auxiliaires organiques, celles qui ont une structure atomique de base composée de carbone et d'hydrogène. Comme les enzymes, ces molécules participent aux réactions sans être elles-mêmes modifiées et sont finalement recyclées et réutilisées. Les vitamines sont la source des coenzymes. Certaines vitamines sont les précurseurs des coenzymes et d'autres agissent directement comme coenzymes. La vitamine C est une coenzyme directe pour plusieurs enzymes qui participent à la construction du tissu conjonctif important, le collagène.Par conséquent, la fonction enzymatique est, en partie, régulée par l'abondance de divers cofacteurs et coenzymes, qui peuvent être fournis par le régime alimentaire d'un organisme ou, dans certains cas, produits par l'organisme.

Inhibition de la rétroaction dans les voies métaboliques

Les molécules peuvent réguler la fonction enzymatique de plusieurs manières. La grande question demeure cependant : que sont ces molécules et d'où viennent-elles ? Certains sont des cofacteurs et des coenzymes, comme vous l'avez appris. Quelles autres molécules dans la cellule assurent une régulation enzymatique telle que la modulation allostérique et l'inhibition compétitive et non compétitive ? Les sources les plus pertinentes de molécules régulatrices, en ce qui concerne le métabolisme cellulaire enzymatique, sont peut-être les produits des réactions métaboliques cellulaires elles-mêmes. De la manière la plus efficace et la plus élégante, les cellules ont évolué pour utiliser les produits de leurs propres réactions pour la rétro-inhibition de l'activité enzymatique. La rétro-inhibition implique l'utilisation d'un produit de réaction pour réguler sa propre production ultérieure (Figure 4.11). La cellule répond à une abondance de produits en ralentissant la production lors de réactions anaboliques ou cataboliques. De tels produits de réaction peuvent inhiber les enzymes qui ont catalysé leur production par les mécanismes décrits ci-dessus.

Figure 4.11 Les voies métaboliques sont une série de réactions catalysées par de multiples enzymes. L'inhibition de la rétroaction, où le produit final de la voie inhibe un processus en amont, est un mécanisme régulateur important dans les cellules.

La production d'acides aminés et de nucléotides est contrôlée par rétro-inhibition. De plus, l'ATP est un régulateur allostérique de certaines des enzymes impliquées dans la dégradation catabolique du sucre, le processus qui crée l'ATP. De cette façon, lorsque l'ATP est abondant, la cellule peut empêcher la production d'ATP. D'autre part, l'ADP sert de régulateur allostérique positif (un activateur allostérique) pour certaines des mêmes enzymes qui sont inhibées par l'ATP. Ainsi, lorsque les niveaux relatifs d'ADP sont élevés par rapport à l'ATP, la cellule est déclenchée pour produire plus d'ATP par le catabolisme du sucre.


Biologie 171


Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. Les organismes ont besoin d'énergie pour effectuer un travail pénible et faire de l'exercice, mais les humains utilisent également une énergie considérable lorsqu'ils pensent et même pendant le sommeil. Les cellules vivantes de chaque organisme utilisent constamment de l'énergie. Les organismes importent des nutriments et d'autres molécules. Ils se métabolisent (se décomposent) et éventuellement se synthétisent en de nouvelles molécules. Si nécessaire, les molécules se modifient, se déplacent dans la cellule et peuvent se diffuser dans tout l'organisme. Par exemple, les grosses protéines qui composent les muscles sont activement construites à partir de molécules plus petites. Les glucides complexes se décomposent en sucres simples que la cellule utilise pour produire de l'énergie. Tout comme l'énergie est nécessaire à la fois pour construire et démolir un bâtiment, de l'énergie est nécessaire pour synthétiser et décomposer des molécules. De plus, les molécules de signalisation telles que les hormones et les neurotransmetteurs transportent entre les cellules. Les cellules ingèrent et décomposent les bactéries et les virus. Les cellules doivent également exporter des déchets et des toxines pour rester en bonne santé, et de nombreuses cellules doivent nager ou déplacer les matériaux environnants via le mouvement de battement des appendices cellulaires comme les cils et les flagelles.

Les processus cellulaires que nous avons énumérés ci-dessus nécessitent un approvisionnement constant en énergie. D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Ce chapitre traitera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie. Ce chapitre décrira également comment les cellules utilisent l'énergie et la reconstituent, et comment les réactions chimiques dans la cellule se déroulent avec une grande efficacité.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Expliquer les voies métaboliques et décrire les deux principaux types
  • Discuter du rôle des réactions chimiques dans le transfert d'énergie

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour discuter du concept de flux d'énergie ((Figure)) à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par le biais de réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie alors que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Tout comme les êtres vivants doivent continuellement consommer de la nourriture pour reconstituer ce qu'ils ont utilisé, les cellules doivent continuellement produire plus d'énergie pour reconstituer celle qu'utilisent les nombreuses réactions chimiques exigeantes en énergie qui se produisent constamment. Toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules, y compris celles qui utilisent et libèrent de l'énergie, constituent le métabolisme de la cellule.

Le métabolisme des glucides

Le métabolisme du sucre (réactions chimiques) (un glucide simple) est un exemple classique des nombreux processus cellulaires qui utilisent et produisent de l'énergie. Les êtres vivants consomment du sucre comme principale source d'énergie, car les molécules de sucre ont une énergie considérable stockée dans leurs liaisons. L'équation suivante décrit la décomposition du glucose, un sucre simple :

Les glucides consommés ont leur origine dans les organismes photosynthétiques comme les plantes ((Figure)). Au cours de la photosynthèse, les plantes utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) en molécules de sucre, comme le glucose (C6H12O6). Étant donné que ce processus implique la synthèse d'une molécule plus grosse et stockant de l'énergie, il nécessite un apport d'énergie pour se poursuivre. L'équation suivante (notez que c'est l'inverse de l'équation précédente) décrit la synthèse du glucose :

Au cours des réactions chimiques de photosynthèse, l'énergie se présente sous la forme d'une molécule à très haute énergie que les scientifiques appellent ATP, ou adénosine triphosphate. C'est la principale monnaie d'énergie de toutes les cellules. Tout comme le dollar est la monnaie que nous utilisons pour acheter des biens, les cellules utilisent des molécules d'ATP comme monnaie énergétique pour effectuer un travail immédiat. Le sucre (glucose) est stocké sous forme d'amidon ou de glycogène. Les polymères de stockage d'énergie comme ceux-ci se décomposent en glucose pour fournir des molécules d'ATP.

