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Bienvenue au quiz de camerecole sur l’énergétique biologique.
Le programme de ce quiz est celui de la terminale scientifique dont les objectifs sont :
• Relever que la dépense énergétique d’un organisme est permanente et varie selon les conditions du milieu
• Définir la notion métabolisme de base d’un individu ou métabolisme basale
• Expliquer les mécanismes de la respiration et des fermentations
• Définir les termes quotient respiratoire et intensité respiratoire
• Calculer le quotient respiratoire et l’intensité respiratoire
• Relever que l’ATP est l’unique source d’énergie directement utilisable par les cellules
• Comparer le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation
• Expliquer les mécanismes de biochimiques de synthèse de l’ATP dans les cellules.
Résumé
La dépense énergétique d’un organisme animal, et un mammifère en particulier, est permanente quelles que soient les conditions de vie de l’animal (car la consommation de dioxygène est aussi permanente). La libération d’énergie est un phénomène caractéristique de la vie. Cependant, sa valeur n’est pas constante.
La dépense énergétique, bien que permanente, varie en fonction :
• des facteurs internes : activité physiologique, âge, sexe,
• des facteurs externes : la température chez les animaux endothermes ou homéothermes c'est-à-dire des animaux qui maintiennent leur température corporelle constante quelles que soient les variations de la température du milieu.
NB : Plus l’animal est petit, plus sa dépense énergétique est grande : c’est la ‘’loi des tailles’’.
L’évaluation du métabolisme de repos chez un homme s’effectue dans des conditions très précises :
• l’individu doit être à jeun depuis 12 heures, afin d’éliminer les dépenses liées au travail digestif ;
• le sujet doit être au repos intellectuel (afin de réduire au minimum l’activité des neurones) ; et au repos physique (afin de supprimer l’activité musculaire, sauf le tonus musculaire qui est permanent) ;
• le sujet doit être placé à une température ambiante dite de neutralité thermique, afin d’éliminer les dépenses énergétiques liées au maintien de la constance de la température interne du corps.
Le métabolisme de repos est une constante physiologique qui mesure la dépense nécessaire au maintien de l’homéothermie et aux travaux irréductibles tels que les mouvements respiratoires et cardiaques, le fonctionnement des centres nerveux, les sécrétions continues (hormones, urines, bile, …), biosynthèses cellulaires,
Le métabolisme de base varie avec l’espèce, l’âge, le sexe et l’état physiologique. En effet, à masse égale, il est plus élevé chez l’homme que chez la femme. Il est très élevé à la naissance, diminue avec l’âge et s’annule à la mort de l’organisme.
Enfin, chez un même individu, certaines circonstances peuvent faire varier la valeur du métabolisme de base : grossesse (augmentation de 10 à 20 %), pathologies de la glande thyroïde (augmentation jusqu’à plus de 70 % parfois en cas d’hyperthyroïdie et baisse jusqu’à moins 30 % en cas d’hypothyroïdie).
On définit le métabolisme cellulaire comme étant l’ensemble des réactions de dégradation et de synthèse se produisant dans cette cellule.
Les fermentations sont des réactions de dégradation incomplète qui produisent de l’énergie utilisable par les cellules.
L’ATP ou Adénosine Triphosphate est une molécule universellement répandue chez les êtres vivants. Elle comporte trois groupements phosphates (ou phosphoryles).
Son hydrolyse, catalysée par une enzyme (ATPase) rompt la dernière liaison phosphate et produit une molécule d’ADP (adénosine diphosphate) avec libération d’énergie (environ 31 kJ.mol-1 d’ATP hydrolysée à 25 °C et 42 kJ.mol-1 d’ATP hydrolysée à 37 °C)
L’hydrolyse de l’ATP est généralement associée à une autre réaction qui, acceptant le groupement phosphate libéré, voit son potentiel énergétique accru : c’est la réaction de synthèse de l’ATP à partir de l’ADP ou phosphorylation de l’ADP. Elle admet pour biocatalyseur l’ATP synthétase.
Les réactions d’hydrolyse et de synthèse de l’ATP peuvent être qualifiées de couplées car un transfert d’énergie se produit d’une molécule à une autre.
Le rendement énergétique est le rapport entre l’énergie qui est effectivement récupérée sous forme d’ATP et l’énergie totale fournie.
Respiration et fermentation sont deux processus libérateurs d’énergie dont le rendement énergétique est très différent : il est relativement bas dans le cas de la fermentation.
Cette différence s’explique par le fait que la libération de l’énergie chimique du métabolite est complète dans le cas de la respiration et partielle dans le cas de la fermentation.
NB : la chaleur rayonnée (dissipée) n’est pas inutile. Chez les animaux homéothermes (à sang chaud), cette chaleur sert au maintien de l’homéothermie.
La catalyse complète des nutriments (glucose) au cours de la respiration se fait en deux phases :
• une 1ère phase qui aboutit à la formation de l’acide pyruvique par déshydrogénations successives du glucose : c’est la glycolyse. Elle a lieu dans le hyaloplasme.
• Une 2ème phase qui consiste en des réactions de déshydrogénation et de décarboxylation permettant l’oxydation complète de l’acide pyruvique : c’est le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique. Il a pour siège la matrice mitochondriale.
• Décarboxylation oxydative : élimination d’un groupement CO2 d’une molécule sous l’action d’une enzyme, la décarboxylase), qui catalyse l’oxydation de la molécule en présence de coenzyme.
• Déshydrogénation : élimination de deux atomes d’hydrogène d’une molécule par une déshydrogénase lors d’une oxydation en l’absence d’O2. Ces atomes sont récupérés par un transporteur oxydé (T+ ou Tox) qui devient réduit (TH2 ou Tred), alors que le substrat, de réduit devient oxydé.
• Décarboxylation oxydative : élimination d’un groupement CO2 d’une molécule sous l’action d’une enzyme, la décarboxylase), qui catalyse l’oxydation de la molécule en présence de coenzyme.
• Déshydrogénation : élimination de deux atomes d’hydrogène d’une molécule par une déshydrogénase lors d’une oxydation en l’absence d’O2. Ces atomes sont récupérés par un transporteur oxydé (T+ ou Tox) qui devient réduit (TH2 ou Tred), alors que le substrat, de réduit devient oxydé.
• Coenzyme A : molécule organique dérivant d’une vitamine (groupe B). Le coenzyme A transporte un groupe acétyle (CH3-CO) provenant de la dégradation des glucides, lipides et acides aminés dans le hyaloplasme vers la matrice de la mitochondrie où se poursuit la dégradation du radical par le cycle de Krebs.
• Acide oxaloacétique (HOOC-CH2-CO-COOH) : acide carboxylique à 4 atomes de carbone qui fixe le groupement acétyle apporté l’acétyl-CoA et donne un acide carboxylique à 6 atomes de carbone, l’acide citrique.
• Transporteur d’hydrogène : molécule oxydée de type coenzyme capable de fixer et de transporter deux protons et deux électrons. Le transporteur est alors réduit.
• Chaîne respiratoire : chaîne d’oxydoréduction contenue dans la membrane interne de la mitochondrie. Il s’agit d’un ensemble de transporteurs d’hydrogène classés suivant leur potentiel redox* croissant. Les électrons parcourant cette chaîne engendrent un champ électrique responsable du pompage, contre un gradient de pH, des protons H+ qui s’accumulent dans l’espace inter membranaire des mitochondries.
• Le dioxygène est l’accepteur final de cette chaîne de transporteurs. En fixant les protons H+, il est lui-même réduit, permettant la formation de molécules d’eau.
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