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Energie et cellule vivante - Spé SVT - Terminale S

Energie et cellule vivante - Spé SVT - Terminale S

Les organismes vivants synthétisent au sein de leurs cellules des molécules organiques destinées à leur structure et leur fonctionnement. Cette activité requiert de l'énergie. Une partie du métabolisme cellulaire sera donc dédié à la production...
Document rédigé par un prof Energie et cellule vivante - Spé SVT - Terminale S

Quiz de Spé SVT :

La contraction d’un muscle squelettique fait suite à son excitation par :

  • A.Une décharge sanguine
  • B.Une motoneurone
  • C.Des protéines
  • D.Une décharge électrique
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Le contenu du document

Les organismes vivants synthétisent au sein de leurs cellules des molécules organiques destinées à leur structure et leur fonctionnement. Cette activité requiert de l'énergie. Une partie du métabolisme cellulaire sera donc dédié à la production d'énergie.

I - La photosynthèse

La photosynthèse est la voie d'entrée de l'énergie dans les chaînes trophiques, c'est-à-dire chaînes alimentaires. C'est le seul mécanisme permettant la synthèse de molécules organiques, notamment le glucose, à partir de l'énergie lumineuse et de matières minérales, comme le CO2 atmosphérique et l'eau. Cette réaction rejette du dioxygène. Les végétaux sont les seuls organismes capables de réaliser cette prouesse : ils sont autotrophes.
Voici l'équation bilan de la photosynthèse : 6O 2 +6H 2 O = C 6 H 12 O 6+ + 6O 2

1 - Déroulement de la photosynthèse

Elle se déroule en deux phases, dans deux compartiments différents des chloroplastes, des organites propres aux cellules chlorophylliennes.
  • Phase photochimique : Elle se déroule dans la membrane des thylakoïdes. C'est la phase photo-dépendante. C'est une succession de réactions d'oxydoréduction. La chlorophylle, qui est un pigment donnant leur couleur verte aux chloroplastes, a converti l'énergie lumineuse en énergie chimique. L'eau est oxydée en O 2 et les composés réduits ATP et NADPH 2 (RH 2 pour simplifier) sont produits.
2H 2 O + 2R = 2RH 2 + O 2
  • Phase chimique : Elle se déroule dans le stroma. L'ATP et le RH 2 sont oxydés pour réduire le CO 2 atmosphérique dans une suite de réactions appelée cycle de Calvin. Le CO 2 est fixé sur une molécule de ribulose-5-phosphate (Ru BP) à 5 atomes de carbone qui est régénérée au cours du cycle, afin de fixer une nouvelle molécule de CO 2. La RuBisCO est l'enzyme catalysant cette réaction de fixation.

II - La respiration cellulaire

La respiration cellulaire est présente dans la plupart des cellules eucaryotes, qui sont végétales ou animales. Cette fois-ci, l'énergie nécessaire provient du glucose, qui est oxydé et non de la lumière. Les animaux, étant incapables d'utiliser l'énergie lumineuse, sont dits hétérotrophes. Le but de cette respiration est la production d'ATP, la molécule de base pour le transfert de l'énergie dans les organismes. Elle est utilisée pour les « travaux de la cellule », soit pour la synthèse chimique, comme c'est le cas entre les deux phases de la photosynthèse et des mouvements.
Voici l'équation bilan de la respiration : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O
NB : Dans les cellules végétales, la photosynthèse revêt une importance largement supérieure à la respiration.

