Énergétique cellulaire

Grande Idée 2 — Énergétique : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 3.1.A : Expliquer comment les enzymes affectent le taux des réactions biologiques.

• 3.1.A.1 La structure et la fonction des enzymes contribuent à la régulation des processus biologiques. Les enzymes sont des protéines qui agissent comme des catalyseurs biologiques, facilitant les réactions chimiques dans les cellules en abaissant l'énergie d'activation.
• 3.1.A.2 Pour qu'une réaction chimique médiée par une enzyme ait lieu, la forme et la charge du substrat doivent être compatibles avec le site actif de l'enzyme. Cela est illustré par le modèle du complexe enzyme-substrat.

Grande Idée 2 — Énergétique : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 3.2.A : Expliquer comment les modifications de la structure d'une enzyme peuvent affecter sa fonction.

• 3.2.A.1 Un changement de la structure moléculaire d'un composant d'un système enzymatique peut entraîner un changement de sa fonction ou de son efficacité.
  • i. La dénaturation des protéines, telles que les enzymes, survient lorsque la structure protéique est perturbée par un changement de température, de pH ou d'environnement chimique, éliminant la capacité à catalyser des réactions.
  • ii. Des températures environnementales et un pH hors de la plage optimale pour une enzyme donnée provoquent des changements dans sa structure (en perturbant les liaisons hydrogène), modifiant l'efficacité avec laquelle elle catalyse des réactions.
• 3.2.A.2 Dans certains cas, la dénaturation des enzymes est réversible, permettant à l'enzyme de récupérer son activité.

Objectif d'apprentissage 3.2.B : Expliquer comment l'environnement cellulaire affecte l'activité des enzymes.

• 3.2.B.1 Les concentrations relatives des substrats et des produits déterminent l'efficacité avec laquelle une réaction enzymatique se déroule.

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Objectif d'apprentissage 3.3.A : Décrire le rôle de l'énergie chez les êtres vivants.

• 3.3.A.1 Tous les systèmes vivants nécessitent un apport d'énergie.
• 3.3.A.2 La vie nécessite un système hautement ordonné et ne viole pas les première et deuxième lois de la thermodynamique.
  • i. L'apport d'énergie doit excéder la perte d'énergie pour maintenir l'ordre et alimenter les processus cellulaires.
  • ii. Les processus cellulaires qui libèrent de l'énergie peuvent être couplés à des processus cellulaires qui nécessitent de l'énergie.
  • iii. Une perte significative d'ordre ou de flux énergétique entraîne la mort.
  • Déclaration d'exclusion : Les étudiants devront comprendre le concept d'énergie, mais l'équation de l'énergie libre de Gibbs dépasse le programme de l'examen AP.
• 3.3.A.3 Les voies liées à l'énergie dans les systèmes biologiques sont séquentielles pour permettre un transfert d'énergie plus contrôlé. Un produit d'une réaction dans une voie métabolique est généralement le réactif pour l'étape suivante de la voie.

Objectif d'apprentissage 3.3.B : Expliquer comment des processus et caractéristiques partagés, conservés et fondamentaux soutiennent le concept d'ascendance commune pour tous les organismes.

• 3.3.B.1 Les voies métaboliques centrales (par exemple, la glycolyse, la phosphorylation oxydative) sont conservées chez tous les domaines actuellement reconnus (Archées, Bactéries et Eucaryotes).

Grande Idée 2 — Énergétique : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 3.4.A : Décrire les processus photosynthétiques et les caractéristiques structurales du chloroplaste qui permettent aux organismes de capter et de stocker l'énergie.

