Énergétique cellulaire

AP Biologie · Topic 3 · ⁨Sujet 3⁩

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3.1

Enzymes as Biological Catalysts · ⁨Enzymes comme catalyseurs biologiques⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩

English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 3.1.A: Explain how enzymes affect the rate of biological reactions.

3.1.A.1 The structure and function of enzymes contribute to the regulation of biological processes. Enzymes are proteins that are biological catalysts that facilitate chemical reactions in cells by lowering the activation energy.
3.1.A.2 For an enzyme-mediated chemical reaction to occur, the shape and charge of the substrate must be compatible with the active site of the enzyme. This is illustrated by the enzyme-substrate complex model.

Français

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.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

English

An enzyme 酶 is a protein catalyst 催化剂 that speeds a reaction by lowering its activation energy 活化能, without being used up. Each enzyme has an active site 活性位点 that binds a specific substrate 底物 (the "lock and key" or induced fit), so enzymes are highly specific. They do not change whether a reaction is favorable – only how fast it goes.

Français

Les poudres de lessive biologiques utilisent des enzymes fonctionnant à température et pH modérés

Une enzyme 酶 est un catalyseur protéique 催化剂 qui accélère une réaction en abaissant son énergie d'activation 活化能, sans être consommée. Chaque enzyme possède un site actif 活性位pt qui se lie à un substrat 底物 spécifique (le « serrure et clé » ou ajustement induit), ce qui rend les enzymes très spécifiques. Elles ne changent pas si une réaction est favorable – seulement la vitesse à laquelle elle se produit.

Une enzyme abaisse l'énergie d'activation d'une réaction

Les modèles de serrure-clé et d'ajustement induit de l'action enzymatique

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Augmenter le substrat et observer la saturation du taux

Une enzyme accélère une réaction en abaissant l'énergie d'activation. Alors que le substrat augmente, le taux monte, puis se stabilise une fois que tous les sites actifs sont occupés (saturation).

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩

English · ⁨Anglais⁩	Chinese · ⁨Chinois⁩	Pinyin
enzyme/ˈenzaɪm/	酶	méi
catalyst/ˈkætəlɪst/	催化剂	cuī huà jì
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/	活化能	huó huà néng
active site/ˈæktɪv saɪt/	活性位点	huó xìng wèi diǎn
substrate/ˈsʌbstreɪt/	底物	dǐ wù
denatures/ˈdenətʃəz/	变性	biàn xìng
Inhibitors/ɪnˈhɪbɪtəz/	抑制剂	yì zhì jì
The first law/ðə fɜːst lɔː/	热力学第一定律	rè lì xué dì yí dìng lǜ
The second law/ðə ˈsekənd lɔː/	热力学第二定律	rè lì xué dì èr dìng lǜ
entropy/ˈentrəpi/	熵	shāng
constant input of free energy/ˈkɒnstənt ˈɪnpʊt ɒv friː ˈenədʒi/	自由能	zì yóu néng
Photosynthesis/ˌfəʊtəʊˈsɪnθəsɪs/	光合作用	guāng hé zuò yòng
Calvin cycle/ˈkælvɪn ˈsaɪkl/	卡尔文循环	kǎ ěr wén xún huán
prokaryotes/ˈprɒkərɪəʊts/	原核生物	yuán hé shēng wù
cyanobacteria/ˌsaɪəˌnɒbəkˈtɪərɪə/	蓝细菌	lán xì jūn
oxygenated atmosphere/ˈɒksɪdʒeneɪtɪd ˈætməsfɪə/	含氧大气	hán yǎng dà qì
banded iron formations/ˈbændɪd ˈaɪən fɔːˈmeɪʃnz/	条带状铁建造	tiáo dài zhuàng tiě jiàn zào
Cellular respiration/ˈseljʊlə ˌrespɪˈreɪʃn/	细胞呼吸	xì bāo hū xī
Glycolysis/ɡlaɪˈkɒləsɪs/	糖酵解	táng jiào jiě
Krebs cycle/krebz ˈsaɪkl/	克雷布斯循环	kè léi bù sī xún huán
electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/	电子传递链	diàn zi chuán dì liàn

3.2

Environmental Impacts on Enzyme Function · ⁨Effets environnementaux sur la fonction enzymatique⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩

English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 3.2.A: Explain how changes to the structure of an enzyme may affect its function.