1 - Déroulement de la respiration cellulaire

Elle débute dans le cytoplasme où se produit la glycolyse. Le glucose est oxydé en deux molécules d'acide pyruvique. Deux molécules d'ATP sont formées pour l'oxydation d'un glucose, de même que deux molécules de NADH 2 (R'H 2).
Elle se poursuit dans la matrice de la mitochondrie. Une suite de réactions, appelée cycle de Krebs, oxyde totalement l'acide pyruvique en CO 2. Pour chaque acide pyruvique, une nouvelle molécule d'ATP et une molécule de R'H 2 sont formées.
Elle se termine dans les crêtes mitochondriales où a lieu la chaîne de transfert électronique : la chaîne respiratoire. Une succession de réactions redox forme de l'ATP en oxydant le R'H 2. L'O 2 est réduit en bout de chaîne. Il accepte les électrons et les hydrogènes libérés pour former de l'eau. Trente-deux molécules d'ATP sont formées par cette chaîne pour chaque molécule de glucose. Le rendement de la respiration est extraordinaire.

III - La fermentation

Elle consiste en la formation d'ATP par la glycolyse. Le R'H 2 formé est ensuite oxydé en R', réutilisable pour une nouvelle glycolyse selon deux procédés. L'un produit de l'éthanol, par la fermentation alcoolique et l'autre produit de l'acide lactique par la fermentation lactique. Dans les deux cas, l'oxydation du glucose est incomplète et le rendement est donc inférieur à celui de la respiration. Mais ce processus présente la particularité de pouvoir se faire en anaérobiose, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène.

IV - La contraction des fibres musculaires

Qu'elle provienne de la photosynthèse, de la respiration ou de la fermentation, la molécule d'ATP est l'unité énergétique de base des cellules eucaryotes. Elle transfert l'énergie issue de ces 3 procédés dans tout l'organisme pour divers types de réactions. La contraction des fibres musculaires en est un exemple.

1 - La fibre musculaire : une cellule spécialisée

Ce sont de longues cellules contenant de grandes réserves de glucose sous forme de glycogène. Mais, leur volume est essentiellement occupé par les myofibrilles, subdivisées en sarcomères dont les extrémités sont appelées stries Z. Chaque sarcomère est composé de deux types de filament : l'actine, des filaments fins attachés aux stries Z, et la myosine, des filaments épais possédant une extrémité en bulbes. Les têtes de myosine, qui sont attachées aux filaments d'actine, sont situées au centre des sarcomères.

2 - La contraction

Elle se déroule en deux actions qui, lorsqu'elles sont répétées, provoquent le glissement des filaments d'actine par rapport aux filaments de myosine et, ainsi, la contraction.
  • La fixation d'une molécule d'ATP sur la tête de myosine provoque le détachement, soit la rupture des liaisons, du filament d'actine.
  • L'hydrolyse de l'ATP provoque un basculement de la tête de myosine qui se fixe alors plus loin sur le filament d'actine.
La contraction synchronisée des sarcomères provoque la contraction des cellules musculaires et, au final, la contraction du muscle.

3 - Provenance de l'ATP

Les réserves en ATP des cellules musculaires sont faibles. Sans les mécanismes de régénération rapide de l'ATP, la contraction ne pourrait durer que quelques secondes. Trois mécanismes de régénération se succèdent :
  • La phosphocréatine : Son stock dans le muscle s'épuise en 20 secondes. Elle permet la régénération de l'ATP en absence de métabolites ou d'oxygène.
  • La fermentation lactique : Elle consomme rapidement les réserves de glycogène du muscle en absence d'oxygène. Elle prend le relais quand les réserves en ATP et en phosphocréatine sont épuisées. Le rendement est faible.
  • La respiration cellulaire : C'est le meilleur moyen de produire durablement et efficacement de l'ATP. Elle est limitée par l'apport en dioxygène. Les deux premières voies de régénération de l'ATP permettent en fait de maintenir une contraction en attendant que le système cardiovasculaire s'adapte pour un approvisionnement accru en dioxygène. Ce dernier est nécessaire à la respiration cellulaire.
A noter que, quand le système respiratoire est à saturation, la fermentation lactique permet la production d'un surplus d'ATP. La production d'acide lactique, qui abaisse le pH des fibres musculaires, est à l'origine de la fatigue musculaire.
Fin de l'extrait

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