La respiration cellulaire : étapes, transporteurs et rendement
Glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire : comment la cellule tire 38 ATP d’une seule molécule de glucose.
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La respiration cellulaire : étapes, transporteurs et rendement
Module I : Le monde vivantSéquence 1 : Quelques voies de régénération de l’énergie par les organismesSéances 3-4 : La respiration cellulaire
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💡 Idée principale : la respiration cellulaire dégrade complètement le glucose en CO₂ et H₂O en présence de dioxygène. Elle se déroule en étapes : glycolyse dans le hyaloplasme, cycle de Krebs dans la matrice, puis chaîne respiratoire où les transporteurs réduits sont réoxydés, ce qui fournit environ 38 ATP par glucose.
Étapes résumées
Glycolyse (hyaloplasme) : glucose → 2 pyruvates + 2 ATP + 2 NADH,H⁺, sans O₂.
Dans la matrice, le pyruvate devient acétyl-CoA puis entre dans le cycle de Krebs : CO₂ libéré, transporteurs réduits.
Chaîne respiratoire (crêtes) : NADH,H⁺ et FADH₂ sont réoxydés, l’O₂ devient H₂O et l’ATP synthase fabrique l’ATP.
Bilan : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O ; ≈ 38 ATP ; rendement ≈ 40 %, le reste est perdu en chaleur.
le dégagement d’O₂les molécules d’ATPla glycémie
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Situation problème
Lors du cross scolaire organisé à Ngaoundéré, Ibrahim, élève de 1ère C, respire très vite et transpire. Son camarade Bello s’étonne : « Pourquoi as-tu besoin de plus d’air quand tu cours ? Le sucre de ton petit-déjeuner ne suffit-il pas ? ». Le professeur d’EPS répond que le sucre doit être « brûlé » avec le dioxygène, à l’intérieur des cellules, dans de minuscules organites.
Consignes :
Relève le problème scientifique posé.
Quel organite cellulaire est responsable de cette « combustion » ?
Pourquoi l’effort augmente-t-il les besoins en dioxygène ?
Compétence visée
Améliorer la production de l’énergie par l’organisme en expliquant le rôle du dioxygène et des nutriments dans les cellules.
Objectifs de la leçon
Localiser et décrire les étapes de la dégradation du glucose.
Expliquer le rôle des transporteurs d’hydrogène et de la chaîne respiratoire.
Calculer le rendement énergétique de la respiration.
le problèmel’objectifla respiration
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Mise en évidence et siège de la respiration
Activité 1 : quel compartiment consomme le dioxygène ?
On sépare, par centrifugation, des cellules de foie de rat en deux fractions : le hyaloplasme (cytoplasme sans organites) et une suspension de mitochondries. On mesure la consommation d’O₂ et les produits formés dans chaque milieu.
Milieu
Substance ajoutée
O₂ consommé
Produits apparus
Hyaloplasme
glucose
non
acide pyruvique
Mitochondries
glucose
non
aucun
Mitochondries
acide pyruvique
oui
CO₂ et H₂O
Hyaloplasme + mitochondries
glucose
oui
CO₂ et H₂O
Document 1 : résultats d’expériences sur des fractions cellulaires.
Les mitochondries utilisent-elles directement le glucose ?
Déduis-en les deux grandes étapes de la dégradation du glucose et leur lieu.
Ce qu’il faut comprendre : le glucose est d’abord transformé en acide pyruvique dans le hyaloplasme, sans dioxygène : c’est la glycolyse. Le pyruvate entre ensuite dans la mitochondrie où il est oxydé complètement en CO₂ et H₂O, avec consommation d’O₂. La mitochondrie est le siège de la respiration proprement dite.
la mitochondrieles organitesle glucose
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1. L’ultrastructure de la mitochondrie
Document 2 : mitochondrie en coupe (schéma d’interprétation).
2. Équation globale
C6H12O6 + 6 O2 ⟶ 6 CO2 + 6 H2O + 2 860 kJCette équation résume une longue suite de réactions, chacune catalysée par une enzyme spécifique. Le glucose (ou métabolite) est un donneur d’hydrogène ; le dioxygène est l’accepteur final d’hydrogène.
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Les étapes de la dégradation du métabolite
3. Vue d’ensemble des quatre étapes
Document 3 : de la glycolyse à la chaîne respiratoire.
Les étapes de la respiration cellulaire
1
① Glycolyse (hyaloplasme)
Glucose (6 C) → 2 acides pyruviques (3 C). Gain : 2 ATP et 2 NADH,H⁺. Pas besoin d’O₂.
2
② Décarboxylation oxydative (matrice)
Chaque pyruvate perd un CO₂ et un hydrogène : il devient l’acétyl-coenzyme A (2 C) + NADH,H⁺.
3
③ Cycle de Krebs (matrice)
L’acétyl-CoA est oxydé : par tour, 2 CO₂, 3 NADH,H⁺, 1 FADH₂ et 1 ATP. Deux tours par glucose.
4
④ Chaîne respiratoire (crêtes)
Les transporteurs réduits cèdent leurs électrons ; l’O₂ les accepte et forme H₂O ; l’ATP est synthétisé.
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D’où vient le CO₂ que nous expirons ?
Il est produit par les décarboxylations du pyruvate et du cycle de Krebs : 6 CO₂ par glucose.
L’eau formée provient de la réduction du dioxygène au bout de la chaîne respiratoire.
