Biologie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

15Respiration cellulaire et fermentation

Une fiole de levure dans une solution sucrée, à l’abri de l’air, bouillonne de dioxyde de carbone et transforme le sucre en alcool ; laissez entrer l’air et le bouillonnement ralentit, l’alcool cesse, et la levure croît dix fois plus vite sur le même sucre. Pasteur observa cela en 1861 sans pouvoir l’expliquer ; l’explication a demandé un siècle et traverse tout ce chapitre. L’oxygène permet à une cellule de tirer du glucose quinze fois l’énergie qu’elle en tire sans lui, et elle y parvient en faisant descendre les électrons du sucre le long d’une chaîne de transporteurs jusqu’à l’oxygène, en pompant des protons à travers une membrane à mesure qu’ils tombent, et en laissant les protons revenir par une turbine qui fabrique de l’ATP. Ce chapitre décrit la glycolyse, le cycle de Krebs, la chaîne respiratoire et son couplage chimiosmotique, les fermentations qui se passent d’oxygène, et la combustion des graisses et des protéines par la même machinerie.

15.1 L’oxydation du glucose

Proposition 15.1 (La réaction globale et ses étapes)

L’oxydation complète du glucose,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{\circ\prime} = -2870\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol},

se déroule en trois étapes qui ne laissent jamais les électrons rencontrer directement l’oxygène. La glycolyse, dans le cytosol, scinde le glucose en deux pyruvates et rapporte 2 ATP et 2 NADH. L’oxydation du pyruvate et le cycle de Krebs, dans la matrice mitochondriale, oxydent le pyruvate en $\mathrm{CO_2}$ , chargeant les électrons sur 8 NADH et 2 $\mathrm{FADH_2}$ et fabriquant 2 GTP. La phosphorylation oxydative, dans la membrane interne de la mitochondrie, transmet ces électrons à l’oxygène par une chaîne de transporteurs qui pompe des protons, et le gradient de protons entretient la synthèse d’environ 26 ATP. En tout, quelque 30 ATP par glucose : environ la moitié de l’énergie libre de combustion captée, le reste libéré en chaleur.

Définition 15.2 (Transporteurs d’électrons)

Le $\mathrm{NAD^+}$ (nicotinamide adénine dinucléotide) accepte deux électrons et un proton d’un substrat pour devenir NADH ; le FAD accepte deux électrons et deux protons pour devenir $\mathrm{FADH_2}$ . Tous deux sont des coenzymes de déshydrogénases, et tous deux sont recyclés : réduits par le catabolisme, réoxydés par la chaîne respiratoire. Une cellule n’en contient que des micromoles, qui se renouvellent des milliers de fois par heure. Leurs potentiels rédox, $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ pour $\mathrm{NAD^+}/\mathrm{NADH}$ , les placent très au-dessous de l’oxygène ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ) : chaque paire d’électrons que le NADH cède à l’oxygène libère $\Delta G^{\circ\prime} = -2F\Delta E = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , de quoi payer plus de quatre ATP.

Les trois étapes de la respiration. La glycolyse et le cycle de Krebs arrachent les électrons du glucose sur le NADH et le FADH_2 ; la phosphorylation oxydative les encaisse. — Les trois étapes de la respiration. La glycolyse et le cycle de Krebs arrachent les électrons du glucose sur le NADH et le $\mathrm{FADH_2}$ ; la phosphorylation oxydative les encaisse.

15.2 La glycolyse

Définition 15.3 (Glycolyse)

La glycolyse est une suite de dix réactions enzymatiques du cytosol qui convertit un glucose (C6) en deux pyruvates (C3). Dans la phase d’investissement, deux ATP sont dépensés pour phosphoryler le sucre (l’hexokinase, puis la phosphofructokinase, PFK) et le diphosphate à six carbones est scindé en deux phosphates à trois carbones. Dans la phase de remboursement, chaque triose est oxydé par le $\mathrm{NAD^+}$ (la seule oxydation de la glycolyse) et ses phosphates sont transférés à l’ADP par phosphorylation au niveau du substrat — un phosphate cédé directement par un intermédiaire riche en énergie à l’ADP, sans membrane ni oxygène. Le bilan :

\text{glucose} + 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2\,\text{pyruvate} + 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O} .

Elle n’a pas besoin d’oxygène ; c’est la voie la plus ancienne et la plus universelle du métabolisme.

La glycolyse en résumé. Deux ATP sont dépensés pour bâtir un diphosphate à six carbones, qui se scinde en deux trioses ; leur oxydation et deux phosphorylations au niveau du substrat rapportent en tout quatre ATP et deux NADH. La phosphofructokinase est la vanne de commande de la voie.

