Chapitre 3 : La diversité des métabolismes cellulaires et leur

Thème 2 :Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 3 : La diversité des métabolismes cellulaires et leur utilisation dans les bio-industries
Chapitre 3 : La diversité des métabolismes cellulaires et leur
utilisation dans les bio-industries
CONNAISSANCES
La source d’énergie permet de distinguer les
phototrophes et les chimiotrophes.
La nature du donneur d’électrons permet de
distinguer les organotrophes et les lithotrophes.
Les animaux et de nombreuses bactéries sont des
organismes chimio-organotrophes.
Les végétaux chlorophylliens, les cyanobactéries sont
des organismes photo-lithotrophes.
La photosynthèse oxygénique permet à des organismes
(végétaux, algues, cyanobactéries) :
- de synthétiser de l'ATP en présence de lumière par
couplage osmo-chimique ;
- d'obtenir des coenzymes réduits utilisables pour
l'anabolisme.
Les transformations biologiques mises en oeuvre dans
les systèmes vivants sont exploitées dans les bioindustries pour la fabrication de nombreux produits.
CAPACITES
Mettre en oeuvre un protocole expérimental (EXAO),
exploiter des ressources documentaires pour :
- identifier le type trophique énergétique d'un organisme
par l'étude des conditions permettant sa croissance ;
- repérer, sur un schéma simple de la phase claire de la
photosynthèse, les rôles du donneur d'électrons H2O et de
la lumière ainsi que la production d'ATP et de coenzyme
réduit
Exploiter des ressources documentaires pour :
- identifier les produits issus d’une fermentation
éthanolique ou lactique ;
- établir l'équation chimique globale de la transformation du
glucose ;
- expliquer l’intérêt industriel des fermentations par la
notion de taux de conversion.
Activité 1 : Les différents types trophiques cellulaires
Le type trophique (= type nutritionnel) spécifie la manière dont un organisme vivant constitue sa matière
organique.Dans le monde vivant, il existe de nombreuses catégories de cellules :
……………………………………………………………………………………………………………………………
On distinguera ainsi ces différents types de cellules :
 Selon le donneur d’électrons :
- Les organismes organotrophes :
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
- Les organismes lithotrophes :
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
 Selon la source d’énergie :
- Les organismes chimiotrophes :
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
- Les organismes phototrophes :
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
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 Les organismes qui réalisent la photosynthèse utilisent l’énergie lumineuse : ils sont……………………
Les cellules végétales chlorophylliennes et les bactéries/algues (les cyanobactéries) peuvent réaliser la
photosynthèse afin d’utiliser l’énergie lumineuse pour synthétiser leur matière organique à partir de CO 2 :
CO2 atmosphérique + H2O + énergie lumineuse  Matière organique + O2
Puisqu’ils utilisent une source minérale (CO2) on les qualifie de …………………………..
Ces organismes sont donc des ……………………………………..
 Les organismes qui ne réalisent pas la photosynthèse (animaux, la plupart des bactéries, les levures et
les moisissures) transforment chimiquement des molécules pour y puiser de l’énergie, on peut donc les
qualifier de ………………………………………..
Matière organique consommée + énergie chimique Matière organique synthétisée
Ils consomment de la matière organique, pour fabriquer leurs propres constituants : ils sont qualifiés d’
………………………………………..
Ces organismes sont donc des ……………………………………….
Questions :
1. A l’aide des informations ci-dessus, compléter le tableau ci-dessous de classement des types trophiques
du monde vivant.
2. Placer chaque organisme de la liste ci-dessous dans ce même tableau.
3. Dans le tableau ci-dessus, on évoque la notion de « source d’électrons ». D’après vos connaissances,
expliquer pourquoi un composé utilisé comme source nutritionnelle peut être considéré comme un
« donneur d’électrons ».
Tableau de classement des types trophiques
Source d’électrons
Matière organique :
Matière minérale :
Source d’énergie
Réactions chimiques sur la
matière utilisée :
Energie lumineuse :
Liste d’organismes :
-Animaux
-Escherichia coli : Bactérie aérobie se développant sur un milieu glucosé
-Bactérie pourpre sulfureuse : utilise la lumière et H2S comme source de pouvoir réducteur pour fixer le
CO2.
-Cyanobactérie : utilise H2O, réalise une photosynthèse oxygénique (qui libère O2).
-Nitrosomonas :utilise les électrons issus de l'oxydation d'ammoniac (NH4+) pour produire l'énergie. Il
obtient le carbone du CO2 de l'atmosphère pour produire sa propre matière.
-Bactérie pourpre non sulfureuse : utilise la lumière pour fabriquer de l’ATP mais ne fixe pas le CO2.
-Plante verte photosynthétique : utilise H2O, réalise une photosynthèse oxygénique (qui libère O2).
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Etudions l’une des voies métaboliques utilisée chez les végétaux, les algues et les cyanobactéries.
Activité 2 : La photosynthèse oxygénique
Document 1 : La cellule végétale eucaryote
Question :
1. Indiquer les éléments qui différencient une cellule animale d’une cellule végétale eucaryote.
Document 2 : Schéma d’un chloroplaste
Les chloroplastes ressemblent à de gros sacs avec deux membranes séparées par un espace
intermembranaire, à l’intérieur on retrouve des empilements de thylakoïdes (un empilement de thylakoïde
s’appelle un granum) qui renferment les pigments chlorophylliens.
