Dans le programme du Bac PC
Coefficient 5 en Bac PC, derrière la Physique-Chimie et les Mathématiques (coefficient 7). Premier chapitre de l'unité énergie : il fournit les mécanismes (glycolyse, Krebs, chaîne respiratoire, fermentation) que le chapitre sur le muscle strié réutilise directement.
À l'épreuve
Exploitation de documents : courbes de consommation d'O₂ et de rejet de CO₂, électronographies de mitochondries, comparaison respiration/fermentation, calcul d'un bilan énergétique en ATP et d'un quotient respiratoire.
Objectifs d'apprentissage
- Décrire l'ultrastructure de la mitochondrie (membrane externe, membrane interne plissée en crêtes, matrice) et relier chaque compartiment à une étape de la respiration
- Décrire les trois grandes étapes de la respiration cellulaire : glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire
- Écrire l'équation bilan globale de l'oxydation complète du glucose
- Établir un bilan énergétique (ATP) approximatif de l'oxydation complète d'une molécule de glucose
- Définir et interpréter le quotient respiratoire QR selon la nature du substrat oxydé
- Distinguer la respiration cellulaire de la fermentation par leur rendement énergétique et le devenir du glucose
- Interpréter des données expérimentales de respirométrie (mesures d'échanges gazeux)
Notions clés
L'ultrastructure de la mitochondrie
La mitochondrie possède une membrane externe lisse et une membrane interne fortement repliée en crêtes, qui délimite la matrice mitochondriale. Cette organisation en compartiments n'est pas anodine : chaque étape de la respiration cellulaire se déroule dans un compartiment précis, ce qui permet à la cellule d'organiser spatialement l'extraction progressive de l'énergie du glucose.
Les trois grandes étapes de la respiration
La glycolyse, dans le hyaloplasme, dégrade le glucose en pyruvate sans intervention du dioxygène, en produisant un faible gain net d'ATP et des transporteurs d'électrons réduits (NADH). Le cycle de Krebs, dans la matrice mitochondriale, achève l'oxydation du pyruvate en CO2 et produit davantage de NADH et de FADH2. La chaîne respiratoire, au niveau de la membrane interne, réoxyde ces transporteurs en transférant leurs électrons jusqu'au dioxygène (accepteur final, réduit en eau), ce qui alimente la synthèse chimiosmotique d'ATP par l'ATP synthase — l'étape qui produit l'essentiel de l'ATP cellulaire.
Équation bilan et bilan énergétique
L'oxydation complète d'une molécule de glucose libère, selon les hypothèses de couplage énergétique retenues, de l'ordre d'une trentaine de molécules d'ATP au total (glycolyse, cycle de Krebs et chaîne respiratoire combinés) — un rendement bien supérieur à celui de la seule glycolyse.
Le quotient respiratoire QR
Le QR renseigne sur la nature du substrat principalement oxydé : voisin de 1 pour un substrat glucidique (comme l'équation bilan du glucose le montre), plus faible — de l'ordre de 0,7 — pour un substrat lipidique. La fermentation, en absence de dioxygène, ne permet pas de calculer un QR classique puisqu'elle ne consomme pas de O2 ; elle dégrade incomplètement le glucose et régénère le NAD+ nécessaire à la glycolyse, avec un rendement énergétique bien plus faible que la respiration.
Erreurs fréquentes
1
Confondre la glycolyse (dans le hyaloplasme, sans dioxygène) et le cycle de Krebs (dans la matrice mitochondriale) : la glycolyse a lieu même en l'absence d'oxygène, c'est elle qui alimente aussi bien la respiration que la fermentation.
2
Croire que la chaîne respiratoire produit de l'ATP directement à partir du glucose : elle réoxyde en réalité les transporteurs d'électrons (NADH, FADH2) produits en amont, et c'est ce transfert d'électrons qui alimente la synthèse d'ATP par l'ATP synthase.
3
Oublier que le quotient respiratoire dépend uniquement de la nature du substrat oxydé (glucidique, lipidique...) et non de l'espèce ou de l'organe étudié en tant que tel.
4
Confondre respiration cellulaire (phénomène mitochondrial permanent, consommant du O2) et respiration ventilatoire (mouvements d'entrée et de sortie d'air chez les animaux à poumons).