3.2.A.1 Change to the molecular structure of a component in an enzymatic system may result in a change to its function or efficiency.
- i. Denaturation of proteins, such as enzymes, occurs when the protein structure is disrupted by a change in temperature, pH, or chemical environment, eliminating the ability to catalyze reactions.
- ii. Environmental temperatures and pH outside the optimal range for a given enzyme will cause changes to its structure (by disrupting the hydrogen bonds), altering the efficiency with which it catalyzes reactions.
3.2.A.2 In some cases, enzyme denaturation is reversible, allowing the enzyme to regain activity.

Learning Objective 3.2.B: Explain how the cellular environment affects enzyme activity.

3.2.B.1 The relative concentrations of substrates and products determine how efficiently an enzymatic reaction proceeds.

Français

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.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

English

Enzyme activity depends on conditions. Each enzyme has an optimal temperature and pH; beyond it, the protein denatures 变性 (loses shape) and stops working. Substrate concentration raises the rate until the enzyme saturates. Inhibitors 抑制剂 slow enzymes – competitive ones block the active site, noncompetitive ones bind elsewhere and change the shape.

Français

L'activité enzymatique dépend des conditions. Chaque enzyme a une température et un pH optimaux ; au-delà, la protéine dénature 变性 (perd sa forme) et cesse de fonctionner. La concentration en substrat augmente la vitesse jusqu'à saturation de l'enzyme. Les inhibiteurs 抑制剂 ralentissent les enzymes – les compétitifs bloquent le site actif, les non-compétitifs se lient ailleurs et changent la forme.

Chaque enzyme a un pH optimal

Le taux augmente jusqu'à une température optimale, puis diminue lorsque l'enzyme se dénature — La vitesse augmente jusqu'à une température optimale, puis diminue lorsque l'enzyme se dénature

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Changer la température et observer l'activité enzymatique

Chaque enzyme a une température et un pH optimaux. Trop froid est lent ; trop chaud dénature l'enzyme de sorte que son site actif perde sa forme et que l'activité chute.

3.3

Cellular Energy and ATP · ⁨Énergie cellulaire et ATP⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩

English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 3.3.A: Describe the role of energy in living organisms.

3.3.A.1 All living systems require an input of energy.
3.3.A.2 Life requires a highly ordered system and does not violate the first and second laws of thermodynamics.
- i. Energy input must exceed energy loss to maintain order and to power cellular processes.
- ii. Cellular processes that release energy may be coupled with cellular processes that require energy.
- iii. Significant loss of order or energy flow results in death.
- Exclusion statement: Students will need to understand the concept of energy, but the equation for Gibbs free energy is beyond the scope of the AP Exam.
3.3.A.3 Energy-related pathways in biological systems are sequential to allow for a more controlled transfer of energy. A product of a reaction in a metabolic pathway is typically the reactant for the subsequent step in the pathway.

Learning Objective 3.3.B: Explain how shared, conserved, and fundamental processes and features support the concept of common ancestry for all organisms.

3.3.B.1 Core metabolic pathways (e.g., glycolysis, oxidative phosphorylation) are conserved across all currently recognized domains (Archaea, Bacteria, and Eukarya).

Français

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 3.3.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).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

English

ATP (adenosine triphosphate) is the cell's energy currency. Energy is stored in its phosphate bonds; breaking off a phosphate (ATP → ADP) releases energy to power cellular work, and reattaching one stores energy. Cells constantly recycle ATP, coupling energy-releasing reactions to energy-requiring ones.