L'énergie solaire est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Dans la photosynthèse, l'énergie lumineuse du soleil se transforme initialement en énergie chimique qui se stocke temporairement dans les molécules porteuses d'énergie ATP et NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). La photosynthèse utilise plus tard l'énergie stockée dans l'ATP et le NADPH pour construire une molécule de glucose à partir de six molécules de CO2. Ce processus est analogue au petit-déjeuner le matin pour acquérir de l'énergie pour votre corps que vous pourrez utiliser plus tard dans la journée. Dans des conditions idéales, l'énergie de 18 molécules d'ATP est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Les molécules de glucose peuvent également se combiner et se convertir en d'autres types de sucre. Lorsqu'un organisme consomme des sucres, les molécules de glucose finissent par se frayer un chemin dans la cellule vivante de chaque organisme. À l'intérieur de la cellule, chaque molécule de sucre se décompose par une série complexe de réactions chimiques. Le but de ces réactions est de récolter l'énergie stockée à l'intérieur des molécules de sucre. L'énergie récoltée produit des molécules d'ATP à haute énergie, qui effectuent un travail alimentant de nombreuses réactions chimiques dans la cellule. La quantité d'énergie nécessaire pour fabriquer une molécule de glucose à partir de six molécules de dioxyde de carbone est de 18 molécules d'ATP et 12 molécules de NADPH (chacune est énergétiquement équivalente à trois molécules d'ATP), soit un total de 54 équivalents moléculaires nécessaires pour synthétiser une molécule de glucose . Ce processus est un moyen fondamental et efficace pour les cellules de générer l'énergie moléculaire dont elles ont besoin.

Voies métaboliques

Les processus de fabrication et de décomposition des molécules de sucre illustrent deux types de voies métaboliques. Une voie métabolique est une série de réactions biochimiques interconnectées qui convertissent une ou plusieurs molécules de substrat, étape par étape, à travers une série d'intermédiaires métaboliques, pour finalement aboutir à un ou plusieurs produits finaux. Dans le cas du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétise le sucre à partir de molécules plus petites, et l'autre voie décompose le sucre en molécules plus petites. Les scientifiques appellent ces deux processus opposés, le premier nécessitant de l'énergie et le second produisant de l'énergie, respectivement des voies anaboliques (construction) et cataboliques (décomposition). Par conséquent, la construction (anabolisme) et la dégradation (catabolisme) constituent le métabolisme.

Évolution des voies métaboliques La complexité du métabolisme va au-delà de la simple compréhension des voies métaboliques. La complexité métabolique varie d'un organisme à l'autre. La photosynthèse est la principale voie par laquelle les organismes photosynthétiques comme les plantes (les algues planctoniques effectuent la majorité de la synthèse globale) récoltent l'énergie du soleil et la convertissent en glucides. Le sous-produit de la photosynthèse est l'oxygène, dont certaines cellules ont besoin pour effectuer la respiration cellulaire. Pendant la respiration cellulaire, l'oxygène aide à la décomposition catabolique des composés carbonés, comme les glucides. Parmi les produits figurent le CO2 et ATP. De plus, certains eucaryotes effectuent des processus cataboliques sans oxygène (fermentation), c'est-à-dire qu'ils effectuent ou utilisent un métabolisme anaérobie.

Les organismes ont probablement développé un métabolisme anaérobie pour survivre (les organismes vivants sont apparus il y a environ 3,8 milliards d'années, lorsque l'atmosphère manquait d'oxygène). Malgré les différences entre les organismes et la complexité du métabolisme, les chercheurs ont découvert que toutes les branches de la vie partagent certaines des mêmes voies métaboliques, ce qui suggère que tous les organismes ont évolué à partir du même ancien ancêtre commun ((Figure)). Les preuves indiquent qu'au fil du temps, les voies ont divergé, ajoutant des enzymes spécialisées pour permettre aux organismes de mieux s'adapter à leur environnement, augmentant ainsi leurs chances de survie. Cependant, le principe sous-jacent reste que tous les organismes doivent récupérer l'énergie de leur environnement et la convertir en ATP pour effectuer des fonctions cellulaires.

Voies anaboliques et cataboliques

Les voies anaboliques nécessitent un apport d'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples. Sucre de synthèse à partir de CO2 est un exemple. D'autres exemples sont la synthèse de grandes protéines à partir de blocs de construction d'acides aminés et la synthèse de nouveaux brins d'ADN à partir de blocs de construction d'acide nucléique. Ces processus de biosynthèse sont essentiels à la vie de la cellule, se déroulent en permanence et nécessitent de l'énergie fournie par l'ATP et d'autres molécules à haute énergie comme le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) et le NADPH ((Figure)).

L'ATP est une molécule importante dont les cellules doivent disposer à tout moment en quantité suffisante. La décomposition des sucres illustre comment une seule molécule de glucose peut stocker suffisamment d'énergie pour produire une grande quantité d'ATP, de 36 à 38 molécules. C'est une voie catabolique. Les voies cataboliques impliquent la dégradation (ou la décomposition) de molécules complexes en molécules plus simples. L'énergie moléculaire stockée dans des liaisons moléculaires complexes se libère dans les voies cataboliques et se récolte de manière à produire de l'ATP. D'autres molécules stockant de l'énergie, telles que les graisses, se décomposent également par des réactions cataboliques similaires pour libérer de l'énergie et produire de l'ATP ((Figure)).

Il est important de savoir que les réactions chimiques des voies métaboliques ne se produisent pas spontanément. Une protéine appelée enzyme facilite ou catalyse chaque étape de la réaction. Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques, celles qui nécessitent de l'énergie ainsi que celles qui libèrent de l'énergie.

Résumé de la section

Les cellules remplissent les fonctions de la vie à travers diverses réactions chimiques. Le métabolisme d'une cellule fait référence aux réactions chimiques qui s'y déroulent. Il existe des réactions métaboliques qui impliquent de décomposer des produits chimiques complexes en plus simples, comme la décomposition de grosses macromolécules. Les scientifiques appellent ce processus le catabolisme, et nous associons de telles réactions à une libération d'énergie. À l'autre extrémité du spectre, l'anabolisme fait référence aux processus métaboliques qui construisent des molécules complexes à partir de molécules plus simples, telles que la synthèse de macromolécules. Les processus anabolisants nécessitent de l'énergie. La synthèse et la dégradation du glucose sont des exemples de voies anaboliques et cataboliques, respectivement.

Réponse libre

L'exercice physique implique-t-il des processus anaboliques et/ou cataboliques ? Justifiez votre réponse.

L'exercice physique implique à la fois des processus anaboliques et cataboliques. Les cellules du corps décomposent les sucres pour fournir de l'ATP pour effectuer le travail nécessaire à l'exercice, comme les contractions musculaires. C'est le catabolisme. Les cellules musculaires doivent également réparer les tissus musculaires endommagés par l'exercice en construisant de nouveaux muscles. C'est l'anabolisme.

Nommez deux fonctions cellulaires différentes qui nécessitent de l'énergie qui sont parallèles aux fonctions humaines nécessitant de l'énergie.

L'énergie est requise pour le mouvement cellulaire, par le battement des cils ou des flagelles, ainsi que pour le mouvement humain, produit par la contraction musculaire. Les cellules ont également besoin d'énergie pour effectuer la digestion, car les humains ont besoin d'énergie pour digérer les aliments.

