Écosystème et relations trophiques

CHAPITRE 10 DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABOLISME
1 Écosystème et relations trophiques
Au sein d’un écosystème, de nombreuses interactions existent entre les
êtres vivants qui le constituent. Les relations trophiques qui s’établissent régissent le cycle de la matière carbonée.
1.
Un écosystème comprend des êtres vivants
et des facteurs abiotiques
● Un écosystème est un ensemble constitué d’un biotope et d’une
biocénose.
● Le biotope regroupe tous les éléments physico-chimiques du milieu de
vie et la biocénose est l’ensemble des êtres vivants peuplant ce biotope.
● Dans un écosystème, les êtres vivants dépendent les uns des autres ; des
relations alimentaires s’établissent entre eux : ce sont les relations trophiques. Elles peuvent regrouper plusieurs chaînes alimentaires c’est-à-dire
divers transferts de matière depuis les producteurs jusqu’aux consommateurs. La place d’un être vivant dans une chaîne alimentaire représente
son niveau trophique.
2. Producteurs, consommateurs et cycle du carbone
● Les producteurs primaires sont les végétaux chlorophylliens ; ils sont
autotrophes et utilisent le CO2 atmosphérique comme source de carbone
pour la production de matière organique. Pour réaliser cela, ils utilisent
l’énergie lumineuse produite par le Soleil : c’est la photo-autotrophie. Ils
sont à la base de la production de matière.
● Les consommateurs (ou producteurs secondaires) ne peuvent pas synthétiser de matière organique carbonée à partir de matière minérale : ils sont
hétérotrophes pour le carbone. Ils utilisent la matière organique formée par
les végétaux autotrophes pour synthétiser à leur tour leur propre matière
organique. Il existe différents niveaux de consommateurs.
● Tous les êtres vivants décomposent la matière organique le long des
chaînes alimentaires libérant de la matière minérale (CO2). Les décomposeurs les plus actifs sont les organismes détritivores (champignons et bactéries) ; ils recyclent la matière organique morte.
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cours
savoir-faire
s u j e t s b ac
corrigés
CO2 atmosphérique
producteurs primaires
flux de carbone
minéral (oxydé)
consommateurs primaires
flux de carbone
organique (réduit)
consommateurs secondaires
décomposeurs
10-1. Flux de matière dans un écosystème.
La matière est sans cesse recyclée et circule dans un écosystème entre
les différents compartiments ; il existe un équilibre de flux entre la formation de carbone organique par photosynthèse et la minéralisation de ce
dernier par respiration ou fermentation. Un écosystème s’auto-entretient
par le biais des relations trophiques qui y règnent mais il s’agit d’un équilibre fragile dépendant du biotope et de la biocénose.
●
L’erreur classique à éviter
Le carbone minéral est à l’état oxydé (CO2, HCO3–…).
Le carbone organique résulte de la réduction du CO2 par les organismes
autotrophes. Ces derniers sont à la base des chaînes alimentaires.
227
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2 La photosynthèse
La photo-autotrophie nécessite des substances minérales, de l’eau et
de l’énergie lumineuse. Le CO2 pénètre dans les feuilles ; l’eau est transportée par la sève brute ; la lumière pénètre directement au travers de
l’épiderme. Les chloroplastes sont les organites qui réalisent la photosynthèse. Celle-ci se déroule en deux phases.
1.
L’apport de matières minérales dans les feuilles,
lieu de la photosynthèse
● Les feuilles présentent des nervures qui contiennent les tissus conducteurs de sève. L’eau est transportée par la sève brute depuis les racines où
elle est absorbée jusqu’aux feuilles.
● La face inférieure de la plupart des feuilles présente des stomates : ce
sont des structures dont l’ouverture est contrôlée et qui permettent aux
gaz de diffuser librement depuis le milieu extérieur vers l’intérieur de la
feuille et inversement. Le CO2 pénètre à travers ces ouvertures jusqu’au
parenchyme chlorophyllien qui possède, au sein des chloroplastes, les pigments (chlorophylle…) nécessaires à la photosynthèse.
énergie lumineuse
membrane
externe
cuticule face
supérieure
membrane
interne
épiderme
supérieur
stroma
parenchyme
chlorophyllien
thylakoïdes
cellule
stomatique
épiderme
inférieur
cuticule face
inférieure
chloroplaste
O2
CO2
tissus conducteurs
de sève
stomate
10-2. Localisation de la photosynthèse.
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savoir-faire
cours
s u j e t s b ac
corrigés
2. Le déroulement de la photosynthèse :
deux phases se succèdent
La phase photochimique a lieu dans les thylakoïdes des chloroplastes où
les pigments collectent les photons ; leur énergie est utilisée pour oxyder
des molécules d’eau. Cette réaction produit des composés intermédiaires
(ATP et coenzymes réduits RH2), et libère du dioxygène.
●
● La phase non photochimique se déroule dans le stroma. L’assimilation du
CO2 nécessite l’intervention de ribulose-1,5 bisphophate (composé en
C5) et des produits de la phase photochimique : utilisation de l’ATP et
des coenzymes réduits. Elle donne naissance à des trioses-phosphate
(composés en C3) permettant, d’une part, la régénération du ribulose,
d’autre part, la formation ultérieure de glucose.