Life and the laws of thermodynamics

A living cell is highly ordered, and that order is often mistaken for a violation of physics. It is not.

The first law 热力学第一定律 says energy is conserved: it changes form but is never created or destroyed. A cell does not make energy — it transforms the chemical energy of glucose, or the light energy of the Sun, into the chemical energy of ATP.
The second law 热力学第二定律 says that in any energy transfer, some energy is lost as heat and the entropy 熵 of the universe increases. A cell builds order inside itself, but only by releasing more disorder to its surroundings, mostly as heat.

So life requires a constant input of free energy 自由能 from outside. This is why an organism cut off from its energy source dies: maintaining order is not free, and the moment the input stops, the ordered system runs down.

Français

L'ATP (adénosine triphosphate) est la monnaie énergétique de la cellule. L'énergie est stockée dans ses liaisons phosphate ; arracher un phosphate (ATP → ADP) libère de l'énergie pour alimenter le travail cellulaire, et en rattacher un stocke de l'énergie. Les cellules recyclent constamment l'ATP, couplant des réactions libératrices d'énergie à des réactions consommatrices d'énergie.

Le cycle ATP-ADP stocke et libère de l'énergie

La vie et les lois de la thermodynamique

Une cellule vivante est hautement ordonnée, et cet ordre est souvent mal interprété comme une violation de la physique. Ce n'est pas le cas.

La première loi 热力学第一定律 stipule que l'énergie est conservée : elle change de forme mais n'est jamais créée ni détruite. Une cellule ne crée pas d'énergie – elle transforme l'énergie chimique du glucose, ou l'énergie lumineuse du Soleil, en énergie chimique de l'ATP.
La deuxième loi 热力学第二定律 dit que lors de tout transfert d'énergie, une partie est perdue sous forme de chaleur et l'entropie 熵 de l'univers augmente. Une cellule crée de l'ordre à l'intérieur d'elle-même, mais uniquement en rejetant davantage de désordre vers son environnement, principalement sous forme de chaleur.

Ainsi, la vie nécessite un apport constant d'énergie libre 自由能 provenant de l'extérieur. C'est pourquoi un organisme coupé de sa source d'énergie meurt : maintenir l'ordre n'est pas gratuit, et dès que l'apport s'arrête, le système ordonné se désorganise.

3.4

Photosynthesis · ⁨Photosynthèse⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩

English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 3.4.A: Describe the photosynthetic processes and structural features of the chloroplast that allow organisms to capture and store energy.

3.4.A.1 Photosynthesis is the series of reactions that use carbon dioxide $(\mathrm{CO_2})$, water $(\mathrm{H_2O})$, and light energy to make carbohydrates and oxygen $(\mathrm{O_2})$.
- i. Photosynthetic organisms capture energy from the sun and produce sugars that can be used in biological processes or stored.
- ii. Photosynthesis first evolved in prokaryotic organisms.
- iii. Scientific evidence supports the claim that prokaryotic (cyanobacterial) photosynthesis was responsible for the production of an oxygenated atmosphere.
- iv. Prokaryotic photosynthetic pathways were the foundation of eukaryotic photosynthesis.
- Exclusion statement: Memorization of the steps in the Calvin cycle, the structure of the molecules, and the names of the enzymes involved, with the exception of ATP synthase, is beyond the scope of the AP Exam.
3.4.A.2 Stroma and thylakoids are found within the chloroplast.
- i. The stroma is the fluid within the inner chloroplast membrane and outside the thylakoid. The carbon fixation (Calvin cycle) reactions of photosynthesis occur in the stroma.
- ii. The thylakoid membranes contain chlorophyll pigments organized into two photosystems, as well as electron transport proteins.
- iii. Thylakoids are organized in stacks called grana. The light reactions of photosynthesis occur in the grana.
3.4.A.3 The light reactions of photosynthesis in eukaryotes involve a series of coordinated reaction pathways that capture energy present in light to yield ATP and NADPH, which power the production of organic molecules in the Calvin cycle. This provides energy for metabolic processes.