Le rôle des transporteurs d’hydrogène
Les transporteurs : des « navettes » d’hydrogène
Forme oxydée
NAD⁺ et FAD : ils captent les hydrogènes arrachés au métabolite lors de la glycolyse et du cycle de Krebs.
⇄
Forme réduite
NADH,H⁺ et FADH₂ : ils portent ces hydrogènes (protons et électrons) jusqu’à la chaîne respiratoire.
l’ADNle cycleles fumées
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Activité 2 : la réoxydation des transporteurs
La membrane interne des mitochondries porte une chaîne de protéines (T1, T2, T3) et des ATP synthases. Le document 4 montre leur fonctionnement.
Document 4 : la chaîne respiratoire et l’ATP synthase.
Quel est l’accepteur final des électrons ?
Comment l’énergie libérée par le trajet des électrons sert-elle à fabriquer l’ATP ?
Ce qu’il faut comprendre : les NADH,H⁺ et FADH₂ cèdent leurs électrons à la chaîne respiratoire : ils redeviennent NAD⁺ et FAD, prêts à resservir. Les électrons passent de transporteur en transporteur jusqu’au dioxygène, qui forme de l’eau. L’énergie libérée pompe des protons H⁺ dans l’espace intermembranaire ; en revenant dans la matrice par l’ATP synthase, ils permettent la synthèse d’ATP : ADP + Pi → ATP.
Sans dioxygène…
la chaîne respiratoire s’arrête : les transporteurs restent réduits ;
le cycle de Krebs, privé de NAD⁺ et de FAD, s’arrête à son tour ;
la cellule ne produit plus que les 2 ATP de la glycolyse : c’est pourquoi l’asphyxie est vite mortelle pour les neurones.
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Le rendement énergétique de la respiration
4. Le bilan en ATP
Document 5 : nombre d’ATP produits à chaque étape (valeurs classiques).
Exemple guidé : calcul du rendement
La combustion complète d’une mole de glucose libère 2 860 kJ. L’hydrolyse d’une mole d’ATP libère 30,5 kJ. La respiration produit 38 moles d’ATP par mole de glucose. Calcule le rendement énergétique.
Solution : Énergie conservée dans l’ATP : 38 × 30,5 = 1 159 kJ. Rendement = énergie conservée ÷ énergie totale = 1 159 ÷ 2 860 ≈ 0,40 soit 40 %. Les 60 % restants (≈ 1 700 kJ) sont dissipés sous forme de chaleur : elle maintient notre température à 37 °C.
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À quoi sert l’ATP produit ?
à la contraction des muscles (marche, cœur, respiration) ;
aux synthèses de molécules (croissance, réparation des tissus) ;
au transport actif à travers les membranes et à l’activité des neurones.
Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
La respiration cellulaire oxyde complètement le glucose : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie.
La glycolyse se déroule dans le hyaloplasme, sans O₂ : glucose → 2 pyruvates + 2 ATP + 2 NADH,H⁺.
Dans la mitochondrie : pyruvate → acétyl-CoA → cycle de Krebs (matrice) qui libère le CO₂.
Les transporteurs NADH,H⁺ et FADH₂ sont réoxydés par la chaîne respiratoire ; l’O₂ est l’accepteur final.
Bilan : ≈ 38 ATP par glucose, soit un rendement d’environ 40 % ; le reste est perdu en chaleur.
je retiensle bilan énergétiquel’énergie (ATP)
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Vocabulaire à connaître
Glycolysedégradation du glucose en 2 pyruvates dans le hyaloplasme.Cycle de Krebssuite cyclique de réactions de la matrice qui oxyde l’acétyl-CoA.Transporteurmolécule (NAD⁺, FAD) qui accepte puis cède des hydrogènes.Chaîne respiratoireprotéines des crêtes qui conduisent les électrons jusqu’à l’O₂.Rendementrapport entre l’énergie conservée en ATP et l’énergie totale du métabolite.
Je m’évalue
1. Où se déroule la glycolyse ?
2. Quel est l’accepteur final des électrons de la chaîne respiratoire ?
3. Combien d’ATP la respiration produit-elle par glucose ?
4. Que devient l’énergie non conservée dans l’ATP ?
Réponses : dans le hyaloplasme · le dioxygène O₂ · environ 38 ATP · elle est dissipée sous forme de chaleur. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
je réfléchisse protéger les voies respiratoiresle charançon
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Erreurs fréquentes
Croire que le dioxygène est utilisé dès la glycolyse : il n’intervient qu’au bout de la chaîne respiratoire.
Dire que le CO₂ vient du dioxygène : il provient des décarboxylations du métabolite.
Confondre la respiration cellulaire avec la ventilation pulmonaire (inspiration et expiration).
Méthode
Pour calculer un rendement énergétique : écris l’énergie conservée (nombre d’ATP × 30,5 kJ), divise par l’énergie totale contenue dans le métabolite, multiplie par 100 et termine par une phrase qui dit ce que devient le reste de l’énergie.
Activité d’intégration
Le cyanure, présent en petite quantité dans le manioc amer mal préparé, bloque le dernier transporteur de la chaîne respiratoire. À Ebolowa, une famille a été intoxiquée après avoir consommé du manioc trempé trop peu de temps. Les victimes respiraient pourtant normalement, mais leurs cellules manquaient d’énergie.
Explique pourquoi les cellules manquent d’énergie alors que l’air arrive normalement aux poumons.
Indique le nombre d’ATP qu’une cellule peut encore produire par glucose dans ce cas, en justifiant.
Propose deux conseils pour préparer le manioc sans danger.