●
Bilan : 6 CO2 + 12 H2O K C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
énergie
lumineuse
H2O
THYLAKOÏDES
O2
phase photochimique :
photo-oxydation de l’eau,
production d’O2, RH2, ATP
ATP
ADP
RH2
R
STROMA
phase non photochimique :
utilisation de l’ATP, de RH2,
réduction du CO2, synthèse
de glucides
CO2
C6H12O6 (fructose, glucose)
10-3. Déroulement de la photosynthèse.
L’erreur classique à éviter
Le bilan simplifié 6 CO2 + 6 H2O K C6H12O6 + 6 O2 ne tient pas compte
du fait que le dioxygène produit provient de l’eau et non du CO2.
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3 Le devenir des composés glucidiques
chez les végétaux
Les produits de la photosynthèse peuvent être temporairement stockés
dans les chloroplastes sous forme d’amidon, servir de squelettes carbonés pour de nombreuses molécules biologiques, servir de source
d’énergie ou être exportés vers d’autres parties du végétal.
1.
L’utilisation des composés glucidiques de
la photosynthèse dans la cellule chlorophyllienne
● À l’issue de la photosynthèse, au sein du chloroplaste, des molécules de
trioses-phosphate sont formées ; selon les besoins, celles-ci vont servir,
soit au stockage, soit à diverses réactions cellulaires.
● À l’intérieur même du chloroplaste, les composés glucidiques peuvent servir à la synthèse et au stockage d’amidon si la cellule dispose d’assez d’énergie. Ce stockage sous forme d’amidon dans le chloroplaste est temporaire.
Une grande partie des trioses exportés hors du chloroplaste, dans le
cytoplasme de la cellule chlorophyllienne, sert à l’obtention de fructose
et de glucose, sucres à l’origine du saccharose stocké dans la vacuole.
●
Glucose et fructose permettent de fournir l’énergie nécessaire à la vie
cellulaire. Cette énergie est obtenue, comme chez les organismes hétérotrophes, par dégradation de ces molécules glucidiques (glycolyse, respiration…).
●
● Une autre partie sert de point de départ à l’ensemble des biosynthèses
cellulaires qui nécessitent des chaînes carbonées. En effet, le carbone
organique obtenu par photosynthèse est à la base de toutes les molécules
biologiques (glucides, acides aminés et protéines, lipides, nucléotides et
acides nucléiques… ).
2. Le devenir du saccharose dans la plante
L’excédent de saccharose formé est exporté hors de la cellule chlorophyllienne et mis en circulation dans la sève élaborée qui le transporte vers
l’ensemble du végétal notamment :
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cours
savoir-faire
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corrigés
– les graines, les fruits, les organes de réserve (tubercules, bulbes, rhizomes) ;
– toutes les parties non chlorophylliennes du végétal. Ces dernières ont
un comportement hétérotrophe à l’échelle cellulaire, nécessitant un
apport de matière organique pour survivre ;
– les zones en croissance où le saccharose exporté sert également à la synthèse des parois cellulosiques et du bois.
O2, H2O
CO2
O2
CO2
cytoplasme
noyau
PHOTOSYNTHÈSE
RESPIRATION
SYNTHÈSES
amidon
trioses-P
chloroplaste
vacuole
saccharose
nutriment pour zones
en croissance et cellules
non chlorophylliennes
glucose : élément de base
de la paroi cellulosique
et du bois
ÉE
OR
AB
ÉL
VE
SÈ
stockage dans les organes
de réserve, les fruits
et les graines
10-4. Devenir des produits de la photosynthèse.
L’erreur classique à éviter
Les cellules autotrophes réalisent à la fois photosynthèse et respiration.
Les cellules non chlorophylliennes d’un végétal autotrophe ont un
métabolisme hétérotrophe.
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CHAPITRE 10 DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABOLISME
4 L’ATP, molécule indispensable
à la vie cellulaire
La molécule d’ATP est la molécule préférentielle utilisée par toutes les
cellules comme vecteur d’énergie. Son hydrolyse libère une certaine
quantité d’énergie et permet de réaliser de nombreuses réactions chimiques et les mouvements cellulaires.
1.
La molécule d’ATP : une structure simple
mais un rôle important
● La molécule d’ATP (Adénosine Tri-Phosphate) possède trois groupements
phosphate (PO43–) : les deux derniers sont reliés par des liaisons particulières (phosphoanhydrides) dont la rupture libère de l’énergie.
● Ces groupements phosphates peuvent être transférés à d’autres molécules. Celles-ci sont alors « chargées » énergétiquement (exemple : triosesphosphate…).
H
H
N
C
N
N
C
C
C
C
H
N
O
H
N
H2C
O
H
O
O
P
O
O
–
O
P
O
O
–
P
O
O
–
–
H
H
H
OH
OH
10-5. Molécule d’ATP.