Learning Objective 3.4.B: Explain how cells capture energy from light and transfer it to biological molecules for storage and use.

3.4.B.1 Electron transport chain (ETC) reactions occur in chloroplasts, in mitochondria, and across prokaryotic plasma membranes. In photosynthesis, electrons that pass through the thylakoid membrane are picked up and ultimately transferred to $\mathrm{NADP^+}$ reducing it to NADPH in photosystem I.
- Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
- Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.
3.4.B.2 During photosynthesis, chlorophylls absorb energy from light, boosting electrons to a higher energy level in photosystems I and II. Water then splits, supplying electrons to replace those lost from photosystem II.
3.4.B.3 Photosystems I and II are embedded in the thylakoid membranes of chloroplasts and are connected by the transfer of electrons through an ETC.
3.4.B.4 When electrons are transferred between molecules in a series of oxidation/reduction reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) is established across the thylakoid membrane. The membrane separates a region of low proton concentration outside the thylakoid membrane from a region of high proton concentration inside the thylakoid membrane.
3.4.B.5 The formation of the proton gradient is linked to the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate via ATP synthase. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate; this is known as photophosphorylation.
3.4.B.6 The energy captured in the light reactions and transferred to ATP and NADPH powers the production of carbohydrates from carbon dioxide in the Calvin cycle. This occurs in the stroma of the chloroplast.

Français

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.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

English

Photosynthesis 光合作用 captures light energy to build sugar from $\text{CO}_2$ and water, releasing $\text{O}_2$. It has two stages:

The light reactions (in the thylakoid membranes) use light to make ATP and NADPH and split water, releasing oxygen.
The Calvin cycle 卡尔文循环 (in the stroma) uses that ATP and NADPH to fix $\text{CO}_2$ into sugar.

So light energy becomes chemical energy stored in glucose.

Where the oxygen in the air came from

Photosynthesis did not only feed the first organisms; it changed the planet. Scientific evidence supports the claim that photosynthesis by prokaryotes 原核生物 — specifically cyanobacteria 蓝细菌 — produced the oxygen that built Earth's oxygenated atmosphere 含氧大气.

The evidence is physical: banded iron formations 条带状铁建造 in rocks about 2.4 billion years old record iron dissolved in the ocean being oxidised and precipitating out, which needs free oxygen. Before that event, called the Great Oxidation Event, the atmosphere held almost none.

Two consequences matter for the rest of the course. Free oxygen made aerobic respiration possible, which releases far more ATP per glucose than anaerobic pathways do. And it was lethal to much of the anaerobic life already present, so it counts as one of the largest extinction events in Earth's history — an early example of organisms changing their own environment.

Français

Les chloroplastes remplissent les cellules mésophylliennes végétales – les organites de la photosynthèse

La photosynthèse 光合作用 capture l'énergie lumineuse pour construire du sucre à partir de $\text{CO}_2$ et d'eau, en libérant $\text{O}_2$. Elle comprend deux étapes :

Les deux étapes de la photosynthèse sont liées par l'ATP et le NADPH

Les réactions lumineuses (dans les membranes thylakoïdiennes) utilisent la lumière pour produire de l'ATP et du NADPH et scinder l'eau, libérant de l'oxygène.
Le cycle de Calvin 卡尔文循环 (dans le stroma) utilise cet ATP et ce NADPH pour fixer $\text{CO}_2$ en sucre.

Ainsi, l'énergie lumineuse devient de l'énergie chimique stockée dans le glucose.

D'où vient l'oxygène dans l'air

La photosynthèse n'a pas seulement nourri les premiers organismes ; elle a transformé la planète. Des preuves scientifiques étayent l'affirmation selon laquelle la photosynthèse par des procaryotes 原核生物 – spécifiquement les cyanobactéries 蓝细菌 – a produit l'oxygène qui a formé l'atmosphère oxygénée 含氧大气 de la Terre.