Proposition 15.4 (La commande à la phosphofructokinase)

La PFK, première étape irréversible engagée dans la glycolyse, est une enzyme allostérique (Chapitre 13) inhibée par l’ATP et par le citrate — les signaux que l’énergie et le carburant du cycle de Krebs abondent — et activée par l’AMP et l’ADP, les signaux qu’ils manquent. Quand l’ATP est élevé, le flux de la glycolyse tombe en quelques secondes ; quand la cellule dépense de l’ATP, l’AMP monte brusquement (par l’adénylate kinase, $2\,\mathrm{ADP} \rightleftharpoons \mathrm{ATP} + \mathrm{AMP}$ ), et la PFK s’ouvre. La charge énergétique de la cellule règle la voie qui la remplit.

15.3 Oxydation du pyruvate et cycle de Krebs

Définition 15.5 (Pyruvate déshydrogénase, acétyl-CoA)

Le pyruvate entre dans la mitochondrie et est oxydé par le complexe pyruvate déshydrogénase en acétyl-CoA — un groupe acétyle à deux carbones porté par le coenzyme A (Chapitre 11) sur une liaison thioester riche en énergie — avec libération d’un $\mathrm{CO_2}$ et d’un NADH. L’acétyl-CoA est l’entrée commune de tous les carburants dans le cycle : les glucides par le pyruvate, les graisses par la $\beta$ -oxydation, beaucoup d’acides aminés directement.

Définition 15.6 (Le cycle de Krebs)

Le cycle de Krebs (cycle de l’acide citrique), dans la matrice mitochondriale, condense l’acétyl-CoA (C2) avec l’oxaloacétate (C4) en citrate (C6) et, en huit étapes, oxyde les deux carbones en $\mathrm{CO_2}$ tout en régénérant l’oxaloacétate. Par groupe acétyle : 3 NADH, 1 $\mathrm{FADH_2}$ , 1 GTP (par phosphorylation au niveau du substrat) et 2 $\mathrm{CO_2}$ . Par glucose (deux acétyles) : 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP, 4 $\mathrm{CO_2}$ — ce qui, avec les 2 $\mathrm{CO_2}$ de la pyruvate déshydrogénase, fait les six de l’équation globale. Aucun oxygène n’est consommé dans le cycle lui-même ; il ne tourne qu’aussi longtemps que la chaîne respiratoire réoxyde son NADH. Il est en outre amphibolique : ses intermédiaires sont prélevés pour les biosynthèses (Chapitre 16) et réapprovisionnés à partir d’acides aminés et de pyruvate.

Le cycle de Krebs. Un groupe acétyle entre en se condensant avec l’oxaloacétate ; deux carbones sortent en CO_2 aux deux décarboxylations ; les quatre oxydations chargent trois NADH et un FADH_2 ; l’oxaloacétate est régénéré pour le tour suivant. — Le cycle de Krebs. Un groupe acétyle entre en se condensant avec l’oxaloacétate ; deux carbones sortent en $\mathrm{CO_2}$ aux deux décarboxylations ; les quatre oxydations chargent trois NADH et un $\mathrm{FADH_2}$ ; l’oxaloacétate est régénéré pour le tour suivant.

Exemple 15.7 (Suivre les carbones)

Donnez à une cellule du glucose marqué au $\mathrm{^{14}C}$ sur le carbone 1 : le marquage apparaît sur le carbone méthyle du pyruvate, puis de l’acétyl-CoA, entre dans le citrate, et ne sort en $\mathrm{CO_2}$ qu’au deuxième ou au troisième tour du cycle — les deux carbones libérés à un tour donné appartiennent à l’oxaloacétate du tour précédent. Krebs (1937) a déduit le cycle de l’observation que des quantités catalytiques de n’importe lequel de ses acides stimulaient l’oxydation de bien plus de pyruvate qu’elles ne pouvaient en rendre compte : elles étaient régénérées.

Hans Krebs (1900–1981), qui a établi le cycle en 1937 à partir des vitesses auxquelles du muscle de pigeon broyé oxydait ses acides. Photographie : Fondation Nobel, domaine public.

15.4 La phosphorylation oxydative

Définition 15.8 (La chaîne respiratoire)

La chaîne respiratoire est faite de quatre complexes protéiques de la membrane interne de la mitochondrie et de deux transporteurs mobiles. Le NADH donne ses électrons au complexe I, le $\mathrm{FADH_2}$ (par la succinate déshydrogénase, complexe II) donne les siens ; tous deux réduisent l’ubiquinone (Q), quinone liposoluble qui diffuse dans la membrane ; Q les passe au complexe III, qui les remet au cytochrome $c$ , petite protéine de la face externe ; et le complexe IV (la cytochrome oxydase) les livre, quatre à la fois, à l’ $\mathrm{O_2}$ , ce qui fait de l’eau. À chacun des complexes I, III et IV, les électrons chutent en potentiel et l’énergie pompe des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire : environ 4, 4 et 2 par paire d’électrons, dix par NADH, six par $\mathrm{FADH_2}$ (qui entre en aval du complexe I).