Glossaire


Respiration aérobie

Il y a quatre étapes de la respiration cellulaire aérobie qui se produisent pour produire de l'ATP (les cellules énergétiques ont besoin de faire leur travail) :

Étape 1 Glycolyse (également connu sous le nom de dégradation du glucose)

Cela se produit dans le cytoplasme et implique une série de réactions en chaîne appelées glycolyse pour convertir chaque molécule de glucose (une molécule à six carbones) en deux unités plus petites de pyruvate (une molécule à trois carbones). Lors de la formation du pyruvate, deux types de molécules porteuses activées (petites molécules diffusibles dans les cellules qui contiennent des liaisons covalentes riches en énergie) sont produites, ce sont l'ATP et le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide réduit). Cette étape produit 4 molécules d'ATP et 2 molécules de NADH à partir du glucose mais utilise 2 molécules d'ATP pour y parvenir, il en résulte donc en fait 2 ATP + 2 NADH et du pyruvate. Le pyruvate passe ensuite dans les mitochondries.

Étape 2 La réaction du lien

Cela relie la glycolyse à l'étape 3 du cycle acide citrique/Krebs, qui est expliqué ci-dessous. À ce stade, une molécule de dioxyde de carbone et une molécule d'hydrogène sont retirées du pyruvate (appelée décarboxylation oxydative) pour produire un groupe acétyle, qui se joint à une enzyme appelée CoA (coenzyme A) pour former l'acétyl-CoA, qui est alors prêt à être utilisé dans le cycle Acide citrique/Krebs. L'acétyl-CoA est essentiel pour la prochaine étape.

Étape 3 Le cycle acide citrique/Krebs

Prenant place dans les mitochondries, l'acétyl-CoA (qui est une molécule à deux carbones) se combine avec l'oxaloacétate (une molécule à quatre carbones) pour former le citrate (une molécule à six carbones). La molécule de citrate est ensuite progressivement oxydée, permettant à l'énergie de cette oxydation d'être utilisée pour produire des molécules porteuses activées riches en énergie. L'enchaînement des huit réactions forme un cycle car, à la fin, l'oxaloacétate se régénère et peut entrer dans un nouveau tour de cycle. Le cycle fournit des précurseurs dont certains acides aminés ainsi que l'agent réducteur NADH qui sont utilisés dans de nombreuses réactions biochimiques.

Chaque tour du cycle produit deux molécules de dioxyde de carbone, trois molécules de NADH, une molécule de GTP (guanosine triphosphate) et une molécule de FADH2 (flavine adénine dinucléotide réduite).

Étant donné que deux molécules d'acétyl-CoA sont produites à partir de chaque molécule de glucose utilisée, deux cycles sont nécessaires par molécule de glucose.

Chaîne de transport d'électrons de l'étape 4

Dans cette dernière étape, les porteurs d'électrons NADH et FADH2, qui ont gagné des électrons en oxydant d'autres molécules, transfèrent ces électrons à la chaîne de transport d'électrons. Cela se trouve dans la membrane interne des mitochondries. Ce processus nécessite de l'oxygène et implique le déplacement de ces électrons à travers une série de transporteurs d'électrons qui subissent des réactions d'oxydoréduction (réactions où ont lieu à la fois l'oxydation et la réduction). Cela provoque l'accumulation d'ions hydrogène dans l'espace intermembranaire.

Un gradient de concentration se forme alors où les ions hydrogène diffusent hors de cet espace en passant par l'ATP synthase. Le courant d'ions hydrogène alimente la conversion catalytique de l'ATP synthase, qui, à son tour, phosphoryle l'ADP (ajoute un groupe phosphate) produisant ainsi de l'ATP. Le point final de la chaîne se produit lorsque les électrons réduisent l'oxygène moléculaire, ce qui entraîne la production d'eau.

Bien qu'il y ait un rendement théorique de 38 ATP à partir de la décomposition d'une molécule de glucose, on pense de manière réaliste que 30 à 32 molécules d'ATP sont réellement générées.

Ce processus de respiration aérobie a lieu lorsque le corps a besoin de suffisamment d'énergie juste pour vivre, ainsi que pour effectuer des activités quotidiennes et effectuer des exercices cardio. Bien que ce processus génère plus d'énergie que les systèmes anaérobies, il est également moins efficace et ne peut être utilisé que lors d'activités de faible intensité.

Ainsi, si vous avez des besoins énergétiques LENTS et STABLES, votre PRODUCTION D'ÉNERGIE NETTE issue de la respiration aérobie est égale à 30-32 molécules d'ATP.

Glucose + Oxygène → Dioxyde de carbone + Eau + Énergie (comme 30-32 ATP)

Le corps libère du dioxyde de carbone et de l'eau dans ce processus. Cela brûlera théoriquement le plus grand nombre de calories.

Dans d'autres conditions physiologiques, le corps peut encore acquérir son énergie d'autres manières :

Il existe d'autres processus énergétiques que le corps utilise pour créer de l'ATP, ils dépendent de la vitesse à laquelle l'énergie est requise et de l'accès ou non à l'oxygène.

Respiration anaérobie

Le muscle humain peut respirer de manière anaérobie, un processus qui ne nécessite pas d'oxygène. Le processus est relativement inefficace car il a une production nette d'énergie de 2 molécules d'ATP.

Ceci est efficace pour les exercices vigoureux d'une durée comprise entre 1 et 3 minutes, tels que les sprints courts. Si l'exercice intense nécessite plus d'énergie que ne peut en fournir l'oxygène disponible, votre corps brûlera partiellement le glucose sans oxygène (anaérobie). Sans la présence d'oxygène, la chaîne de transport d'électrons ne peut pas fonctionner. Par conséquent, le nombre habituel de molécules d'ATP ne peut pas être fabriqué. La voie anaérobie utilise le pyruvate, le produit final de l'étape de glycolyse. Le pyruvate est réduit en acide lactique par le NADH, laissant le NAD + après la réduction. Cette réaction est catalysée par une enzyme (lactate déshydrogénase) et conduit au recyclage du NAD + . Cela permet ensuite au processus de glycolyse de se poursuivre.

Cette voie de glycolyse produit 2 molécules d'ATP, qui peuvent être utilisées comme énergie pour entraîner la contraction musculaire. La glycolyse anaérobie se produit plus rapidement que la respiration aérobie car moins d'énergie est produite pour chaque molécule de glucose décomposée, il faut donc en décomposer plus à un rythme plus rapide pour répondre aux demandes.

L'acide lactique (le sous-produit de la respiration anaérobie) s'accumule dans les muscles provoquant la « brûlure » ​​ressentie lors d'une activité intense. Si plus de quelques minutes de cette activité sont utilisées pour générer de l'ATP, l'acidité de l'acide lactique augmente, provoquant des crampes douloureuses. L'oxygène supplémentaire que vous respirez après un exercice intensif réagit avec l'acide lactique dans vos muscles, le décomposant pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau.

Donc, en résumé : les exercices qui sont effectués à des fréquences maximales pendant 1 à 3 minutes dépendent fortement de la respiration anaérobie pour l'énergie ATP.De plus, dans certaines performances, comme courir 1500 mètres ou un mile, le système à l'acide lactique est principalement utilisé pour le « coup de pied » à la fin d'une course.

