1.1. Les métabolismes cellulaires
Le métabolisme d'une cellule est la somme du catabolisme, ou activité de
dégradation, et de l'anabolisme, ou activité de synthèse. Le catabolisme dégrade
des molécules complexes en molécules de base, soit pour produire de l'énergie soit
pour produire des molécules directement utilisables par les voies de l'anabolisme.
Construction du savoir de référence
La respiration cellulaire et les fermentations alcoolique et lactiques sont des voies
de catabolisme.
L'anabolisme concerne toutes les synthèses comme le métabolisme de la
photosynthèse réalisé par les cellules végétales.
Les voies métaboliques sont donc très nombreuses et reliées les unes des autres
(figure 12).
Figure 12 : trame conceptuelle des métabolismes cellulaires
L’étude du métabolisme se complexifie avec la multiplicité des voies utilisées par
certains organismes. C’est le cas notamment des chlorelles (algues unicellulaires)
qui réalisent la photosynthèse et la respiration cellulaire, et de la levure
Saccharomyces Cerevisiae (figure 13) qui réalise la respiration cellulaire et la
fermentation alcoolique.
Figure 13 : Saccharomyces cerevisiae
La présence de plusieurs organites, tels que les chloroplastes et les mitochondries
chez les chlorelles leur permet de réaliser simultanément la respiration cellulaire
et la photosynthèse, selon l’intensité lumineuse dont elles disposent. Les levures
sont pourvues de mitochondries, et ont la capacité de réaliser selon les conditions
du milieu (présence ou absence de dioxygène), deux métabolismes qui sont la
respiration cellulaire et la fermentation alcoolique.
Ainsi, les conditions du milieu comme la luminosité et la disponibilité en dioxygène
influencent le type de métabolisme réalisé par le microorganisme.
1.2. L’influence du milieu dans la réalisation d’un métabolisme
Nous allons décrire l’effet de deux facteurs sur le métabolisme effectué par la
levure Saccharomyces, qui est le microorganisme utilisé dans notre étude sur la
fermentation alcoolique.
La levure peut produire l'énergie nécessaire à sa survie et à sa reproduction de
deux manières différentes, en fonction du milieu ambiant. Quand l'oxygène est
disponible, le glucose est métabolisé par voie aérobie. En l'absence de dioxygène,
elle effectue la fermentation alcoolique.
Un autre facteur, lié au vivant notamment influe sur la réalisation du métabolisme.
En effet, une des conditions nécessaires à la réalisation optimale de la
fermentation alcoolique par les levures est la température du milieu :
en dessous de 10°C, le processus est très ralenti voire incomplet
au-delà de 45 à 50 °C, les levures meurent, le milieu devient inapte à leur
survie.
La température optimale de réaction chez la levure Saccharomyces Cerevisiae est
proche de 25°C.
Cette condition est directement liée à l’utilisation d’un organisme vivant, ce qui
implique de classer les microorganismes utilisés comme les levures dans le vivant.
En effet, la levure Saccharomyces Cerevisiae, est un champignon unicellulaire.
La température du milieu influe ainsi sur la vitesse des réactions chimiques à
l’origine du processus de fermentation alcoolique.
Construction du savoir de référence
1.3. Un processus réactionnel complexe
La fermentation alcoolique est un processus complexe, dont l’équation bilan de
réaction est le résultat d’une chaîne réactionnelle (figure 14).
La première étape, la glycolyse est une chaine
réactionnelle commune aux métabolismes de la
respiration et de la fermentation cellulaires. Elle
consiste à la dégradation du glucose de façon incomplète
en pyruvate, ce qui amène à la production d’énergie
sous la forme de deux molécules d’ATP.
En l'absence d'oxygène, la réaction consiste à la
conversion du pyruvate en éthanol et dioxyde de
carbone. Il s'agit d'un processus de fermentation en
deux étapes dont le bilan de dégradation du glucose est :
Glucose + 2 ADP + 2 Pi ---> 2 éthanols + 2 CO2 + 2 ATP
Le bilan en NAD
+/NADH étant nul, ces coenzymes
n'apparaissent pas dans l'équation globale de la
transformation du glucose en éthanol.
Le rendement énergétique de la fermentation alcoolique
est ainsi bien moins important (2 ATP par molécule de
glucose dégradée) que celui de la respiration cellulaire
(38 ATP par molécule de glucose dégradée car
l’oxydation est totale).
L’ensemble des réactions de la fermentation alcoolique
se réalise dans le cytoplasme des cellules.
1.4. La fermentation alcoolique à différentes échelles d’études
La fermentation alcoolique est un processus qui fait appel à différentes échelles
d’études liées à l’utilisation de microorganismes. Or, l’étude de ce métabolisme
chez les levures qui sont des organismes unicellulaires implique une seule et
même échelle d’étude qui confond l’organisme et la cellule. Les échanges
cellulaires ainsi réalisés se font directement avec le milieu environnant. Enfin, le
processus réactionnel fait intervenir les dimensions moléculaire, et atomique.
1.5. Conclusions
Le métabolisme cellulaire est un phénomène complexe qui met en jeu des concepts
de chimie et de biologie selon des échelles biologiques différentes.
Les levures sont des microorganismes cellulaires qui sont sensibles aux variations
des conditions du milieu. Elles réalisent deux métabolismes qui sont la respiration
cellulaire et la fermentation alcoolique. Ce sont les conditions du milieu et
notamment la teneur en dioxygène qui va influer sur le type de métabolisme
réalisé. Une autre condition nécessaire à la réalisation optimale de la fermentation
alcoolique est la température du milieu. En effet, les levures étant des organismes
vivants et unicellulaires, elles sont sensibles à la variation de la température qui
agit sur la vitesse de réaction de la fermentation.
Figure 14 : la chaine réactionnelle de la fermentation alcoolique