À l'aide de différentes expériences menées sur des spermatozoïdes, on cherche à comprendre le fonctionnement de la respiration cellulaire.
Les spermatozoïdes sont les cellules reproductrices des mammifères mâles (dont l'homme). Ces cellules sont riches en mitochondries (schéma A). Les spermatozoïdes consomment du fructose, un sucre similaire au glucose.
D'après l'épreuve du bac général, série S spécialité SVT, Pondichéry, 2006
Expérience 1
Des spermatozoïdes ont subi un traitement permettant de récupérer leur contenu cellulaire, séparé en deux échantillons : un extrait contenant des mitochondries, et un extrait duquel les mitochondries ont été retirées. La concentration en dioxygène (\ce{O2}) est mesurée dans chaque échantillon, avant et après l'ajout de fructose.
Expérience 2
D'après l'épreuve du bac général, série S spécialité SVT, Pondichéry, 2006
Les spermatozoïdes sont capable de se déplacer grâce à l'énergie produite par leur métabolisme. On mesure la mobilité des spermatozoïdes dans un milieu contenant du fructose, dans trois conditions différentes successives.
- Condition 1 : maintien à forte concentration en dioxygène (\ce{O2}).
- Condition 2 : apport de dioxygène supprimé.
- Condition 3 : apport de dioxygène supprimé, ajout d'énergie permettant aux spermatozoïdes de se déplacer.
Expérience 3
Des spermatozoïdes sont placés dans une enceinte fermée durant plusieurs heures, dans un milieu liquide avec du fructose marqué au \ce{^{14}_{}C} (carbone 14). Le \ce{^{14}_{}C} est un isotope radioactif du carbone qui se retrouvera dans les produits des réactions métaboliques consommant du fructose. On mesure la radioactivité dans le liquide et dans l'air au début et à la fin de l'expérience.
| fructose marqué au \ce{^{14}_{}C} + spermatozoïdes | fructose marqué au \ce{^{14}_{}C} | Spermatozoïdes seuls | |
| Radioactivité dans le milieu liquide au début de l'expérience | +++ | +++ | - |
| Radioactivité dans le milieu liquide en fin d'expérience | + | +++ | - |
| Radioactivité dans l'air de l'enceinte au début de l'expérience | - | - | - |
| Radioactivité dans l'air de l'enceinte à la fin de l'expérience | ++ | - | - |
D'autres analyses montrent que la radioactivité détectée dans l'air est due à du \ce{CO2} marqué au \ce{^{14}_{}C}.
Que peut-on déduire de l'expérience 1 ?
Avant l'ajout de fructose, la concentration en \ce{O2} reste stable. Dès l'ajout de fructose, il y a consommation de \ce{O2} dans l'extrait cellulaire contenant des mitochondries, mais pas dans celui qui en est dépourvu. On peut donc en déduire que ce sont les mitochondries qui consomment le \ce{O2}, et que la fructose est nécessaire à cette consommation.
Que montre l'expérience 2 ?
L'énoncé précise que si les spermatozoïdes se déplacent, c'est que leur métabolisme produit de l'énergie. La condition 3 montre en effet que l'apport d'énergie rend les spermatozoïdes 5 fois plus mobiles.
Dans la condition 1, la mobilité des spermatozoïdes est élevée car leur métabolisme produit beaucoup d'énergie, probablement grâce à la présence de fructose et d'\ce{O2}.
Dans la condition 2, la mobilité des spermatozoïdes diminue car leur production d'énergie diminue. Ceci est dû à l'arrêt de l'apport en \ce{O2}, qui est consommé par les mitochondries des spermatozoïdes jusqu'à ce qu'il n'y en ait plus (document 1). L'\ce{O2} semble donc nécessaire à la production d'énergie, le fructose seul ne suffit pas.
Que montre l'expérience 3 ?
Lorsque le fructose est seul dans l'enceinte, la radioactivité ne change pas au cours de l'expérience, le fructose ne se convertit pas spontanément en un composé gazeux. De la même manière, les spermatozoïdes seuls ne produisent pas de radioactivité. Ces deux expériences témoins nous permettent d'analyser le dernier résultats. Lorsque le fructose et les spermatozoïdes sont en contact, la radioactivité diminue dans le milieu et augmente dans l'air, ce sont donc les spermatozoïdes qui sont responsables de la conversion du fructose en composé gazeux (qui est ici le \ce{CO2}).
D'après les connaissances du cours et grâce à l'analyse de ces documents, quelle affirmation est juste parmi les suivantes ?
Dans les spermatozoïdes, le fructose et l'\ce{O2} sont consommés et du \ce{CO2}, de l'eau et de l'énergie sont produits par les mitochondries.
On sait que la formule de la respiration cellulaire est :
\text{Sucre} + \ce{O2} \ce{->} \ce{CO2} + \ce{H2O} + \text{Énergie}
On sait qu'une partie de cette voie métabolique a lieu dans les mitochondries.
Dans les documents, on retrouve ces informations :
- Document 1 : L'\ce{O2} est consommé par les mitochondries lorsque du fructose est présent dans la cellule.
- Document 2 : Le fructose et l'\ce{O2} permettent aux spermatozoïdes de produire de l'énergie.
- Document 3 : Le fructose est converti en gaz par les spermatozoïdes.
À partir des informations données par ces trois expériences, quelle hypothèse semble la plus probable ?
Un sucre, le fructose, est dégradé en \ce{CO2} par les spermatozïdes (document 3). De plus, les spermatozoïdes produisent l'énergie nécessaire à leur mouvement en présence d'\ce{O2} et de fructose (document 2). Cette réaction consommant de l'\ce{O2} et du fructose nécessite la présence des mitochondries au sein de la cellule (document 1). L'ensemble de ces molécules (\ce{O2} et sucre consommés, \ce{CO2} et énergie produits) ainsi que l'intervention des mitochondries laisse supposer que c'est bien la respiration cellulaire qui permet la production de l'énergie nécessaire au déplacement des spermatozoïdes.