• 3.4.A.1 La photosynthèse est une série de réactions utilisant le dioxyde de carbone $(\mathrm{CO_2})$, l'eau $(\mathrm{H_2O})$ et l'énergie lumineuse pour produire des glucides et de l'oxygène $(\mathrm{O_2})$.
  • i. Les organismes photosynthétiques capturent l'énergie du soleil et produisent des sucres qui peuvent être utilisés dans des processus biologiques ou stockés.
  • ii. La photosynthèse a d'abord évolué chez les organismes procaryotes.
  • iii. Les preuves scientifiques étayent l'affirmation selon laquelle la photosynthèse procaryote (cyanobactérienne) était responsable de la production d'une atmosphère oxygénée.
  • iv. Les voies photosynthétiques procaryotes constituaient la base de la photosynthèse eucaryote.
  • Déclaration d'exclusion : La mémorisation des étapes du cycle de Calvin, de la structure des molécules impliquées et des noms des enzymes, à l'exception de l'ATP synthase, dépasse le programme de l'examen AP.
• 3.4.A.2 Le stroma et les thylakoïdes se trouvent à l'intérieur du chloroplaste.
  • i. Le stroma est le fluide situé à l'intérieur de la membrane interne du chloroplaste et à l'extérieur des thylakoïdes. Les réactions de fixation du carbone (cycle de Calvin) de la photosynthèse ont lieu dans le stroma.
  • ii. Les membranes des thylakoïdes contiennent des pigments chlorophylliens organisés en deux photosystèmes, ainsi que des protéines de transport d'électrons.
  • iii. Les thylakoïdes sont organisés en amas appelés granum. Les réactions lumineuses de la photosynthèse ont lieu dans les grana.
• 3.4.A.3 Les réactions lumineuses de la photosynthèse chez les eucaryotes impliquent une série de voies de réactions coordonnées qui captent l'énergie présente dans la lumière pour produire de l'ATP et du NADPH, lesquels alimentent la production de molécules organiques dans le cycle de Calvin. Cela fournit de l'énergie pour les processus métaboliques.

Objectif d'apprentissage 3.4.B : Expliquer comment les cellules captent l'énergie de la lumière et la transfèrent aux molécules biologiques pour le stockage et l'utilisation.

• 3.4.B.1 Les réactions de la chaîne de transport d'électrons (CTE) ont lieu dans les chloroplastes, les mitochondries et à travers les membranes plasmiques procaryotes. Lors de la photosynthèse, les électrons qui traversent la membrane des thylakoïdes sont capturés et finalement transférés à $\mathrm{NADP^+}$, la réduisant en NADPH au niveau du photosystème I.
  • Déclaration d'exclusion : Les noms complets des transporteurs d'électrons spécifiques de la chaîne de transport d'électrons dépassent le programme de l'examen AP.
  • Déclaration d'exclusion : Les étapes spécifiques, les noms des enzymes et les intermédiaires des voies pour ces processus dépassent le programme de ce cours et de l'examen AP.
• 3.4.B.2 Lors de la photosynthèse, les chlorophylles absorbent l'énergie de la lumière, excitant les électrons vers un niveau d'énergie supérieur dans les photosystèmes I et II. L'eau se dissocie ensuite, fournissant des électrons pour remplacer ceux perdus par le photosystème II.
• 3.4.B.3 Les photosystèmes I et II sont intégrés dans les membranes des thylakoïdes des chloroplastes et sont connectés par le transfert d'électrons via une CTE.
• 3.4.B.4 Lorsque les électrons sont transférés entre les molécules au sein d'une série de réactions d'oxydoréduction alors qu'ils traversent la CTE, un gradient électrochimique de protons (ions hydrogène) s'établit à travers la membrane des thylakoïdes. La membrane sépare une région de faible concentration de protons à l'extérieur de la membrane des thylakoïdes d'une région de forte concentration de protons à l'intérieur de la membrane des thylakoïdes.
• 3.4.B.5 La formation du gradient de protons est liée à la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique via l'ATP synthase. Le flux de protons回流 à travers l'ATP synthase membranaire par chimiosmose entraîne la formation d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique ; cela est appelé photophosphorylation.
• 3.4.B.6 L'énergie capturée lors des réactions lumineuses et transférée à l'ATP et au NADPH alimente la production de glucides à partir de dioxyde de carbone dans le cycle de Calvin. Cela se produit dans le stroma du chloroplaste.

Grande Idée 2 — Énergétique : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 3.5.A : Décrire les processus et les caractéristiques structurales des mitochondries qui permettent aux organismes d'utiliser l'énergie stockée dans les macromolécules biologiques.