5
Croire que le bilan ATP de l'oxydation complète du glucose est un nombre unique et universellement fixe : le chiffre couramment retenu (de l'ordre d'une trentaine d'ATP) dépend des hypothèses de couplage énergétique retenues et varie légèrement d'un ouvrage à l'autre.
Exemple corrigé
Énoncé
Un organe en activité consomme 50 mL de dioxygène et rejette 50 mL de dioxyde de carbone en 10 minutes. 1) Calculer le quotient respiratoire QR. 2) En déduire la nature probable du substrat principalement oxydé. 3) Nommer les trois étapes cellulaires impliquées dans la production de l'ATP à partir de ce substrat en présence de dioxygène.
Correction
1) .
- QR = 1 indique l'oxydation préférentielle d'un substrat glucidique (glucose).
- Glycolyse (hyaloplasme), cycle de Krebs (matrice mitochondriale), chaîne respiratoire (membrane interne mitochondriale).
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Exercice 1
FacileNommer les trois compartiments structuraux d'une mitochondrie et l'étape de la respiration qui se déroule dans chacun d'eux (en incluant la glycolyse, qui n'a pas lieu dans la mitochondrie elle-même).
Voir la correction
Le hyaloplasme (hors de la mitochondrie) : la glycolyse. La matrice mitochondriale : le cycle de Krebs. La membrane interne (crêtes mitochondriales) : la chaîne respiratoire et la synthèse d'ATP par l'ATP synthase.
Exercice 2
MoyenUn tissu en activité intense consomme 200 mL de dioxygène et rejette 140 mL de dioxyde de carbone en 10 minutes. Calculer son quotient respiratoire QR et indiquer la nature probable du substrat principalement oxydé.
Voir la correction
. Une valeur proche de 0,7 indique l'oxydation préférentielle de lipides plutôt que de glucides (pour lesquels QR serait proche de 1).
Exercice 3
DifficileDeux échantillons de tissu musculaire sont placés dans des conditions identiques, l'un en présence de dioxygène, l'autre en son absence totale. Prédire, en le justifiant, quel échantillon consommera le plus de glucose pour produire une même quantité d'ATP, et pourquoi.
Voir la correction
L'échantillon privé de dioxygène (en fermentation) consommera nettement plus de glucose. En absence de O2, seule la glycolyse fonctionne (2 ATP net par glucose, avec régénération du NAD+ par fermentation lactique ou alcoolique), alors qu'en présence de O2 la respiration complète (glycolyse + cycle de Krebs + chaîne respiratoire) extrait beaucoup plus d'énergie de chaque molécule de glucose. Pour produire la même quantité d'ATP, il faut donc dégrader beaucoup plus de glucose par fermentation que par respiration.
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Questions fréquentes
Où se déroulent les différentes étapes de la respiration cellulaire ?
La glycolyse se déroule dans le hyaloplasme (cytosol), en dehors de la mitochondrie, et ne nécessite pas de dioxygène. Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice mitochondriale. La chaîne respiratoire et la synthèse d'ATP par l'ATP synthase se déroulent au niveau de la membrane mitochondriale interne, dont les nombreux replis (crêtes) augmentent la surface disponible pour ces réactions.
Pourquoi la chaîne respiratoire produit-elle beaucoup plus d'ATP que la glycolyse ou le cycle de Krebs ?
La glycolyse et le cycle de Krebs ne produisent chacun que 2 ATP par glucose de façon directe (phosphorylation au niveau du substrat), mais ils fournissent surtout des transporteurs d'électrons réduits (NADH, FADH2) riches en énergie. C'est la réoxydation de ces transporteurs au niveau de la chaîne respiratoire, couplée à la synthèse chimiosmotique d'ATP par l'ATP synthase, qui libère l'essentiel de l'énergie — d'où le bilan très supérieur de cette étape.
Le quotient respiratoire est-il toujours égal à 1 ?
Non. QR = volume de CO2 rejeté / volume de O2 consommé n'est proche de 1 que lorsque le substrat oxydé est un glucide (comme dans l'équation bilan du glucose, où 6 CO2 sont rejetés pour 6 O2 consommés). Lorsque l'organisme oxyde préférentiellement des lipides, le QR est plus faible (de l'ordre de 0,7), car l'oxydation des acides gras consomme proportionnellement plus de dioxygène pour un même volume de CO2 rejeté.