Par conséquent, si vous faites un EXERCICE VIGOUREUX pendant 1 à 3 minutes, il n'y aura AUCUN OXYGÈNE DISPONIBLE DANS LES TISSUS, vous verrez donc une PRODUCTION D'ÉNERGIE NETTE provenant de la respiration anaérobie égale à 2 molécules d'ATP.

Oxydation bêta/gluconéogenèse ou combustion des graisses (lipolyse aérobie)

Une molécule de graisse se compose d'un squelette de glycérol et de trois queues d'acides gras. Ils sont appelés triglycérides. Dans l'organisme, ils sont principalement stockés dans des cellules graisseuses appelées adipocytes qui constituent le tissu adipeux. Pour obtenir de l'énergie à partir des graisses, les molécules de triglycérides sont décomposées en acides gras dans un processus appelé « lipolyse » se produisant dans le cytoplasme. Ces acides gras sont oxydés en acétyl-CoA, qui est utilisé dans le cycle acide citrique/Krebs. Parce qu'une molécule de triglycéride produit trois molécules d'acide gras avec 16 carbones ou plus dans chacune, les molécules de graisse produisent plus d'énergie que les glucides et sont une source d'énergie importante pour le corps humain (plus de 100 molécules d'ATP générées par molécule d'acide gras). Par conséquent, lorsque les niveaux de glucose sont bas, les triglycérides peuvent être convertis en molécules d'acétyl-CoA et utilisés pour générer de l'ATP par la respiration aérobie.

Ce besoin survient après toute période de non-alimentation, même avec un jeûne nocturne normal, une mobilisation des graisses se produit, de sorte que le matin, la majeure partie de l'acétyl-CoA entrant dans le cycle acide citrique/Krebs provient des acides gras plutôt que du glucose. Après un repas, cependant, la majeure partie de l'acétyl-CoA entrant dans le cycle acide citrique/Krebs provient du glucose provenant des aliments, tout excès de glucose étant utilisé pour reconstituer les réserves de glycogène épuisées ou pour synthétiser les graisses.

Il s'agit d'une SOURCE D'ÉNERGIE LENTE ET NON IMMÉDIATE, mais qui a une PRODUCTION D'ÉNERGIE NETTE de plus de 100 molécules d'ATP.

ATP Phosphocréatine (ATP-PC)

Ce système énergétique se compose d'ATP (toutes les cellules musculaires contiennent un peu d'ATP) et de phosphocréatine (PC), qui fournissent une énergie immédiate à partir de la dégradation de ces substrats à haute énergie.

Premièrement, l'ATP stocké dans les ponts transversaux de myosine (à l'intérieur du muscle) se décompose en produisant de l'adénosine diphosphate (ADP) et une seule molécule de phosphate. Ensuite, une enzyme, connue sous le nom de créatine kinase, décompose la phosphocréatine (PC) en créatine et en une molécule de phosphate. Cette dégradation de la phosphocréatine (PC) libère de l'énergie, ce qui permet à l'adénosine diphosphate (ADP) et à la molécule de phosphate de se rejoindre pour former plus d'ATP. Cet ATP nouvellement formé peut ensuite être décomposé pour libérer de l'énergie pour alimenter l'activité. Cela continuera jusqu'à ce que les réserves de créatine phosphate soient épuisées.

Des rafales explosives courtes et vives d'exercice (10-30 secondes) utilisent ce système. Il ne nécessite pas d'oxygène mais est très limité à de courtes périodes d'exercices explosifs, comme un sprint ou un haltérophilie. C'est pourquoi la supplémentation en créatine aide ce type d'exercice, en garantissant qu'il y a suffisamment de phosphate de créatine pour fournir les phosphates nécessaires. Le système ATP-CP récupère généralement 100% en 3 minutes, le temps de repos recommandé entre les entraînements de haute intensité est donc de 3 minutes.

En bref, pour des exercices explosifs et pointus nécessitant une énergie RAPIDE et IMMÉDIATE, ce système produit des QUANTITÉS COPIUS D'ATP jusqu'à ce que le phosphate de créatine dans les muscles s'épuise.

Différentes formes d'exercice utilisent différents systèmes pour produire de l'ATP

  • Pour les sprinteurs/haltérophiles de courte distance, le système d'énergie utilisé serait ATP-PC car il est rapide et ne prend que quelques secondes.
  • Pendant un exercice intense et intermittent et tout au long d'une activité physique prolongée, le système énergétique utilisé serait généralement via la voie du glycogène (combustion des graisses / pas d'oxygène) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6019055/
  • Dans les épreuves d'endurance comme la course de marathon ou l'aviron, etc., qui durent un temps illimité, utiliserait le processus énergétique de la respiration aérobie.

Rôle des bactéries intestinales dans la régulation énergétique

Les bactéries intestinales jouent un rôle important dans l'extraction des nutriments et de l'énergie et dans la régulation de l'énergie. La bactérie fabrique une multitude de petites molécules (appelées métabolites) qui peuvent agir comme des signaux pouvant moduler l'appétit, l'absorption d'énergie, le stockage et la dépense, ce qui est exploré dans l'article de synthèse Gut Microbiota-Dependent Modulation of Energy Metabolism.

Les bactéries intestinales influencent la biodisponibilité des polysaccharides et la façon dont cela se produit n'est pas claire, mais il s'agit d'un domaine de recherche croissant, avec cet article de 2016, sur la causalité du petit et du gros microbiote intestinal dans la régulation du poids et la résistance à l'insuline, en étudiant longuement le sujet.

Effets secondaires avec de faibles niveaux d'énergie

Ne pas gérer correctement vos niveaux d'énergie peut affecter les fonctions physiques et cognitives.

Les signes physiques peuvent inclure : une endurance réduite, une force réduite et une capacité moindre à récupérer de l'exercice.

Les effets liés à la performance peuvent inclure : une perte de concentration, des temps de réaction lents, une mauvaise humeur, une mauvaise mémoire de travail, une mauvaise prise de décision et des temps de réaction réduits.


Chapitre 4 : Introduction à la façon dont les cellules obtiennent de l'énergie

Figure 4.1 Un colibri a besoin d'énergie pour maintenir un vol prolongé. L'oiseau tire son énergie de l'absorption de nourriture et de la transformation de l'énergie contenue dans les molécules alimentaires en des formes d'énergie pour propulser son vol à travers une série de réactions biochimiques. (crédit : modification d'œuvre par Cory Zanker)

Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. L'énergie est nécessaire pour effectuer un travail pénible et faire de l'exercice, mais les humains utilisent également de l'énergie en pensant et même pendant le sommeil. En fait, les cellules vivantes de chaque organisme utilisent constamment de l'énergie. Les nutriments et autres molécules sont importés dans la cellule, métabolisés (décomposés) et éventuellement synthétisés en de nouvelles molécules, modifiés si nécessaire, transportés dans la cellule et éventuellement distribués dans l'organisme entier. Par exemple, les grosses protéines qui composent les muscles sont constituées de molécules plus petites importées d'acides aminés alimentaires. Les glucides complexes sont décomposés en sucres simples que la cellule utilise pour produire de l'énergie. Tout comme l'énergie est nécessaire à la fois pour construire et démolir un bâtiment, de l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition de bactéries et de virus pathogènes, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent de l'énergie. D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Ce chapitre traitera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie. Ce chapitre décrira également comment les cellules utilisent l'énergie et la reconstituent, et comment les réactions chimiques dans la cellule sont effectuées avec une grande efficacité.