La membrane interne de la mitochondrie. Les électrons (orange) tombent du NADH ou du FADH_2 à travers les complexes jusqu’à l’oxygène ; les complexes I, III et IV pompent des protons vers l’extérieur (vert) ; l’ATP synthase les laisse revenir et fabrique de l’ATP. — La membrane interne de la mitochondrie. Les électrons (orange) tombent du NADH ou du $\mathrm{FADH_2}$ à travers les complexes jusqu’à l’oxygène ; les complexes I, III et IV pompent des protons vers l’extérieur (vert) ; l’ATP synthase les laisse revenir et fabrique de l’ATP.

Théorème 15.9 (Le couplage chimiosmotique)

Le gradient de protons bâti par la chaîne — environ $0.16\,\mathrm{V}$ de potentiel de membrane (matrice négative) plus une unité de pH, soit une force protomotrice d’environ $0.22\,\mathrm{V}$ , ou $21\,\mathrm{kJ}$ par mole de protons — est le seul lien entre le transport d’électrons et la synthèse d’ATP. L’ATP synthase, moteur rotatif de la membrane interne, laisse passer environ $3\,\mathrm{H}^{+}$ par ATP fabriqué, et un de plus est dépensé à importer le phosphate et à exporter l’ATP : 4 par ATP. D’où le rapport P/O : $10/4 = 2.5$ ATP par NADH et $6/4 = 1.5$ par $\mathrm{FADH_2}$ .

Faits expérimentaux. Les mitochondries ne fabriquent de l’ATP que si leur membrane interne est intacte et close ; des fragments qui transportent les électrons mais ne peuvent pas retenir de gradient n’en font pas. Les découplants comme le dinitrophénol, qui font passer des protons à travers la membrane, abolissent la synthèse d’ATP alors que la consommation d’oxygène se poursuit et même s’accélère, l’énergie partant en chaleur — la graisse brune le fait délibérément avec sa propre protéine découplante (Chapitre 2), et le dinitrophénol a été vendu comme amaigrissant, qui tuait par hyperthermie. Les inhibiteurs de la chaîne (le cyanure sur le complexe IV) arrêtent les deux ; les inhibiteurs de la synthase (l’oligomycine) arrêtent la synthèse d’ATP et, le gradient ne pouvant plus se décharger, arrêtent aussi la respiration, qu’un découplant rétablit alors. Un gradient de pH artificiel imposé à des mitochondries dans l’obscurité entretient la synthèse d’ATP, comme dans les chloroplastes (Chapitre 14). ∎

Une mitochondrie ouverte. Les replis de la membrane interne multiplient la surface offerte à la chaîne et à la synthase ; la matrice qu’elle enferme abrite le cycle de Krebs.

Méthode 15.10 (Le bilan en ATP d’un glucose)

Glycolyse : $+2$ ATP (net), $+2$ NADH dans le cytosol.
Pyruvate déshydrogénase : $+2$ NADH. Cycle de Krebs : $+6$ NADH, $+2$ $\mathrm{FADH_2}$ , $+2$ GTP ( $=$ ATP).
Phosphorylation oxydative : $2.5$ ATP par NADH mitochondrial (8 : 20 ATP), $1.5$ par $\mathrm{FADH_2}$ (2 : 3 ATP).
Le NADH cytosolique ne peut pas traverser la membrane interne ; ses électrons entrent par une navette qui les livre au $\mathrm{FAD}$ (1.5 chacun, dans le muscle et l’encéphale) ou au $\mathrm{NAD^+}$ (2.5 chacun, dans le foie et le cœur) : 3 ou 5 ATP.
Total : $2 + 2 + 20 + 3 + 3 = 30$ , ou $32$ avec la meilleure navette. Rendement : $30\times 50/2870 \approx 52\,\%$ dans les conditions cellulaires.

15.5 La fermentation

Définition 15.11 (Fermentation)

Sans oxygène, la chaîne respiratoire s’arrête, le NADH ne peut plus être réoxydé, et la glycolyse s’arrêterait en quelques secondes faute de $\mathrm{NAD^+}$ . La fermentation le régénère en employant le pyruvate lui-même comme accepteur d’électrons : dans la fermentation lactique (muscle, globules rouges, bactéries lactiques), le pyruvate est réduit en lactate ; dans la fermentation alcoolique (levures, quelques végétaux), il est décarboxylé en acétaldéhyde, réduit ensuite en éthanol, avec libération de $\mathrm{CO_2}$ . Le rendement est celui de la glycolyse seule : 2 ATP par glucose, un quinzième de celui de la respiration ; le carbone est à peine oxydé et les produits contiennent encore presque toute l’énergie du carburant. La respiration anaérobie — une chaîne de transport d’électrons qui finit sur du nitrate, du sulfate ou du carbonate au lieu de l’oxygène, chez beaucoup de bactéries — est autre chose, traitée dans le volume de deuxième année.