• 3.5.A.1 La respiration cellulaire utilise l'énergie des macromolécules biologiques pour synthétiser de l'ATP. La respiration et la fermentation sont caractéristiques de toutes les formes de vie.
• 3.5.A.2 La respiration cellulaire aérobie chez les eucaryotes implique une série de réactions enzymatiques coordonnées qui captent l'énergie des macromolécules biologiques.
• 3.5.A.3 La CTE transfère les électrons dans une série de réactions d'oxydoréduction qui établissent un gradient électrochimique à travers les membranes.
  • i. Lors de la respiration cellulaire, les électrons apportés par NADH et $\mathrm{FADH_2}$ sont transmis à une série d'accepteurs d'électrons alors qu'ils se déplacent vers l'accepteur final d'électrons, l'oxygène. Les procaryotes aérobies utilisent l'oxygène comme accepteur final d'électrons, tandis que les procaryotes anaérobies utilisent d'autres molécules.
  • ii. Le transfert d'électrons, à travers la CTE, s'accompagne de la formation d'un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne, la (ou les) membrane(s) séparant une région de forte concentration de protons à l'extérieur de la membrane d'une région de faible concentration de protons à l'intérieur de la membrane. Le repliement de la membrane interne augmente la surface, ce qui permet de synthétiser davantage d'ATP. Chez les procaryotes, le passage des électrons s'accompagne du mouvement de protons à travers la membrane plasmique.
  • iii. Le flux de protons à travers l'ATP synthase membranaire par chimiosmose entraîne la formation d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. Ce processus est appelé phosphorylation oxydative dans la respiration cellulaire aérobie.
  • iv. Dans la respiration cellulaire aérobie, le découplage de la phosphorylation oxydative du transport des électrons génère de la chaleur. Cette chaleur peut être utilisée par les organismes endothermes pour réguler leur température corporelle.
  • Déclaration d'exclusion : Les noms complets des transporteurs d'électrons spécifiques de la chaîne de transport d'électrons dépassent le programme de l'examen AP.
  • Déclaration d'exclusion : Les étapes spécifiques, les noms des enzymes et les intermédiaires des voies pour ces processus dépassent le programme de ce cours et de l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 3.5.B : Expliquer comment les cellules obtiennent de l'énergie à partir de macromolécules biologiques afin de soutenir les fonctions cellulaires.

• 3.5.B.1 La glycolyse est une voie biochimique qui libère l'énergie contenue dans les molécules de glucose pour former de l'ATP (à partir d'ADP et de phosphate inorganique), du NADH (à partir de $\mathrm{NAD^+}$) et du pyruvate.
• 3.5.B.2 Le pyruvate est transporté du cytoplasme vers la mitochondrie où se produit l'oxydation. Ce processus libère des électrons lors du cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique), réduisant $\mathrm{NAD^+}$ en NADH et FAD en $\mathrm{FADH_2}$, tout en libérant $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 Le cycle de Krebs a lieu dans la matrice mitochondriale. Au cours du cycle de Krebs, du dioxyde de carbone est libéré à partir d'intermédiaires organiques, de l'ATP est synthétisé à partir d'ADP et de phosphate inorganique, et des électrons sont transférés par les coenzymes $\mathrm{NAD^+}$ et FAD.
• 3.5.B.4 Les électrons extraits des réactions de glycolyse et du cycle de Krebs sont transférés par le NADH et $\mathrm{FADH_2}$ vers la chaîne de transport des électrons (ETC) située dans la membrane interne mitochondriale.
• 3.5.B.5 Lorsque les électrons sont transférés entre des molécules au sein d'une série de réactions au fur et à mesure qu'ils passent à travers la chaîne de transport des électrons, un gradient électrochimique de protons (ions hydrogène) s'établit à travers la membrane interne mitochondriale. Le pH dans la matrice mitochondriale est plus élevé que dans l'espace intermembranaire.
• 3.5.B.6 La fermentation permet à la glycolyse de se poursuivre en l'absence d'oxygène et produit des molécules organiques telles que l'alcool et l'acide lactique.
  • Énoncé d'exclusion : La mémorisation des étapes de la glycolyse et du cycle de Krebs, ainsi que des structures des molécules et des noms des enzymes impliquées, dépasse le programme de ce cours et celui de l'examen AP.