La manière dont une cellule racine obtient de l'énergie. Introduction : La photosynthèse est un processus par lequel le dioxyde de carbone et l'eau sont utilisés pour produire des molécules de glucose en utilisant l'énergie de la lumière du soleil. Le processus de conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique se produit dans les deux phases de réaction, la réaction dépendante de la lumière et la réaction de fixation du carbone (réactions sombres).

Déterminer: La manière dont une cellule racine obtient de l'énergie.

Introduction: La photosynthèse est un processus par lequel le dioxyde de carbone et l'eau sont utilisés pour produire des molécules de glucose en utilisant l'énergie de la lumière du soleil. Le processus de conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique se produit dans les deux phases de réactions, la réaction dépendante de la lumière et réaction de fixation du carbone (réactions sombres).

Déterminer: La manière dont les molécules organiques obtiennent de l'énergie.

Introduction: La photosynthèse est un processus par lequel le dioxyde de carbone et l'eau sont utilisés pour produire des molécules de glucose en utilisant l'énergie de la lumière du soleil. Le processus de conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique se produit dans les deux phases de réactions, la réaction dépendante de la lumière et réaction de fixation du carbone (réactions sombres).


Introduction

Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. L'énergie est nécessaire pour effectuer un travail pénible et faire de l'exercice, mais les humains utilisent également de l'énergie en pensant et même pendant le sommeil. En fait, les cellules vivantes de chaque organisme utilisent constamment de l'énergie. Les nutriments et autres molécules sont importés dans la cellule, métabolisés (décomposés) et éventuellement synthétisés en de nouvelles molécules, modifiés si nécessaire, transportés dans la cellule et éventuellement distribués dans l'organisme entier. Par exemple, les grosses protéines qui composent les muscles sont constituées de molécules plus petites importées d'acides aminés alimentaires. Les glucides complexes sont décomposés en sucres simples que la cellule utilise pour produire de l'énergie. Tout comme l'énergie est nécessaire à la fois pour construire et démolir un bâtiment, de l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition de bactéries et de virus pathogènes, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent de l'énergie. D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Ce chapitre traitera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie. Ce chapitre décrira également comment les cellules utilisent l'énergie et la reconstituent, et comment les réactions chimiques dans la cellule sont effectuées avec une grande efficacité.


Respiration cellulaire : définition, équation et étapes

Le processus d'obtention d'énergie afin de produire des molécules d'ATP s'appelle la respiration cellulaire.

Plus de questions-réponses ci-dessous

2. Quel composé est phosphorylé pour la formation d'ATP ? Quel est le composé résultant lorsque l'ATP libère de l'énergie ?

L'ATP, ou adénosine triphosphate, se forme après la liaison d'une molécule de phosphate (phosphorylation) à une molécule d'ADP (adénosine diphosphate). Il s'agit d'un processus qui stocke l'énergie dans la molécule d'ATP produite.

Lorsque l'ATP fournit de l'énergie au métabolisme cellulaire, il libère un de ses ions phosphate et l'ADP réapparaît.

L'ADP peut également libérer plus d'ions phosphate et générer de l'AMP (adénosine monophosphate) ou même de l'adénosine non phosphorylée. La production d'adénosine à partir d'ATP est utilisée dans les tissus qui ont besoin d'un apport urgent en oxygène, comme dans le cœur lors d'un infarctus du myocarde (crise cardiaque). En effet, l'adénosine crée un effet vasodilatateur local, fournissant ainsi une vasodilatation plus rapide que les autres méthodes physiologiques.

Respiration cellulaire aérobie et anaérobie

3. Quels sont les types de respiration cellulaire ?

Il existe deux types de respiration cellulaire : la respiration cellulaire aérobie, une réaction avec la participation d'oxygène moléculaire (O₂) et la respiration cellulaire anaérobie, sans la participation d'oxygène moléculaire et qui utilise à la place d'autres molécules inorganiques comme oxydant. Il existe plusieurs variétés de respiration cellulaire anaérobie. Le principal est la fermentation.

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Fermentation

4. Dans quelles conditions les cellules aérobies utilisent-elles la fermentation ?

Certaines cellules qui tirent généralement de l'énergie de la respiration cellulaire aérobie peuvent utiliser la fermentation lorsque l'oxygène n'est pas disponible.

Il existe des bactéries et des champignons qui, en l'absence d'oxygène, utilisent leur capacité métabolique anaérobie pour fournir de l'énergie. Les cellules musculaires utilisent également la fermentation lorsque l'oxygène est rare.

5. Quelle est la différence entre les organismes aérobies et anaérobies ?

Les organismes aérobies sont ceux dont les cellules ne survivent pas sans oxygène, car ils dépendent de la respiration cellulaire aérobie pour obtenir l'énergie nécessaire à la production d'ATP. Les organismes anaérobies sont ceux qui vivent ou peuvent vivre dans des environnements dépourvus d'oxygène.

6. Quelle est la différence entre les anaérobies facultatifs et les anaérobies obligatoires ?

Anaérobies facultatifs, comme les champignons Saccharomyces cerevisiae, une levure de bière, peut survivre dans des environnements pauvres en oxygène en utilisant la fermentation. Cependant, lorsque l'oxygène est disponible, ces organismes utilisent la respiration aérobie.

Les anaérobies obligatoires sont ceux qui ne peuvent pas survivre en présence d'oxygène. Certains champignons, certaines bactéries (comme l'agent du botulisme Clostridium botulinum, et l'agent du tétanos, Clostridium tetani) et certains protozoaires sont des exemples d'anaérobies obligatoires.

7. Quels sont les deux types de fermentation ? Quelles sont leurs équations chimiques ?

Les deux principaux types de fermentation sont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique.

Lors de la fermentation alcoolique, l'acide pyruvique, molécule intermédiaire, est transformé en éthanol avec libération de dioxyde de carbone. L'équation de la fermentation alcoolique est la suivante :

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + P --> 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP

Lors de la fermentation lactique, l'acide pyruvique se transforme en acide lactique et il n'y a pas de production de dioxyde de carbone. L'équation de la fermentation lactique est :

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + P --> 2 C₃H₅OOH + 2 ATP

8. En général, quels sont les réactifs et produits de fermentation ?

Lors de la fermentation, le glucose (sucre) est décomposé en acide pyruvique (chaque molécule de glucose forme deux molécules d'acide pyruvique). Dans ce processus, deux molécules d'ATP sont produites.