À gauche : la levure de boulanger, en bourgeonnement. À droite : ce que sa fermentation fait à une pâte : le CO_2 de deux ATP de glycolyse par glucose, piégé dans le gluten. L’éthanol part à la cuisson. — À gauche : la levure de boulanger, en bourgeonnement. À droite : ce que sa fermentation fait à une pâte : le $\mathrm{CO_2}$ de deux ATP de glycolyse par glucose, piégé dans le gluten. L’éthanol part à la cuisson.

Proposition 15.12 (L’effet Pasteur)

Une cellule capable de respirer consomme le glucose bien plus vite lorsqu’elle est privée d’oxygène que lorsqu’elle en dispose, et elle y croît bien moins.

Faits expérimentaux. Pasteur (1861) trouva que la levure d’une cuve aérée consommait le sucre lentement et se multipliait, tandis que dans une cuve close elle le consommait dix fois plus vite, se multipliait peu et faisait de l’alcool. L’explication est le rendement en ATP : pour obtenir autant d’ATP à 2 par glucose qu’à 30, la cellule doit faire tourner la glycolyse quinze fois plus vite, et la PFK, libérée de l’inhibition par l’ATP et le citrate que la respiration entretient, le lui permet. Un muscle qui sprinte montre le même effet en quelques secondes : son glycogène baisse vingt fois plus vite qu’au repos, et le lactate monte. ∎

Définition 15.13 (Quotient respiratoire)

Le quotient respiratoire QR est le rapport du $\mathrm{CO_2}$ produit à l’ $\mathrm{O_2}$ consommé, en moles. Les glucides donnent 1.0 (six de chaque par glucose) ; les graisses environ 0.7 (palmitate : $\mathrm{C_{16}H_{32}O_2} + 23\,\mathrm{O_2} \to 16\,\mathrm{CO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}$ , $16/23 = 0.70$ ), parce que leurs carbones sont plus réduits et demandent plus d’oxygène par $\mathrm{CO_2}$ ; les protéines environ 0.8. Une culture qui fermente libère du $\mathrm{CO_2}$ sans prendre d’oxygène : son QR est infini, et le QR d’une culture mixte, supérieur à 1, mesure la part de la fermentation. Mesuré sur un animal entier par analyse des gaz, le QR dit quel carburant il brûle.

Exemple 15.14 (Lire un QR)

Un humain au repos après un repas glucidique : QR 0.95, il brûle du glucose. La même personne après une nuit de jeûne : 0.75, de la graisse. Un marathonien au trentième kilomètre, glycogène épuisé : 0.72. Une fiole de levure sur glucose avec un peu d’air : QR 4 — les trois quarts de son glucose sont fermentés.

15.6 Autres carburants et régulation de l’ensemble

Proposition 15.15 (Graisses et protéines entrent dans la même machinerie)

Les acides gras sont activés en acyl-CoA et, dans la matrice mitochondriale, raccourcis de deux carbones à la fois par la $\beta$ -oxydation, chaque tour donnant un acétyl-CoA, un NADH et un $\mathrm{FADH_2}$ : le palmitate (C16) donne 8 acétyl-CoA, 7 NADH et 7 $\mathrm{FADH_2}$ — environ 106 ATP, soit $6.6\,$ ATP par carbone contre 5 pour le glucose. Les acides aminés perdent leur azote sous forme d’ammoniac (converti en urée dans le foie) et leurs squelettes carbonés entrent sous forme de pyruvate, d’acétyl-CoA ou d’intermédiaires du cycle de Krebs. Tout carburant converge vers l’acétyl-CoA et la chaîne ; la cellule choisit entre eux par les hormones et par l’état de son ATP, comme le décrit le Chapitre 16.

Exemple 15.16 (Un gramme de chaque)

Un gramme de glucose ( $5.6\,\mathrm{mmol}$ ) rapporte environ $170\,\mathrm{mmol}$ d’ATP ; un gramme de palmitate ( $3.9\,\mathrm{mmol}$ ) environ $410\,\mathrm{mmol}$ — les $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ contre $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ du Chapitre 9, convertis en monnaie. La graisse coûte plus d’oxygène par ATP, ce qui explique qu’un muscle de sprinteur, limité par l’oxygène, brûle du glycogène, et qu’un oiseau migrateur, riche en oxygène et limité par la masse, brûle de la graisse.

15.7 Exercices

Exercice 15.1 ★

Nommer les trois étapes de la respiration, leur localisation, et ce que chacune produit.