● De très nombreuses réactions du métabolisme consomment de l’ATP
pour pouvoir se réaliser. Il n’existe pas de stock d’ATP mais il est régénéré
aussi vite qu’il est détruit.
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cours
savoir-faire
s u j e t s b ac
corrigés
2. Les biosynthèses nécessitent l’utilisation d’ATP
Toutes les biosynthèses nécessitent une consommation d’énergie. Elles
font intervenir l’ATP ou d’autres intermédiaires phosphorylés (possédant
au moins un groupement phosphate). Ceux-ci sont issus du transfert de
liaison phosphoanhydride par une molécule d’ATP comme par exemple
le triose-phosphate, le glucose-phosphate… Dans toutes les cellules, animales ou végétales (sauf au sein des chloroplastes), les synthèses sont réalisées à partir de molécules organiques provenant de la digestion chez les
organismes hétérotrophes ou de la photosynthèse chez les organismes
photo-autotrophes.
3. Transports, mouvements cellulaires et ATP
Les déplacements actifs requièrent également de l’énergie car ils ne se
font pas spontanément. L’utilisation d’ATP par la cellule permet de réaliser les fonctions suivantes :
– elle permet aux transporteurs de molécules de faire migrer des ions ou
toute autre molécule spécifique de part et d’autre des membranes, en
allant à l’encontre de leur gradient de concentration ; ces transporteurs
les font alors transiter du compartiment le moins concentré dans le
compartiment le plus concentré ;
– elle est nécessaire à tous les mouvements intracellulaires et permet aux
organites (chloroplastes, mitochondries) et aux vésicules (vésicules de
sécrétion, lysosomes…) de se déplacer dans le cytoplasme de la cellule ;
– dans les cellules musculaires, les filaments responsables du mouvement
(ensemble actine-myosine) consomment des molécules d’ATP pour coulisser les unes par rapport aux autres et permettre un raccourcissement du
sarcomère assurant ainsi la contraction musculaire.
L’erreur classique à éviter
D’autres molécules possèdent des groupements phosphate mais l’ATP
a un rôle central car il peut facilement accepter et restituer
ces groupements. L’ATP est un intermédiaire du métabolisme
et il permet la réalisation de l’ensemble des travaux cellulaires.
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5 Respiration et fermentation
La fourniture d’énergie dans les cellules nécessite toujours la dégradation de matière organique. Les cellules autotrophes, comme les cellules
hétérotrophes réalisent la respiration ou la fermentation. Ces réactions
permettent l’obtention d’ATP utilisable par la cellule.
1.
Le bilan de la respiration
Dans le cas d’une molécule de glucose, le bilan de la respiration peut
s’écrire :
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O K 6 CO2 + 12 H2O
Il faut tenir compte du fait que l’eau produite provient du dioxygène.
2. Une respiration en trois étapes
La respiration se réalise dans deux compartiments cellulaires : le cytoplasme et la mitochondrie. Trois étapes se succèdent : glycolyse, décarboxylations oxydatives (cycle de Krebs) et chaîne oxydative.
●
● La glycolyse a lieu dans le cytoplasme ; elle permet l’oxydation du glucose en pyruvate (CH3COCOOH) en produisant des coenzymes réduits
R’H2 et 2 molécules d’ATP par molécule de glucose.
C6H12O6 + 2R’
2 CH3COCOOH + 2R’H2
2ADP + 2Pi
2 ATP
● Le cycle de Krebs : il s’agit d’une succession de décarboxylations (libérant
du CO2) à partir du pyruvate, à l’intérieur de la matrice mitochondriale
produisant à nouveau ATP et R’H2.
2CH3COCOOH + 10R’ + 6H20
2ADP + 2Pi
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6 CO2 + 10R’H2
2 ATP
cours
savoir-faire
s u j e t s b ac
corrigés
● La dernière étape est la réoxydation par le dioxygène des composés
réduits R’H2 dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries.
Une importante quantité d’ATP est ainsi produite.
2 pyruvate
2 CH3COCOOH
2 R’H2
6 O2
12 H2O
6 CO2
cycle
de Krebs
12 R’
2 ADP + Pi
6 H2O
chaîne oxydative
10 R’H2
32 ADP + 32 Pi
32 ATP
2 ATP
32 ADP + 32 Pi 32 ATP
10-6. Rôle de la mitochondrie dans la respiration.
3. La fermentation anaérobie
● Quand la respiration est impossible, la glycolyse a lieu mais le pyruvate
obtenu ne peut être dégradé davantage ; l’oxydation du substrat demeure
incomplète. C’est la fermentation qui permet la réoxydation des coenzymes réduits. Elle aboutit à un déchet organique. Dans le cas de la fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol (CH3CH2OH).
Cette fermentation est anaérobie :
CH3COCOOH + R’H2 K CH3CH2OH + CO2 + R’
Le bilan de la fermentation est de 2 molécules d’ATP par molécule de
glucose :
Glucose + 2 ADP K 2 Éthanol + 2 ATP
●
L’erreur classique à éviter
Toutes les fermentations ne sont pas anaérobies ; la fermentation
acétique nécessite du dioxygène.
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