Selon le type de fermentation, l'acide pyruvique peut produire de l'éthanol et du dioxyde de carbone (en fermentation alcoolique) ou de l'acide lactique (en fermentation lactique). Il existe d'autres variétés de fermentation dans lesquelles l'acide pyruvique peut générer de l'acide acétique (fermentation acétique), de l'acide propionique, de l'isopropanol (également un type d'alcool), etc. Le type de fermentation dépend de l'espèce des organismes impliqués.

9. Pourquoi utilise-t-on des organismes de fermentation alcoolique et non des organismes de fermentation lactique dans la cuisson des gâteaux et des pains ?

La fermentation fait pousser les gâteaux et les pains. Ceci est accompli par la libération de dioxyde de carbone lors de la fermentation alcoolique, lorsque le gaz traverse la pâte et la fait pousser. En fermentation lactique, il n'y a pas de dégagement de dioxyde de carbone et le résultat souhaité ne serait pas obtenu.

10. Quelle substance provoque le goût acide du lait fermenté ?

Certaines bactéries fermentent le lactose du lait par fermentation lactique, produisant de l'acide lactique. Ce produit est responsable de la saveur acide du yaourt, du lait caillé et du lait. 

11. Comment la connaissance de la fermentation peut-elle expliquer l'origine des crampes et douleurs musculaires après un exercice physique intense ?

Un processus de fermentation typique dû à la rareté de l'oxygène se produit dans le tissu musculaire. Lors d'une utilisation intense, les muscles nécessitent trop d'énergie (ATP) et consomment beaucoup plus d'oxygène pour produire cette énergie. Une consommation élevée entraîne une pénurie d'oxygène et les cellules musculaires commencent à utiliser la fermentation lactique pour satisfaire leurs besoins énergétiques. Dans cette situation, les douleurs musculaires, les crampes et la fatigue sont dues à l'acide lactique libéré par la fermentation.

Respiration aérobie

12. Combien de molécules d'ATP sont produites pour chaque molécule de glucose utilisée dans la fermentation ? Combien de molécules d'ATP sont produites pour chaque molécule de glucose utilisée dans la respiration aérobie ?

Lors de la fermentation, deux molécules d'ATP sont produites à partir d'une molécule de glucose. Dans la respiration aérobie, un processus beaucoup plus productif, 36 molécules d'ATP sont fabriquées à partir d'une molécule de glucose.

13. Quel organite cellulaire est spécialisé dans la respiration aérobie ?

Les organites cellulaires spécialisés dans la respiration aérobie sont les mitochondries. 

14. Quels sont les principaux composants de la structure mitochondriale ?

Les mitochondries sont des organites entourés de deux membranes lipidiques. La membrane interne s'invagine à l'intérieur de l'organite, formant des crêtes et délimitant un espace interne connu sous le nom de matrice mitochondriale. 

15. Quelles sont les trois phases de la respiration cellulaire ?

Les trois phases de la respiration cellulaire aérobie sont la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire (également appelée chaîne de transport d'électrons).

Glycolyse

16. Qu'est-ce que la glycolyse ? Quels sont les produits de ce processus ?

La glycolyse, la première étape de la respiration cellulaire aérobie, est un processus dans lequel le glucose est décomposé pour former deux molécules d'acide pyruvique ainsi que la formation de deux molécules d'ATP et de deux molécules de NADH.

La glycolyse est une réaction complexe qui implique la formation de plusieurs molécules intermédiaires jusqu'à ce que des molécules d'acide pyruvique soient fabriquées. Bien que deux molécules d'ATP soient consommées dans la réaction, quatre molécules d'ATP sont également produites, par conséquent, un équilibre positif de deux molécules d'ATP est obtenu. Deux molécules de NADH sont également produites. Dans la glycolyse, la structure à 6 carbones du glucose est décomposée et deux chaînes organiques de trois carbones chacune sont produites. Ces chaînes produisent deux molécules d'acide pyruvique. 

17. La glycolyse se produit-elle dans les mitochondries ?

La glycolyse se produit dans le cytosol et non dans les mitochondries. Les molécules d'acide pyruvique pénètrent plus tard dans les mitochondries pour participer à la phase suivante de la respiration cellulaire aérobie.

18. Combien de molécules d'ATP sont produites après la glycolyse ?

La glycolyse est un processus similaire à la décomposition du glucose lors de la fermentation. Il produit (un équilibre final de) deux molécules d'ATP pour chaque glucose décomposé. 

19. Qu'est-ce que le NAD ? Quel est le rôle de la molécule NAD dans la glycolyse ?

Le NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) est un accepteur d'hydrogène et un réducteur nécessaire (pour recevoir l'hydrogène) dans certaines réactions, dans lesquelles il est réduit et converti en NADH₂. Au cours de la glycolyse, deux molécules de NAD gagnent des ions hydrogène libérés après une réaction intermédiaire, formant ainsi du NADH₂. 

Le cycle de Krebs

20. Qu'arrive-t-il aux molécules d'acide pyruvique produites par la glycolyse pendant la respiration aérobie ? Quelle est la séquence de réactions qui suit ?

Les molécules d'acide pyruvique fabriquées dans le cytosol via la glycolyse pénètrent dans les mitochondries.

Dans les mitochondries, chaque molécule d'acide pyruvique est convertie en une molécule d'acétyl-CoA (acétyl coenzyme A), libérant une molécule de dioxyde de carbone. Le cycle de Krebs (également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique), la deuxième étape de la respiration aérobie, commence alors.

21. Quel est le nom officiel de l'acide pyruvique ?

L'acide pyruvique est l'acide 2-oxopropanoïque. Par conséquent, il est composé de trois atomes de carbone liés linéairement avec une extrémité formant la fonction acide organique (COOH) et l'atome de carbone moyen se liant à un atome d'oxygène par double liaison.

22. Pourquoi peut-on dire que chaque molécule de glucose déplace deux fois le cycle de Krebs ?

Chaque molécule de glucose « cycle » deux fois le cycle de Krebs car, après glycolyse, chaque molécule de glucose utilisée a généré deux molécules d'acide pyruvique et chaque molécule d'acide pyruvique est convertie dans une proportion 1:1 en acétyl CoA. Chaque molécule d'acétyl CoA passe ensuite par un cycle de Krebs.

23. Pourquoi le cycle de Krebs est-il également appelé la voie commune finale de la décomposition des composés organiques ?

Le cycle de Krebs est appelé la voie commune finale de la décomposition des composés organiques, car il est également possible de générer de l'acétyl-CoA à partir de la décomposition des lipides et des protéines. Puisque l'acétyl CoA est le substrat qui déclenche le cycle de Krebs, ce processus est appelé la voie commune finale car il est activé par d'autres molécules organiques (lipides et protéines) et pas seulement par le glucose.

Le corps utilise ses réserves énergétiques de graisses et de protéines pour cycler le cycle de Krebs en cas de malnutrition ou lorsqu'il n'y a pas de glucose disponible pour les cellules. 