Solution

Solution de Exercice 15.1.

Glycolyse, cytosol : 2 pyruvates, 2 ATP, 2 NADH. Oxydation du pyruvate et cycle de Krebs, matrice mitochondriale : 6 $\mathrm{CO_2}$ , 8 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. Phosphorylation oxydative, membrane interne : de l’eau à partir de l’oxygène, environ 26 ATP.

Exercice 15.2 ★

Écrire le bilan de la glycolyse et expliquer la « phosphorylation au niveau du substrat ».

Solution

Solution de Exercice 15.2.

Glucose $+ 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2$ pyruvate $+ 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O}$ . Phosphorylation au niveau du substrat : un phosphate est transféré directement d’un intermédiaire riche en énergie (1,3-bisphosphoglycérate, phosphoénolpyruvate) à l’ADP par une enzyme, sans gradient membranaire ni oxygène.

Exercice 15.3 ★

D’après la figure du cycle de Krebs, énumérer dans l’ordre les produits libérés en un tour, et dire d’où viennent les deux $\mathrm{CO_2}$ .

Solution

Solution de Exercice 15.3.

NADH et $\mathrm{CO_2}$ (isocitrate en $\alpha$ -cétoglutarate), NADH et $\mathrm{CO_2}$ ( $\alpha$ -cétoglutarate en succinyl-CoA), GTP (succinyl-CoA en succinate), $\mathrm{FADH_2}$ (succinate en fumarate), NADH (malate en oxaloacétate). Les deux $\mathrm{CO_2}$ viennent des deux décarboxylations des acides à six et à cinq carbones.

Exercice 15.4 ★

Qu’apporte la fermentation à une cellule privée d’oxygène, et qu’est-ce qu’elle n’apporte pas ?

Solution

Solution de Exercice 15.4.

Elle régénère le $\mathrm{NAD^+}$ pour que la glycolyse puisse continuer et rapporter ses 2 ATP par glucose. Elle n’oxyde pas le carbone, n’extrait pas l’énergie qui reste (le produit la conserve presque tout entière) et ne fabrique pas plus d’un quinzième de l’ATP de la respiration.

Exercice 15.5 ★★

Calculer $\Delta G^{\circ\prime}$ pour le transfert de deux électrons du NADH ( $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ ) à l’oxygène ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ), puis à l’ubiquinone ( $+0.05\,\mathrm{V}$ ). Combien d’ATP chaque étape pourrait-elle payer en principe ?

Solution

Solution de Exercice 15.5.

Vers l’oxygène : $-2\times 96\,500\times 1.14 = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , soit quatre ATP à $50\,\mathrm{kJ}$ . Vers l’ubiquinone : $-2\times 96\,500\times 0.37 = -71\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , un ATP.

Exercice 15.6 ★★

Dresser le bilan en ATP d’un glucose dans une cellule musculaire (navette du glycérol-phosphate) et dans une cellule hépatique (navette du malate), avec des rapports P/O de 2.5 et de 1.5.

Solution

Solution de Exercice 15.6.

Muscle : $2 + 2$ (GTP) $+ 8\times 2.5$ (NADH mitochondrial) $+ 2\times 1.5$ ( $\mathrm{FADH_2}$ ) $+ 2\times 1.5$ (NADH cytosolique par le FAD) $= 30$ . Foie : le NADH cytosolique donne $2\times 2.5$ : 32.

Exercice 15.7 ★★

Une culture consomme $1.0\,\mathrm{mmol}$ d’ $\mathrm{O_2}$ et libère $2.2\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ par heure sur glucose. Calculer le QR, ainsi que les fractions du glucose respiré et fermenté.

Solution

Solution de Exercice 15.7.

QR $= 2.2$ . Glucose respiré $x$ : $6x = 1.0$ , $x = 0.167\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 2.2$ , $2y = 1.2$ , $y = 0.6\,\mathrm{mmol}$ . Fermenté $0.6/0.767 = 78\,\%$ du glucose, respiré $22\,\%$ .

Exercice 15.8 ★★

Expliquer ce qu’il advient de la consommation d’oxygène, de la synthèse d’ATP et de la production de chaleur quand on ajoute du dinitrophénol à des mitochondries en respiration, et pourquoi ce produit était mortel.

Solution

Solution de Exercice 15.8.

La consommation d’oxygène augmente (la chaîne, libérée de la contre-pression du gradient, tourne à plein régime), la synthèse d’ATP s’arrête (plus de gradient pour entraîner la synthase), et toute l’énergie des électrons paraît en chaleur. Les patients brûlaient vite leur graisse et mouraient d’une température corporelle que rien ne pouvait faire baisser.