Les preuves sont physiques : les formations de fer rubané 条带状铁建造 dans des roches âgées d'environ 2.4 milliards d'années témoignent du fer dissous dans l'océan qui s'est oxydé et a précipité, ce qui nécessite la présence d'oxygène libre. Avant cet événement, appelé le Grand Événement d'Oxydation, l'atmosphère en contenait presque aucune.

Deux conséquences sont importantes pour la suite du cours. L'oxygène libre a rendu la respiration aérobie possible, qui libère beaucoup plus d'ATP par glucose que les voies anaérobies. Et elle a été létale pour une grande partie de la vie anaérobie déjà présente, ce qui en fait l'un des plus grands événements d'extinction de l'histoire de la Terre – un exemple précoce d'organismes modifiant leur propre environnement.

3.5

Cellular Respiration · ⁨Respiration cellulaire⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩

English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 3.5.A: Describe the processes and structural features of mitochondria that allow organisms to use energy stored in biological macromolecules.

3.5.A.1 Cellular respiration uses energy from biological macromolecules to synthesize ATP. Respiration and fermentation are characteristic of all forms of life.
3.5.A.2 Aerobic cellular respiration in eukaryotes involves a series of coordinated enzyme-catalyzed reactions that capture energy from biological macromolecules.
3.5.A.3 The ETC transfers electrons in a series of oxidation-reduction reactions that establish an electrochemical gradient across membranes.
- i. In cellular respiration, electrons delivered by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ are passed to a series of electron acceptors as they move toward the terminal electron acceptor, oxygen. Aerobic prokaryotes use oxygen as a terminal electron acceptor, while anaerobic prokaryotes use other molecules.
- ii. The transfer of electrons, through the ETC, is accompanied by the formation of a proton gradient across the inner mitochondrial membrane, with the membrane(s) separating a region of high proton concentration outside the membrane from a region of low proton concentration inside the membrane. The folding of the inner membrane increases the surface area, which allows for more ATP to be synthesized. In prokaryotes, the passage of electrons is accompanied by the movement of protons across the plasma membrane.
- iii. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate. This is known as oxidative phosphorylation in aerobic cellular respiration.
- iv. In aerobic cellular respiration, decoupling oxidative phosphorylation from electron transport generates heat. This heat can be used by endothermic organisms to regulate body temperature.
- Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
- Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.

Learning Objective 3.5.B: Explain how cells obtain energy from biological macromolecules in order to power cellular functions.

3.5.B.1 Glycolysis is a biochemical pathway that releases the energy in glucose molecules to form ATP (from ADP and inorganic phosphate), NADH (from $\mathrm{NAD^+}$), and pyruvate.
3.5.B.2 Pyruvate is transported from the cytosol to the mitochondrion where oxidation occurs. This process releases electrons during the Krebs (citric acid) cycle, reducing $\mathrm{NAD^+}$ to NADH and FAD to $\mathrm{FADH_2}$, and releasing $\mathrm{CO_2}$.
3.5.B.3 The Krebs cycle takes place in the mitochondrial matrix. During the Krebs cycle, carbon dioxide is released from organic intermediates, ATP is synthesized from ADP and inorganic phosphate, and electrons are transferred by the coenzymes $\mathrm{NAD^+}$ and FAD.
3.5.B.4 Electrons extracted in glycolysis and Krebs cycle reactions are transferred by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ to the ETC in the inner mitochondrial membrane.
3.5.B.5 When electrons are transferred between molecules in a sequence of reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) across the inner mitochondrial membrane is established. The pH inside the mitochondrial matrix is higher than in the intermembrane space.
3.5.B.6 Fermentation allows glycolysis to proceed in the absence of oxygen and produces organic molecules such as alcohol and lactic acid.
- Exclusion statement: Memorization of the steps in glycolysis and the Krebs cycle, and of the structures of the molecules and the names of the enzymes involved, is beyond the scope of this course and the AP Exam.