24. Quels sont les produits énergétiques finaux de chaque cycle du cycle de Krebs ? Où se trouve la majorité de l'énergie utile en fin de cycle de Krebs ?

Après chaque cycle du cycle de Krebs, deux molécules de dioxyde de carbone, huit protons (ions hydrogène) capturés par le NAD et le FAD (également un accepteur d'hydrogène) et une molécule d'ATP sont produits.

Au cours du cycle de Krebs, l'acétyl-CoA est décomposé. À la fin, l'énergie utile est incorporée dans les atomes d'hydrogène transportés par les molécules FADH₂ et NADH₂.

25. Combien de molécules de dioxyde de carbone sont libérées après chaque cycle du cycle de Krebs ? Pour une seule molécule de glucose, combien de molécules de dioxyde de carbone ont déjà été libérées par la respiration aérobie jusque-là ?

Chaque cycle du cycle de Krebs libère deux molécules de dioxyde de carbone.

À la fin du cycle, tous les atomes de carbone de la molécule de glucose d'origine décomposés au cours de la glycolyse sont déjà libérés, incorporés dans les molécules de dioxyde de carbone. Cela se produit parce que, pour chaque glucose, deux molécules d'acide pyruvique ont été fabriquées lors de la glycolyse. Chacune de ces deux molécules d'acide pyruvique est ensuite convertie en acétyl CoA avec la libération d'une molécule de dioxyde de carbone (deux au total). Étant donné que chacune des deux molécules d'acétyl-CoA produites cycle le cycle de Krebs une fois, la molécule de glucose initiale déclenche deux cycles du cycle de Krebs et, par conséquent, quatre autres molécules de dioxyde de carbone sont produites.

Les six atomes de carbone de la molécule de glucose sont ensuite incorporés dans six molécules de dioxyde de carbone (deux fabriqués lors de la formation de l'acétyl CoA et quatre au cours des deux cycles du cycle de Krebs).

La chaîne respiratoire

26. Où dans les mitochondries se produit le processus appelé chaîne respiratoire ? Quels produits du cycle de Krebs sont utilisés dans cette phase finale de la respiration aérobie ?

La chaîne respiratoire, ou chaîne de transport d'électrons, est réalisée par des systèmes protéiques situés dans la membrane interne des mitochondries. Les électrons excités des atomes d'hydrogène transportés par NADH₂ et FADH₂ sont les produits des phases précédentes qui sont utilisés dans la chaîne respiratoire.

27. Que sont les cytochromes ?

Les cytochromes sont des protéines de la membrane mitochondriale interne spécialisées dans le transfert d'électrons et qui participent à la chaîne respiratoire. Les électrons excités libérés par les donneurs d'hydrogène NADH₂ et FADH₂ (puis reconvertis en NAD et FAD) traversent une séquence de cytochromes, perdant de l'énergie à chaque fois. L'énergie est ensuite utilisée dans la synthèse d'ATP. 

28. Au cours de quelle partie de la chaîne respiratoire les électrons du FADH₂ et du NADH₂ traversant les cytochromes libèrent-ils de l'énergie pour la synthèse de l'ATP ? Comment s'appelle cette synthèse d'ATP ?

FADH₂ et NADH₂ sont oxydés en FAD et NAD et libèrent des ions hydrogène et des électrons hautement énergisés au début de la chaîne respiratoire.

L'énergie perdue par les électrons traversant les cytochromes est utilisée pour pomper des protons (ions hydrogène) hors de la membrane mitochondriale interne (vers la région entre les membranes interne et externe de la mitochondrie). Le gradient de concentration d'hydrogène entre les espaces interne et externe séparés par la membrane interne force les protons (ions hydrogène) à retourner dans la matrice mitochondriale (la région à l'intérieur de la membrane interne). Cependant, ce retour n'est possible que si les ions hydrogène traversent un complexe enzymatique appelé ATP synthétase, qui est noyé dans la membrane interne. Au cours de ce passage, l'ATP synthétase phosphoryle les molécules d'ADP et d'ATP.

L'hydrogène libéré dans la mitochondrie se lie ensuite à l'oxygène pour former de l'eau. En tant que réaction qui dépend de l'oxygène, ce type de synthèse d'ATP est appelé phosphorylation oxydative.

29. Jusqu'au cycle de Krebs, la respiration aérobie peut être décrite sans mentionner l'oxygène, l'élément chimique d'après lequel la réaction tire son nom. Dans quelle partie du processus cet élément chimique participe-t-il ? Quelle est son importance ?

L'oxygène est impliqué dans la respiration aérobie dans sa phase finale, la chaîne respiratoire. Il est d'une importance fondamentale car il est responsable du maintien du gradient de concentration en hydrogène entre les espaces séparés par la membrane mitochondriale interne. Ce gradient favorise le fonctionnement de l'ATP synthétase et donc la phosphorylation de l'ADP pour former l'ATP. Dans l'espace à l'intérieur de la membrane interne, l'oxygène se lie aux atomes d'hydrogène libres pour former de l'eau. Cette consommation d'hydrogène maintient le gradient d'hydrogène et le trafic de protons à travers l'ATP synthétase.

L'ensemble du processus de respiration aérobie a lieu pour faire fonctionner l'ATP synthétase. Les organismes aérobies, comme nous, les humains, par exemple, ont besoin de respirer de l'oxygène pour maintenir le gradient de concentration en hydrogène et pour maintenir le fonctionnement de l'ATP synthétase.

30. Quel est l'effet du poison cyanure sur la respiration aérobie ?

Le cyanure est un poison qui inhibe le dernier cytochrome de la chaîne respiratoire, interrompant la formation d'ATP et provoquant ainsi la mort de la cellule.

31. Qu'est-ce que l'anoxie ?

L'anoxie est une situation dans laquelle il n'y a pas d'oxygène disponible dans la cellule. Sans oxygène, la chaîne respiratoire s'arrête, il n'y a pas de production d'ATP, la cellule n'obtient pas d'énergie et elle meurt.

L'anoxie peut être causée, par exemple, par une insuffisance pulmonaire (noyade, lésions pulmonaires étendues, etc.), par des obstructions, des arrêts et des déficiences de la circulation tissulaire (athérosclérose des artères coronaires qui irriguent le myocarde, garrots, arrêt cardiaque), par hémolyse (lyse des globules rouges) ou des maladies de l'hémoglobine (anémie, érythroblastose fœtale), etc.

L'efficacité de la respiration aérobie

32. Combien de molécules d'ATP sont produites après la respiration aérobie et quel est le gain énergétique net du processus ?

Après la respiration aérobie, 38 molécules d'ATP sont produites à partir de la consommation d'une molécule de glucose (mais deux de ces molécules d'ATP sont consommées par la glycolyse). Le gain net du processus est alors de 36 molécules d'ATP par molécule de glucose. 