Exercice 15.9 ★★

Le cyanure bloque le complexe IV. Prédire son effet sur la chaîne respiratoire, sur le cycle de Krebs et sur la glycolyse dans une cellule, et expliquer pourquoi le lactate s’accumule dans le sang des personnes intoxiquées.

Solution

Solution de Exercice 15.9.

La chaîne s’engorge : chaque transporteur devient réduit, aucun proton n’est pompé, aucun ATP n’est fabriqué. Le NADH n’est plus réoxydé, de sorte que le cycle de Krebs et la pyruvate déshydrogénase s’arrêtent faute de $\mathrm{NAD^+}$ . La glycolyse, libérée de l’inhibition par l’ATP, tourne vite et doit régénérer son $\mathrm{NAD^+}$ en réduisant le pyruvate en lactate, qui inonde le sang.

Exercice 15.10 ★★★

Calculer le rendement en ATP du palmitate (8 acétyl-CoA, 7 NADH, 7 $\mathrm{FADH_2}$ , moins 2 ATP d’activation) et son rendement par carbone ; calculer l’oxygène consommé par ATP pour le palmitate et pour le glucose. Quel carburant un phoque plongeur devrait-il préférer, et lequel un colibri ?

Solution

Solution de Exercice 15.10.

$8\times 10 + 7\times 2.5 + 7\times 1.5 - 2 = 80 + 17.5 + 10.5 - 2 = 106$ ATP ; $106/16 = 6.6$ par carbone. Oxygène : le palmitate demande 23 $\mathrm{O_2}$ pour 106 ATP, soit $0.22\,\mathrm{O}_{2}$ par ATP ; le glucose 6 pour 30, soit $0.20\,\mathrm{O}_{2}$ par ATP. Par unité d’oxygène, le glucose est $10\,\%$ meilleur : le phoque, limité par l’oxygène sous l’eau, préfère les glucides ; par unité de masse, la graisse est deux fois meilleure : le colibri, limité par la masse en vol, migre sur sa graisse.

Exercice 15.11 ★★★

Une fibre musculaire contient $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ d’ATP et en consomme $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ par seconde en sprint. Combien de temps son ATP durerait-il seul ? Sa phosphocréatine ( $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ) régénère l’ATP un pour un ; son glycogène, par fermentation, donne 3 ATP par unité de glucose jusqu’à $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ d’unités de glucose par seconde. Calculer le temps que chaque réserve peut soutenir le sprint, et expliquer pourquoi un 100 m se court presque entièrement sans oxygène.

Solution

Solution de Exercice 15.11.

ATP seul : $5/3 < 2\,\mathrm{s}$ . Phosphocréatine : $25/3 = 8\,\mathrm{s}$ . Fermentation : $2\times 3 = 6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ d’ATP par seconde, assez pour la demande, tant que durent le glycogène et la tolérance au lactate (quelques dizaines de secondes). La livraison d’oxygène met une minute ou plus à monter et ne fournit au plus qu’environ $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ d’ATP par seconde dans une fibre : une course de dix secondes est finie avant que la respiration n’ait commencé à aider, et elle est payée par la phosphocréatine et la fermentation.

Exercice 15.12 ★★★

« La mitochondrie est une pile chargée par des électrons et déchargée à travers une turbine. » Discuter en un paragraphe : ce que le gradient stocke, ce que fait la synthase, où l’analogie est exacte et où elle est approximative.

Solution

Solution de Exercice 15.12.

Le gradient stocke de l’énergie sous forme d’une différence de concentration en protons et de potentiel électrique de part et d’autre d’une membrane isolante — exactement un condensateur chargé doublé d’une pile de concentration ; la chaîne est le chargeur, entraîné par la chute des électrons ; la synthase est un moteur tourné par le courant de protons, exactement une turbine, qui couple le flux à une rotation mécanique qui fabrique de l’ATP. L’analogie est approximative en ceci que la « pile » ne contient que quelques millisecondes de la consommation de la cellule et doit être rechargée en permanence, que les autres transporteurs de la même membrane y puisent aussi, et que la turbine peut tourner à l’envers, hydrolysant de l’ATP pour pomper des protons quand la chaîne défaille.

15.8 Problème : la levure avec et sans air

Problème 15.1

Problème du week-end — les cuves de Pasteur revisitées : l’ATP compté, le glucose consommé, la biomasse produite et les gaz mesurés, jusqu’au rapport des rendements en ATP et au rapport P/O

On cultive de la levure sur glucose dans deux fioles identiques, l’une aérée, l’autre close. Employer des rapports P/O de 2.5 (NADH) et de 1.5 ( $\mathrm{FADH_2}$ ), la navette à $\mathrm{FADH_2}$ pour le NADH cytosolique, un rendement de croissance de $10.5\,\mathrm{g}$ de biomasse sèche par mole d’ATP, et un glucose à $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Partie I — L’ATP compté.

