LA RESPIRATION CELLULAIRE

Année 2015-2016
TP n°
SVT
4
Biologie
TP-TD de Sciences de la Vie et de la Terre – Classe de T S
Enseignement de Spécialité
Durée :
LA RESPIRATION CELLULAIRE
1h30
THEME 1 : ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE
Nom :
Prénom :
Introduction :
Problématique :
Objectifs :
Matériel :
I.
Date :
Joël de Rosnay a écrit dans Le macroscope (1975) : «Tout ce qui vit utilise une molécule véhiculant une réserve d'énergie et
jouant le rôle d'une sorte de batterie portative partout où la cellule a besoin de fournir un travail chimique, mécanique, ou
électrique. Cette molécule s'appelle ATP.»
nde
Nous savons, depuis la 2 , que ce sont les mitochondries qui produisent l’ATP nécessaire au fonctionnement cellulaire
grâce à l’oxydation du glucose par l’O2 : c’est la respiration cellulaire.
Où et comment se réalise la respiration dans une cellule ?
Réaliser une manipulation d’après un protocole ; appliquer une démarche explicative
ExAO avec sondes à O2 et CO2, végétaux chlorophylliens (euglène, géranium, élodée), eau iodée
MISE EN EVIDENCE DE LA RESPIRATION CELLULAIRE
Matériel : On dispose d’une suspension de levure de bière cultivée depuis 24h dans de l’eau distillée et oxygénée.
On dispose également d’une solution de glucose que l’on peut injecter à la suspension.
Pour étudier le processus respiratoire, on utilise un montage ExAO avec sondes mesurant les concentrations en O2 et CO2 dans la suspension
de levure.
Protocole :
1. Placez les sondes dans l’enceinte hermétique contenant la suspension de levure, mettez en route l’agitateur et démarrez les mesures.
Pendant la 1ère minute vous observez ce qui se passe sur l'écran, puis vous ajouter avec une seringue 2 ml de solution glucosée à 50 g/L..
2. Après 1 minute d’enregistrement, ajoutez une seringue de 2 mL de glucose à 20%.
3. Poursuivez les mesures pendant encore 5 minutes.
1) Résultats et interprétation : Utilisez les résultats de votre expérience pour mettre en évidence les échanges gazeux caractéristiques de la
respiration et montrez qu’il existe une relation entre ces échanges et l’injection du glucose.
En l’absence de glucose, on n’observe aucun échange d’O2 ni de CO2 avec le milieu. En présence de glucose, les levures respirent : elles
consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux respiratoires nécessitent donc la consommation de glucose.
2) Etablissez l’équation-bilan simplifiée de la respiration (en veillant à bien l’équilibrer).
Glucose (C6H12O6) + O2 → CO2 + Énergie
L’ajout de molécules d’eau permet d’équilibrer l’équation bilan (acquis de chimie), ce qui donne l’équation :
C6H12O6+ 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Énergie
Rappels :

La levure (Saccharomyces cerivisae) est un champignon formé d'une seule cellule non chlorophyllienne et ovoïde, qui se reproduit par
bourgeonnement.

Des résultats similaires pourraient être obtenus avec des cellules chlorophylliennes placées à l’obscurité. A la lumière, les échanges
gazeux respiratoires ont toujours lieu mais ils sont masqués par ceux de la photosynthèse.

Formule chimique du glucose : C6H12O6.
II.
QUEL EST L’ORGANITE ESSENTIEL DE LA RESPIRATION ?
3) Exploitez les électronographies du document 2 p.35 de votre livre afin de formuler une hypothèse sur la localisation cellulaire de la
respiration (Aide : anaérobie = en présence d’O2 ≠ anaérobie).
La comparaison des ultrastructures des levures permet de constater qu’il y a de nombreuses mitochondries et de grande taille dans les
levures cultivées en aérobiose, alors qu’elles sont peu nombreuses et moins développées dans les levures cultivées en anaérobiose. Tout
ceci suggère que la mitochondrie est l’organite dans lequel se déroule la respiration.
4) En vous aidant de l’expérience du I), proposez une stratégie de résolution réaliste permettant de vérifier l’hypothèse et ses conséquences :
 Ce que je fais = on cherche à démontrer que la respiration se déroule dans les mitochondries.
 Comment je le fais = protocole dans ses grandes lignes = on réalise des cultures de souches sauvages (témoin) et de souches mutées
dans de l’eau distillée contenant du glucose afin de mesurer l’absorption de dioxygène caractéristique de la respiration cellulaire.
 Ce que j’attends = Si les mitochondries sont le siège de la respiration, alors seules les souches sauvages (avec des mitochondries
fonctionnelles) consommeront du dioxygène.
Y. CULUS
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Aide : On dispose de 2 cultures de levure : une souche sauvage avec des mitochondries normales et une souche mutée avec des mitochondries non fonctionnelles.
5) Exploitez les résultats obtenus au doc. 2b p.29 pour éprouver votre hypothèse :

Je vois = En présence de glucose, une souche mutée ne consomme quasiment pas de dioxygène alors qu’une souche normale
consomme du dioxygène.