33. Quelle est l'équation générale de la respiration aérobie (représentant également l'ADP et le phosphate) ?

L'équation générale de la respiration aérobie est :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 36 ADP + 36 P --> 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 ATP 

34. Pourquoi la consommation d'oxygène moléculaire peut-elle indiquer le taux métabolique des organismes aérobies ?

La consommation d'oxygène moléculaire (O₂) a une relation directe avec le taux métabolique des cellules aérobies et donc le taux métabolique des organismes. Les cellules ayant une plus grande activité métabolique nécessitent plus d'énergie et cette énergie provient des molécules d'ATP. Comme la production d'ATP est requise, l'intensité de la respiration cellulaire aérobie est également plus élevée et plus d'oxygène est consommé.

Maintenant que vous avez fini d'étudier la respiration cellulaire, voici vos options :


Branches de la biologie

· Agriculture - l'étude de la production de cultures à partir de la terre, en mettant l'accent sur les applications pratiques

· Anatomie - l'étude de la forme et de la fonction, chez les plantes, les animaux et d'autres organismes, ou en particulier chez les humains

· Biochimie - l'étude des réactions chimiques nécessaires à l'existence et au fonctionnement de la vie, généralement axée sur le niveau cellulaire

· Botanique – l'étude des plantes

· Biologie cellulaire - l'étude de la cellule en tant qu'unité complète et les interactions moléculaires et chimiques qui se produisent dans une cellule vivante

· Écologie - l'étude des interactions des organismes vivants entre eux et avec les éléments non vivants de leur environnement

· Microbiologie - l'étude des organismes microscopiques (micro-organismes) et de leurs interactions avec d'autres êtres vivants

· Biologie moléculaire - l'étude de la biologie et des fonctions biologiques au niveau moléculaire

· Physiologie - l'étude du fonctionnement des organismes vivants et des organes et parties d'organismes vivants

· Zoologie - l'étude des animaux, y compris la classification, la physiologie, le développement et le comportement.

Chose vivante et chose non-vivante

Un être vivant est un organisme ou une forme vivante qui possède ou présente les caractéristiques de la vie. Ainsi, ils ont une structure organisée étant constituée d'une ou de plusieurs cellules, ont besoin d'énergie pour survivre, de capacité à se reproduire, croître, métaboliser, répondre aux stimuli, se déplacer, respirer et s'adapter à l'environnement.

Des exemples d' êtres vivants comprennent les bactéries , les protozoaires , les plantes , les champignons , les animaux , les humains , etc. Les virus ne sont pas absolument vivants ou non vivants. En dehors de leur hôte, les virus sont inactifs et apparemment inanimés. Une fois à l'intérieur de leur hôte, ils sont devenus actifs et vivants, capables d'utiliser les structures de la cellule hôte et de se répliquer.

Une chose non vivante est une chose qui manque ou a cessé d'afficher les caractéristiques de la vie. Ainsi, ils manquent ou n'affichent plus la capacité de croissance, de reproduction, de respiration, de métabolisme et de mouvement. Ils ne sont pas non plus capables de répondre aux stimuli et de s'adapter à leur environnement. Ils ne nécessitent pas non plus d'énergie pour continuer à exister. Des exemples d'êtres non vivants sont la roche, l'eau et le soleil.

Caractéristiques des êtres vivants

1. Alimentation : Tous les organismes vivants ont besoin de puiser des substances dans leur environnement pour obtenir de l'énergie, grandir et rester en bonne santé.

2. Mouvement : Tous les organismes vivants présentent un mouvement d'une sorte ou d'une autre. Tous les organismes vivants ont un mouvement interne, ce qui signifie qu'ils ont la capacité de déplacer des substances d'une partie de leur corps à une autre. Certains organismes vivants présentent également des mouvements externes - ils peuvent se déplacer d'un endroit à l'autre en marchant, en volant ou en nageant.

3. Respiration ou Respiration : Tous les êtres vivants échangent des gaz avec leur environnement. Les animaux absorbent de l'oxygène et expirent du dioxyde de carbone.

4. Excrétion : L'excrétion est l'élimination des déchets du corps. Si ces déchets restaient dans le corps, ils pourraient être toxiques. Les humains produisent un déchet liquide appelé urine. Nous excrétons également des déchets lorsque nous expirons. Tous les êtres vivants doivent éliminer les déchets de leur corps.

5. Croissance : Lorsque les êtres vivants se nourrissent, ils gagnent de l'énergie. Une partie de cette énergie est utilisée pour la croissance. Les êtres vivants deviennent plus gros et plus compliqués à mesure qu'ils grandissent.

6. Sensibilité ou irritabilité : Les êtres vivants réagissent aux changements qui les entourent. Nous réagissons au toucher, à la lumière, à la chaleur, au froid et au son, comme les autres êtres vivants.

7. Reproduction : Tous les êtres vivants produisent des petits. Les humains font des bébés, les chats produisent des chatons et les pigeons pondent des œufs. Les plantes se reproduisent également. Beaucoup produisent des graines qui peuvent germer et devenir de nouvelles plantes.

Différences entre les plantes et les animaux

1) Les plantes sont généralement enracinées à un endroit et ne se déplacent pas toutes seules (locomotion).

La plupart des animaux ont la capacité de se déplacer assez librement.

2) Les plantes contiennent de la chlorophylle et peuvent fabriquer leur propre nourriture, c'est ce qu'on appelle la photosynthèse.

Les animaux ne peuvent pas fabriquer leur propre nourriture et dépendent des plantes et d'autres animaux pour se nourrir.

3) Les plantes dégagent de l'oxygène et absorbent le dioxyde de carbone émis par les animaux.

Les animaux dégagent du dioxyde de carbone dont les plantes ont besoin pour se nourrir et absorbent l'oxygène dont ils ont besoin pour respirer.

4) Les cellules végétales ont des parois cellulaires et d'autres structures diffèrent de celles des animaux.

Les cellules animales n'ont pas de parois cellulaires et ont des structures différentes de celles des cellules végétales.

5) Les plantes n'ont aucune capacité de détection ou une capacité très basique.

Les animaux ont un système sensoriel et nerveux beaucoup plus développé.

La croissance se produit également sur toutes les parties.

1. Lequel des énoncés suivants n'est PAS une caractéristique de la vie ? (a) Mouvement (b) Respiration (c) Tissu (d) Reproduction Réponse : Tissu

2. ————————- est l'élimination des déchets du corps. (a) Irritabilité (b) Excrétion (c) Adaptation (d) Croissance Réponse : Excrétion

3. Les plantes contiennent de la chlorophylle et peuvent fabriquer leur propre nourriture en ————————– (a) la respiration (b) la bouche (c) la photosynthèse (d) la proie Réponse : la photosynthèse

4. La capacité de répondre aux stimuli est appelée ———————- (a) Irritabilité (b) Excrétion (c) Adaptation (d) Croissance Réponse : Irritabilité

5. Les branches de la biologie sont les suivantes, sauf ——————– (a) l'écologie (b) la botanique (c) la zoologie (d) la philosophie Réponse : la philosophie


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