Énumérer les ATP, GTP, NADH et $\mathrm{FADH_2}$ produits à partir d’un glucose par la glycolyse, la pyruvate déshydrogénase et le cycle de Krebs.
Calculer les protons pompés par la chaîne et par glucose (10 par NADH mitochondrial, 6 par $\mathrm{FADH_2}$ ; le NADH cytosolique entre sous forme de $\mathrm{FADH_2}$ ).
Calculer l’ATP fabriqué par la synthase à $4\,\mathrm{H}^{+}$ par ATP, et le total d’ATP par glucose avec de l’air.
Calculer l’ATP par glucose sans air.
Calculer le rapport des deux rendements.
Calculer l’énergie libre captée avec de l’air ( $\Delta G_{\text{ATP}} = -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ) en fraction des $2870\,\mathrm{kJ}$ , puis sans air en fraction des $2870\,\mathrm{kJ}$ et de l’énergie réellement libérée par la fermentation (glucose en deux éthanols et deux $\mathrm{CO_2}$ : $-235\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ).

Partie II — Glucose consommé, biomasse produite. La fiole close doit fabriquer de l’ATP au même rythme que la fiole aérée pour entretenir ses cellules : $30\,\mathrm{mmol}$ d’ATP par heure.

Calculer le glucose consommé par heure dans chaque fiole.
Calculer l’éthanol et le $\mathrm{CO_2}$ produits par heure dans la fiole close, ainsi que le $\mathrm{CO_2}$ et l’ $\mathrm{O_2}$ échangés dans la fiole aérée.
Calculer la biomasse que la fiole close peut bâtir par mole de glucose, et par gramme de glucose.
La fiole aérée bâtit $0.5\,\mathrm{g}$ de biomasse par gramme de glucose. Calculer l’ATP que cela représenterait à $10.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , et comparer aux 30 ATP disponibles. Qu’est-ce qui limite le rendement aérobie ?
Expliquer l’effet Pasteur à partir des questions 7 et 9, et nommer l’enzyme dont la régulation le réalise.

Partie III — Les gaz mesurés. Une troisième fiole, mal aérée, libère $44\,\mathrm{mg}$ de $\mathrm{CO_2}$ et consomme $20\,\mathrm{mg}$ d’ $\mathrm{O_2}$ par heure.

Convertir les deux en millimoles et calculer le QR.
Soit $x$ le glucose respiré et $y$ le glucose fermenté par heure. Écrire les bilans en $\mathrm{O_2}$ et en $\mathrm{CO_2}$ et résoudre en $x$ et $y$ .
Quelle fraction du glucose est fermentée ? Quelle fraction de l’ATP vient de la fermentation ?
La même fiole sur palmitate au lieu de glucose (en aérobie) : calculer le QR.
Un étudiant mesure un QR de 0.7 chez un animal au repos après une nuit de jeûne et de 1.0 après un repas. Interpréter.

Partie IV — La turbine.

Calculer l’énergie libre d’une mole de protons traversant une force protomotrice de $0.22\,\mathrm{V}$ .
Calculer l’énergie de $4\,\mathrm{H}^{+}$ et le rendement de la synthase à $50\,\mathrm{kJ}$ par ATP.
Calculer l’énergie libre libérée par deux électrons qui tombent du NADH à l’ $\mathrm{O_2}$ ( $1.14\,\mathrm{V}$ ), l’énergie stockée dans les dix protons pompés, et le rendement de la chaîne.
Combiner les deux rendements et comparer à 2.5 ATP $\times$ $50\,\mathrm{kJ}$ sur $220\,\mathrm{kJ}$ .
On ajoute un découplant à la fiole aérée. Prédire les changements de la consommation d’oxygène, du rendement en ATP, de la consommation de glucose, du dégagement de chaleur et de la croissance.
On ajoute à la place de l’oligomycine, qui bloque la synthase. Prédire les changements, et ce qui se passe si l’on ajoute ensuite un découplant par-dessus.
Une levure mutante est dépourvue de complexe I ; son NADH entre dans la chaîne par une enzyme de remplacement qui ne pompe aucun proton. Calculer son rapport P/O pour le NADH et son ATP par glucose.
Expliquer pourquoi la cellule maintient le pool de NADH mitochondrial presque entièrement réduit en l’absence d’oxygène, et ce que cela fait au cycle de Krebs.
Énoncer le résultat : l’ATP par glucose avec et sans air, leur rapport, et les rapports P/O du NADH et du $\mathrm{FADH_2}$ .

Solution

Solution de Problème 15.1.

