Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Asie 2026 (jour 1)

Expliquer comment, au cours de l’évolution, les cellules eucaryotes ont acquis la capacité de produire de l’ATP en utilisant le dioxygène. Les mécanismes de production d’ATP sont attendus.

Réponse : ### 1. Introduction L'ATP est la monnaie énergétique universelle des cellules. Les premiers êtres vivants vivaient dans une atmosphère dépourvue de dioxygène et produisaient leur ATP par fermentation. Vers −2,4 Ga, la photosynthèse oxygénique des cyanobactéries a enrichi l'atmosphère en O2. Ce gaz, toxique, était aussi une opportunité : certaines bactéries l'utilisaient déjà comme accepteur final d'électrons. Les eucaryotes ont acquis cette capacité en intégrant ces bactéries, devenues les mitochondries. ### 2. L'acquisition évolutive : l'endosymbiose (L. Margulis) * Le scénario : une cellule hôte anaérobie (proche des archées) a phagocyté une alpha-protéobactérie aérobie sans la digérer. L'association est devenue mutualiste : l'hôte fournit les nutriments et la protection, le symbionte fournit beaucoup d'ATP grâce à l'O2. Elle est ensuite devenue obligatoire. * Arguments : - *Double membrane :* la membrane interne a une composition proche des membranes bactériennes (cardiolipine). La membrane externe dérive de la vésicule de phagocytose. - *ADN propre :* ADN circulaire, sans histones, proche de l'ADN des alpha-protéobactéries (phylogénie moléculaire). Beaucoup de gènes ont été transférés vers le noyau, ce qui rend la mitochondrie dépendante de la cellule. - *Ribosomes de type bactérien (70S) :* ils sont sensibles à des antibiotiques antibactériens (chloramphénicol), qui bloquent la synthèse protéique mitochondriale mais pas cytoplasmique. - *Division :* les mitochondries se forment uniquement par division (scission binaire) de mitochondries préexistantes. - *Exemple actuel :* des endosymbioses existent encore aujourd'hui (bactéries endosymbiotiques d'amibes ou d'insectes). Le processus est donc plausible. ### 3. Les mécanismes de production d'ATP en présence d'O2 Expérience (oxygraphie) : dans une suspension de mitochondries isolées, la concentration en O2 ne diminue pas après ajout de glucose. Elle diminue après ajout de pyruvate. - Le glucose est donc dégradé hors de la mitochondrie. - Le pyruvate est oxydé dans la mitochondrie avec consommation d'O2. 1. Glycolyse (hyaloplasme, sans O2) : glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 NADH,H+ + 2 ATP. L'ATP est produit par phosphorylation au niveau du substrat. 2. Matrice mitochondriale : - Le pyruvate subit une décarboxylation oxydative : il donne l'acétyl-CoA, du CO2 et du NADH,H+. - Le cycle de Krebs oxyde totalement l'acétyle en CO2. Il produit du NADH,H+, du FADH2 et 1 ATP (ou GTP) par tour. - Au total, le glucose est entièrement oxydé en 6 CO2 et l'essentiel de l'énergie est stocké dans les coenzymes réduits. 3. Membrane interne : chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative - *Transfert d'électrons :* les coenzymes réduits cèdent leurs électrons à une chaîne de complexes protéiques. Ceux-ci se les transmettent par oxydoréductions successives jusqu'au dioxygène, accepteur final : ½ O2 + 2 H+ + 2 e− → H2O. Les coenzymes R' sont ainsi régénérés. - *Gradient de protons :* ce transfert libère de l'énergie, utilisée pour pomper des H+ de la matrice vers l'espace intermembranaire. Il se crée un gradient de protons. - *ATP synthase :* les H+ retournent dans la matrice par l'ATP synthase, appelée sphère pédonculée. Ce flux fournit l'énergie de la réaction ADP + Pi → ATP (couplage chimio-osmotique de Mitchell). - *Preuves expérimentales :* des vésicules de membrane interne dépourvues de sphères pédonculées transfèrent des électrons mais ne synthétisent plus d'ATP (expériences de Racker). Imposer artificiellement un gradient de H+ suffit à produire de l'ATP en l'absence de substrat. Bilan : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O, avec environ 30 à 36 ATP par glucose, contre 2 ATP pour la fermentation. Comparer la levure en aérobiose et en anaérobiose le confirme : en aérobiose, la croissance est bien plus forte pour une même quantité de glucose. ### 4. Conclusion Les eucaryotes ont acquis la respiration aérobie par endosymbiose d'une bactérie aérobie, devenue la mitochondrie. L'O2, accepteur final de la chaîne respiratoire, permet l'oxydation complète des métabolites et un rendement énergétique bien supérieur à la fermentation. Cet avantage a sans doute favorisé la diversification des eucaryotes et l'apparition des pluricellulaires.