Français

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.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

English

Cellular respiration 细胞呼吸 releases the energy in glucose to make ATP, mostly using oxygen. Its stages:

Glycolysis 糖酵解 (in the cytoplasm) splits glucose, making a little ATP.
The Krebs cycle 克雷布斯循环 (mitochondrial matrix) releases $\text{CO}_2$ and loads electron carriers.
The electron transport chain 电子传递链 (inner membrane) uses those electrons to pump protons and make most of the ATP, with oxygen as the final electron acceptor.

Without oxygen, cells use fermentation 发酵 to keep glycolysis running, making far less ATP. Photosynthesis and respiration are complementary – the products of one are the reactants of the other.

Worked example. Aerobic respiration of one glucose nets about 2 ATP from glycolysis, 2 ATP from the Krebs cycle, and about 28 ATP from oxidative phosphorylation, for $\approx$ 32 ATP total. With no oxygen only glycolysis runs, so fermentation nets just 2 ATP per glucose — roughly 16 times less energy, which is why aerobic pathways dominate in oxygen-rich cells.

Français

MET d'une mitochondrie : membrane interne repliée (cristes) multipliant la surface pour la respiration

La respiration cellulaire 细胞呼吸 libère l'énergie du glucose pour produire de l'ATP, en utilisant majoritairement de l'oxygène. Ses étapes :

Les étapes de la respiration aérobie et où elles ont lieu dans la cellule

La glycolyse 糖酵解 (dans le cytoplasme) scinde le glucose, produisant un peu d'ATP.
Le cycle de Krebs 克雷布斯循环 (matrice mitochondriale) libère $\text{CO}_2$ et charge les transporteurs d'électrons.
La chaîne de transport des électrons 电子传递链 (membrane interne) utilise ces électrons pour pomper des protons et produire la majeure partie de l'ATP, avec l'oxygène comme accepteur final d'électrons.

Sans oxygène, les cellules utilisent la fermentation 发酵 pour maintenir la glycolyse, produisant beaucoup moins d'ATP. La photosynthèse et la respiration sont complémentaires – les produits de l'une sont les réactifs de l'autre.

Exemple résolu. La respiration aérobie d'une molécule de glucose rapporte environ 2 ATP de la glycolyse, 2 ATP du cycle de Krebs, et environ 28 ATP de la phosphorylation oxydative, soit $\approx$ 32 ATP au total. Sans oxygène, seule la glycolyse fonctionne, donc la fermentation ne rapporte que 2 ATP par glucose — environ 16 fois moins d'énergie, ce qui explique pourquoi les voies aérobies dominent dans les cellules riches en oxygène.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩

English · ⁨Anglais⁩	Chinese · ⁨Chinois⁩	Pinyin
fermentation/fɜːmənˈteɪʃn/	发酵	fā jiào

3.5

Exam tips · ⁨Conseils d'examen⁩

English

An enzyme lowers the activation energy and is not used up; its active site is specific to one substrate (lock and key).
Rate rises with temperature only up to the optimum — beyond it the enzyme denatures and the rate falls (unlike an ordinary reaction).
Know the ATP↔ADP cycle: breaking a phosphate releases energy to power the cell.
Write the overall equations: photosynthesis stores energy (builds glucose); respiration releases it (breaks glucose down) — they are opposites.
Match each stage to its location and whether it needs oxygen.

Français

Une enzyme abaisse l'énergie d'activation et n'est pas consommée ; son site actif est spécifique à un seul substrat (serrure et clé).
Le taux augmente avec la température jusqu'à l'optimum – au-delà, l'enzyme se dénature et le taux diminue (contrairement à une réaction ordinaire).
Connaître le cycle ATP↔ADP : la rupture d'un phosphate libère de l'énergie pour alimenter la cellule.
Écrire les équations globales : la photosynthèse stocke l'énergie (construit du glucose) ; la respiration la libère (dégrade le glucose) – elles sont opposées.
Associer chaque étape à son emplacement et à sa nécessité en oxygène.

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