Les thylakoïdes ressemblent à des disques épais empilés. Chaque thylakoïde est délimité par une
membrane dans laquelle sont inclus :deux photosystèmes (noté PS1 et PS2) eux-mêmes contenant la
chlorophylle,des composés intermédiaires (plastoquinone, plastocyanine) et une ATP synthase.
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Document 3 : Chaîne membranaire de transporteurs d’électrons de la photosynthèse
Document 4 : Potentiels redox et transmission des électrons au cours de la photosynthèse et de la
chaîne respiratoire
Questions :
2. Indiquer à partir du document 3, la localisation de la chaîne de transporteurs d’électrons de la
photosynthèse, le donneur initial d’électrons et l’accepteur final d’électrons.
3. Identifier le couple redox donneur d’électrons et le couple redox accepteur final d’électrons, puis
compléter le schéma 1 résumant le mécanisme.
4. D’après la nature du donneur d’électrons, justifier que les cellules photosynthétiques sont bien des
lithotrophes.
5. Indiquer et expliquer le mécanisme permettant la synthèse d’ATP. Nommer le type de couplage.
6. Compléter le schéma 2 résumant le mécanisme complet de la chaine de transfert d’électrons de la
photosynthèse.
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7. La phase photochimique de la photosynthèse permet en plus de la synthèse d’ATP, la production de
coenzymes réduits. Quel va être le devenir de ces coenzymes ?
8. A partir du document 4, comparer le potentiel redox du donneur d’électrons et de l’accepteur final pour
chacune de ces deux chaînes de transfert. Commenter.
9. En déduire le rôle de la lumière dans la photosynthèse.
Schéma 1 : Résumé du mécanisme
…….………….
…………..………
Transfert des électrons
(= donneur d’e-)
e-
e-
………………..…………………….
(= accepteur d’e-)
Schéma 2 : Mécanisme complet de la chaine de transfert d’électrons de la photosynthèse.
Compartiment : …………………
………………….
………………….
Transfert d’électrons via le PSII,
les différents éléments
intermédiaires, et le PSI
………… + ………
…………. + …………
……………
………
……….
Compartiment : ………………...
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Activité 3 : Exploitation bio-industrielles des types trophiques
Utilisation des fermentations :
Le glucose est utilisé par certains micro-organismes pour former de l’éthanol ou de l’acide lactique.
Questions :
1. Citer trois exemples d’utilisation industrielle de ces fermentations.
2. Citer deux micro-organismes à l’origine de ces fabrications.
3. Rappeler l’équation bilan de la fermentation lactique.
4. Indiquer l’équation bilan de la fermentation éthanoliquequi donne de l’éthanol et 2 CO2.
Données :
Formule de l’acide lactique : CH3-CHOH-COOH Formule de l’acide éthanolique : CH3-CH2-OH
Bio-production industrielle de l’acide lactique :
Document 1 : Suivi de la culture de Lactobacillus dans un bioréacteur de 3L
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Document 2 : Le bioréacteur
Questions :
5. Comparer l’évolution du nombre de bactéries, de la concentration en glucose et en lactate dans le
bioréacteur au cours du temps.
6. Déduire la place du glucose et du lactate dans le métabolisme de la bactérie Lactobacillus.
7. A partir des données du graphe, déterminer la masse de glucose consommée pendant toute la
fermentation ainsi que la masse de lactate produite.
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RECAPITULATIF
 Les types trophiques
Les types trophiques les plus courants sont les ……………………………………………..(cellules animales,
bactéries, levures, moisissures) et les …………………………………………… (végétaux, algues).
Ces deux catégories disposent de sources nutritionnelles différentes (molécules organiques pour les
premiers, CO2 et H2O pour les seconds) : ces composés libèrent des électrons (donneurs d’électrons) qui
seront pris en charge dans les cellules au niveau de chaine de transfert d’électrons localisées dans des
organites spécialisés.
 La photosynthèse
La photosynthèse permet aux végétaux d’utiliser …………………………………………pour permettre la
synthèse …………………… ainsi que des …………………………………….. Ceux-ci permettront à la cellule
de
former
des
molécules
(anabolisme
=
cycle
de
Calvin).
CO2 + H2O + énergie lumineuse
glucides + O2
La photosynthèse
 Les transferts d’électrons chez les organismes vivants
Les chaines de transfert d’électrons permettent la production d’ATP par couplage osmo-chimique
(production d’ATP grâce à une ATP synthase couplée à l’énergie d’un gradient de protons).
Le transfert d’électrons a toujours lieu à partir d’un donneur d’électrons (forme réduite), vers plusieurs
couples successifs, jusqu’à un accepteur final d’électrons (forme oxydée), selon l’ordre croissant de leurs
potentiels redox.
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Chapitre 3 : La diversité des métabolismes cellulaires et leur utilisation dans les bio-industries
Chez les organotrophes, le transfert d’électrons a lieu dans la ………………………………………………..:
le donneur d’électrons est organique, un coenzyme réduit, NADH+H+ par exemple, l’accepteur final est
l’oxygène.
Chez les végétaux phototrophes oxygéniques, le transfert d’électrons a lieu dans les thylakoïdes des
chloroplastes lors de la ……………………………………. : le donneur d’électrons est minéral, H2O et
l’accepteur final est un coenzyme NADP+.
Ces processus cataboliques sont très exergoniques (∆rG< 0) ce qui fournit aux cellules de l’énergie qu’elles
pourront réutiliser pour différents travaux cellulaires (anabolisme).
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