1. Glycolyse : 2 ATP, 2 NADH (cytosoliques). Pyruvate déshydrogénase : 2 NADH. Krebs : 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. 2. NADH mitochondrial $8\times 10 = 80$ ; $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ ; NADH cytosolique en $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ : 104 protons. 3. $104/4 = 26$ ATP ; total $26 + 2 + 2 = 30$ . 4. 2 ATP. 5. 15. 6. Avec air $30\times 50 = 1500\,\mathrm{kJ}$ : $52\,\%$ des 2870. Sans : $100\,\mathrm{kJ}$ , soit $3.5\,\%$ des 2870 mais $43\,\%$ des 235 libérés — la fermentation capte efficacement ce qu’elle libère ; elle en libère seulement peu. 7. Fiole aérée $30/30 = 1\,\mathrm{mmol}$ de glucose par heure ; fiole close $30/2 = 15\,\mathrm{mmol}$ . 8. Fiole close : $30\,\mathrm{mmol}$ d’éthanol et $30\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ par heure. Fiole aérée : $6\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ libérées et $6\,\mathrm{mmol}$ d’ $\mathrm{O_2}$ consommées. 9. $2\times 10.5 = 21\,\mathrm{g}$ par mole, soit $0.12\,\mathrm{g}$ par gramme de glucose. 10. $0.5\times 180 = 90\,\mathrm{g}$ par mole, soit $90/10.5 = 8.6$ ATP d’équivalent contre 30 disponibles : l’ATP est en excès ; le rendement est limité par le carbone (la moitié du glucose est oxydée en $\mathrm{CO_2}$ pour faire l’ATP, et la biomasse réclame des squelettes carbonés et du pouvoir réducteur), et l’ATP excédentaire est dépensé en entretien. 11. Pour obtenir le même ATP, la culture close consomme quinze fois plus de glucose (question 7) et croît cinq fois moins par gramme (question 9) : consommation rapide du sucre, croissance faible, alcool — l’observation de Pasteur. La phosphofructokinase, inhibée par l’ATP et le citrate en aération, est libérée quand la respiration s’arrête. 12. $\mathrm{CO_2}$ $44/44 = 1.0\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{O_2}$ $20/32 = 0.625\,\mathrm{mmol}$ : QR $= 1.6$ . 13. $\mathrm{O_2}$ : $6x = 0.625$ , $x = 0.104\,\mathrm{mmol}$ . $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 1.0$ , $2y = 0.375$ , $y = 0.1875\,\mathrm{mmol}$ . 14. Fermenté $0.1875/0.292 = 64\,\%$ du glucose. ATP issu de la fermentation $2y = 0.375$ contre $30x = 3.12$ issus de la respiration : $11\,\%$ . 15. $16/23 = 0.70$ . 16. À jeun, l’animal brûle de la graisse (QR 0.7) ; nourri, il brûle les glucides du repas (1.0). 17. $96\,500\times 0.22 = 21.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . 18. $4\times 21.2 = 85\,\mathrm{kJ}$ pour un ATP de $50\,\mathrm{kJ}$ : $59\,\%$ . 19. $2\times 96\,500\times 1.14 = 220\,\mathrm{kJ}$ ; dix protons stockent $10\times 21.2 = 212\,\mathrm{kJ}$ : $96\,\%$ — la chaîne gaspille peu ; les pertes sont à la synthase et aux transporteurs. 20. $0.96\times 0.59 = 0.57$ ; $2.5\times 50/220 = 0.57$ : le même chiffre par les deux voies. 21. La consommation d’oxygène augmente, le rendement en ATP tombe vers celui de la fermentation (2 par glucose issus de la glycolyse, et la PFK étant libérée, la consommation de glucose augmente), le dégagement de chaleur augmente, la croissance s’effondre. 22. La synthèse d’ATP s’arrête ; le gradient ne peut plus se décharger, la chaîne cale contre lui, la consommation d’oxygène cesse, la cellule fermente ce qu’elle peut. Ajouter ensuite un découplant laisse les protons refluer : la chaîne et la consommation d’oxygène reprennent, toujours sans ATP. 23. Le NADH ne fait pomper que les complexes III et IV : $6/4 = 1.5$ ; par glucose $8\times 1.5 + 2\times 1.5 + 2\times 1.5 + 4 = 22$ ATP. 24. Sans oxygène, la chaîne ne peut pas prendre d’électrons, de sorte que le NADH n’est pas réoxydé et que le pool reste réduit ; les trois déshydrogénases à NAD du cycle n’ont plus de $\mathrm{NAD^+}$ et le cycle s’arrête — c’est pourquoi la fermentation doit régénérer le $\mathrm{NAD^+}$ dans le cytosol pour que la glycolyse continue. 25. 30 ATP avec air, 2 sans : un rapport de 15 ; P/O de 2.5 pour le NADH (10 protons pour 4 par ATP) et de 1.5 pour le $\mathrm{FADH_2}$ (6 pour 4).

Termes définis dans ce chapitre

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