Je sais = La consommation de dioxygène nécessite du glucose et des mitochondries fonctionnelles;

Je conclus = La mitochondrie est donc l’organite à l’origine de la respiration cellulaire.
III.
LES REACTIONS DE LA RESPIRATION ET LA PRODUCTION D’ATP
Document 1 : Le substrat de la mitochondrie (Doc. 3 p.29 du livre)
Document 2 : Bilan chimique de la glycolyse
L’oxydation d’une molécule de glucose (C 6) lors de la glycolyse produit 2 molécules de
pyruvate (2 x C3). Elle est couplée à la réduction de 2 composés R’ en R’H2 (chimiquement
proche de R/RH2 qui interviennent dans la photosynthèse) et à la production de 2 molécules d’ATP.
6) A partir des documents 1 et 2, montrez l’existence
d’une dégradation préalable des glucides dans le hyaloplasme lors de la respiration.
Une suspension de mitochondries placée en présence de
glucose ne consomme pas de dioxygène alors qu’elle en
consomme lorsqu’elle est en présence de pyruvate (doc.1).
Les mitochondries n’oxydent donc pas directement le
glucose.
La respiration comporte une première étape hyaloplasmique de dégradation du glucose en pyruvate. Cette
étape est appelée la glycolyse.
7) Tâche complexe : A partir des documents du livre pages 30 et 31, présentez les réactions chimiques qui se déroulent dans la mitochondrie, en précisant à chaque fois leur localisation.
Le document 1 montre que la mitochondrie contient deux compartiments séparés par une membrane interne : la matrice et l’espace intermembranaire. Chaque compartiment contient des protéines spécifiques, ce qui suggère que ces compartiments n’ont pas les mêmes fonctions au sein de la mitochondrie. Les études sur les différentes fractions de la mitochondrie montrent que la production de CO2 n’a lieu que
suite à l’ajout de pyruvate avec des éléments de la matrice. C’est donc dans la matrice que le pyruvate est dégradé en CO2. Cette étape ne
consomme pas de dioxygène puisqu’elle se réalise de la même manière en présence ou non de dioxygène. En présence de protéines de la
matrice et de pyruvate et de composés oxydés R’, on observe une augmentation de l’absorbance à 350 nm. Or seul R’H2 absorbe cette
longueur d’onde dans la solution. Les protéines de la matrice permettent donc la réduction des composés R’ en R’H2 grâce à l’oxydation du
pyruvate. Cette réaction ne se produit pas si le pyruvate est remplacé par du glucose, ce qui confirme l’importance de la glycolyse comme
première étape de la respiration. L’ensemble des réactions qui se déroulent dans la matrice constitue le cycle de Krebs : il permet la production de composés R’H2 et de CO2 par l’oxydation du pyruvate.
Le document 3 montre que l’ajout de composés réduits R’H2 et d’ADP + Pi permet une consommation de dioxygène et une production
d’ATP. L’ajout d’un inhibiteur des réactions d’oxydoréduction empêche la production d’ATP dans les mêmes conditions. Il existe donc un
couplage entre l’oxydation des composés R’H2 et la production d’ATP. Comme le dioxygène n’est plus consommé en présence de roténone,
on en déduit que l’oxydation des composés R’H2 s’accompagne de la réduction du dioxygène en eau. La membrane interne contenant des
complexes d’oxydoréduction formant des chaînes respiratoires, on confirme que ces réactions ont lieu au niveau de cette membrane interne. En outre, celle-ci contient des complexes enzymatiques capables de synthétiser l’ATP : les ATP synthases. L’oxydation des composés
R’H2 permet donc la production d’ATP par les ATP synthases. Ainsi, le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale permet la formation
de composés réduits R’H2 à partir de l’oxydation du pyruvate. Ces composés s’oxydent grâce à des chaînes respiratoires présentes dans les
membranes internes des mitochondries. Cette oxydation consomme le dioxygène et permet la production d’ATP par des ATP synthases.
8) Complétez le schéma-bilan ci-dessous :
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