Génie biochimique et bioprocédés
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Génie biochimique et bioprocédés Dans le monde industriel, de nombreux composés sont synthétisés en grande quantité, avec en tête de l'éthanol, puis des acides organiques (citrique), des acide aminées (acide glutamique et lysine), des vitamines (C et B2), des intermédiaires de synthèse (intérêt pharmacologique), des enzymes et saveurs ou parfum. I] Rôle centrale de la glycolyse Localisation des voies métaboliques : • Mitochondrie : cycle de Krebs, phosphorylation oxydative, oxydation des acides gras • Cytosol : glycolyse et synthèse des acides gras • Lysosomes : Activité enzymatique de digestion • Noyau : Réplication et transcription des ADN, maturation des ARN • Golgi : Modification des protéines et synthèse des membranes • RER : Synthèse des protéines et synthèse des membranes Pour tous les êtres vivants, le glucose occupe un rôle clé, tant dans la synthèse du glycogène (G-6-P), que dans la synthèse des acides nucléiques (voie des pentoses). Sa régulation doit être très fine, puisque c'est l'unique substrat énergétique du cerveau. 1) Le contrôle de flux : 3 enzymes clés Il y a différents types de contrôles : • Allostérique réversible (ms) • Par modification de l'enzyme (s) • Transcriptionnel (h) Les réactions catalysées par l'hexokinase, la phosphofructokinase et la pyruvate kinase sont des sites de contrôle. Contrôle de l'héxokinase : Elle est inhibé par le G-6-P. C'est une inhibition compétitive par le produit, qui se lie au site actif. La vitesse de réaction est supérieur dans de faibles concentrations d'ATP. La phosphofructokinase : Composé de 4 sous unités allostériques. Elle est activée par le F26BP, et l'AMP cyclique, mais est inhibée par l'ATP et le citrate. Cette enzyme a également une activité phosphatase pour réguler la concentration en produits et réactifs. Quand elle est déphosphorylé son activité est kinase, et phosphorylé elle est phosphatase. Cette enzyme combine le contrôle allostérique et modification covalente (phosphorylation). C'est un contrôle en feedback. La pyruvate kinase : Activée par le F6BP, et inhibée par l'ATP. Le fonctionnement est sensiblement identique au précédent. 2) Les 3 destins du pyruvate En présence d'oxygène, il entrera dans le cycle de Krebs. Sans oxygène, il fera de la fermentation homolactique, et de la fermentation alcoolique. II] Fermentation alcoolique La pyruvate décarboxylase forme de l'acétaldéhyde. Une alcool déshydrogénase passe en alcool. La pyruvate décarboxylase marche avec un cofacteur : pyrophosphate (TPP). C'est ce cofacteur qui fixera le pyruvate. L'acétaldéhyde sera hydrogéné par déshydrogénase en présence de NADH. l'alcool III] Application industrielles La fermentation microbienne peut être pratiqué par des levures, des champignons imparfaits ou certaines bactéries. Le fermentateur contient le substrat et les organismes actifs, avec contrôle du pH, de la température, la pO 2... Les application se retrouve tant dans l'alimentaire (pain, alcool, fromages...), mais aussi des application énergétiques (biocarburants). Bière : • • • Maltage : Germination limité du grain (pour activer les enzymes) Brassage : L'amidon est hydrolysé en sucres fermentescibles par concassage, élimination des déchets cuisson et aromatisation Fermentation : Les sucres fermentescibles peuvent alors fermenter en alcool par les levures de bière. IV] Production d'acide Lactique 1) Fermentation homolactique Le pyruvate est transformé en acide lactique par la lactate déshydrogénase, en consommant une molécule de NADH. Le bilan énergétique net est de deux molécules d'ATP. Cette réaction permet de plus une régénération de NAD + pour la glycolyse. 2) Comparaison des deux fermentations Les deux réactions anaérobies utilisent du glucose pour synthétiser dans les deux cas deux molécules d'ATP et du lactate ou de l'éthanol. Ces réactions sont 19 fois moins productive en ATP que la respiration. Effet Pasteur : « La levure utilise bien plus le glucose en anaérobiose qu'en aérobiose ». La fermentation alcoolique : La fermentation lactique : 3) Bactéries lactiques Certaines bactéries du yaourt par exemple (streptocoques, staphylocoques...). On parle de germes probiotiques qui, lorsqu'ils sont intégrés par l'organisme, exercent un effet positif sur la santé (lactobacille, bifidobactérie...). Ces probiotiques traitent l'intolérance au lactose (défaillance en lactase), et ont un probable rôle dans le transit, l'immunité/allergie, le traitement des inflammations digestives, le cancers digestifs... par exemple en formant une barrière physique entre la lumière et les entérocytes, en s'accrochant à ces derniers. Ces germes peuvent être introduits, notamment dans les laits fermentés (Lactobacillus casei defensis). L'intolérance au lactose est dû à une défaillance en β-galactosidase, ou à la perméase permettant l'entrée du lactose. La βgalactosidase est une enzyme induite par la présence du substrat. 4) Polymérisation de l'acide lactique Les deux groupes fonctionnels alcool et acide carboxylique peuvent réagir entre eux par une réaction d'estérification. Les polymères peuvent être utilisés pour la fabrication de bioplastiques. Il est obtenu à partir de l'amidon dégradé notamment par une fermentation. La difficulté industrielle réside dans la purification de l'acide lactique, qui nécessite de nombreuses purifications (en le faisant précipiter).
