L énergie et le métabolisme

Le métabolisme

L’énergie et le métabolisme

• L’énergie est la capacité d’un système à réaliser un travail (i.e. modifier l’état d’un matériau ou le déplacer)

• Unités :

Le Joule (J)

La calorie (1 cal = 4, 1855 J)

Métabolisme :

Ensemble des réactions chimiques nécessaires au fonctionnement d’une cellule.

Le métabolisme permet la production de matière organique et permet la multiplication des cellules.

Ces réactions nécessitent de l’énergie biologique

L’énergie et le métabolisme

Cellule eucaryote vue au microscope électronique

Les réactions du métabolisme ont lieu dans le cytoplasme et impliquent souvent les organites

(ici, sur la photo: la

mitochondrie)

D’où vient l’énergie biologique?

Comment circule-t-elle dans les écosystèmes?

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Comment l’énergie est-elle incorporée dans les systèmes vivants?

Ex. Photosynthèse :

Transformation de l’énergie lumineuse en énergie biologique

Le sucre est ensuite investi dans des voies métaboliques produisant de

l’énergie (il sert de ‘carburant’)

L’énergie ne se crée et ne se détruit pas, elle est transformée (convertie) ➔ conservation de l’énergie

Les organismes AUTOTROPHES

La conversion de l’énergie contenue dans la lumière en énergie biologique par la photosynthèse permet d’introduire de l’énergie dans les systèmes vivants. Grâce à la photosynthèse, les végétaux sont donc capables de produire par eux-mêmes les molécules organiques dont ils ont besoin pour assurer leur métabolisme : ils sont dits AUTOTROPHES (étymologiquement « ils trouvent eux-mêmes leur nourriture »).

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Les organismes HETEROTROPHES

Les organismes qui ne peuvent pas réaliser la photosynthèse, sont dits HETEROTROPHES : ils doivent puiser leur énergie en consommant les molécules organiques produites par les organismes autotrophes.

Le papillon appelé la "feuille morte du chêne", Gastrophacha quercifolia

La truffe et ses mycorhizes

Ecureuil Le Geai des

chênes

Exemples d’organismes hétérotrophes (rencontrés au niveau d’un chêne), qui ne font pas la photosynthèse

➔ Ces organismes sont reliés par des interactions écologiques qui leur permettent de consommer l’énergie produite par les organismes autotrophes

Une fois introduite dans le système biologique, l’énergie circule au sein de

l’écosystème selon les relations écologiques entre les espèces

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Herbe = autotrophe

=prod.primaire

Photosynthèse + respiration

Arbre = autotrophe

=prod.primaire

Photosynthèse + respiration

Mouton=hétérotrophe=

consommateur Respiration

La respiration et la fermentation

TP METABOLISME DES LEVURES

Un exemple d’organisme hétérotrophe

Levure au microscope électronique à

balayage ➔

La levure

• Organisme unicellulaire, eucaryote

• Contient un organite

particulier : la mitochondrie

• Utilisé dans l’alimentation pour faire le pain ou la bière

Levure (organisme unicellulaire)

au microscope optique ¹⁰

La Levure est un organisme HETEROTROPHE:

Elle doit utiliser des molécules organiques pour produire de l’énergie et fabriquer de la matière. Les molécules utilisées sont transformées par les réactions du métabolisme. Les produits de ces transformations sont rejetés par la levure

.

Levure (organisme unicellulaire) au microscope optique

OBJECTIFS : IDENTIFIER LES VOIES METABOLIQUES A PARTIR DESQUELLES LES LEVURES ASSURENT

LEURS BESOINS ENERGETIQUES:

-Quelles molécules fournissent l’énergie nécessaire?

-Quelles réactions chimiques se produisent?

-Quels sont les produits des réactions métaboliques?

…

A partir d’expériences EXAO

EXpérimentation Assistée par Ordinateur

Schéma simplifié du métabolisme d’une levure 12

Objectif:

Quelle(s) réaction(s) chimique(s) assurent le métabolisme

énergétique de la Levure?

Rappel (?) des formules chimiques des molécules étudiées dans ce TP

• L’eau : H

O

• Le dioxygène : O

• Le dioxyde de Carbone : CO

• Le glucose (un exemple de sucre) : C

H

0

• L’éthanol (un alcool): C

H

OH

Principe général de l’expérience

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Partie 1 :

caractérisation du métabolisme de levures affamées

(métabolisme ralenti)

On a faim!

On mesure les échanges de gaz et d’alcool avec les sondes

 qu’est-ce qui est consommé et qu’est- ce qui est produit

 Caractérisation de la réaction chimique

Partie 2:

caractérisation du métabolisme de levures nourries au sucre

On mesure les échanges de gaz et d’alcool avec les sondes

 qu’est-ce qui est consommé et qu’est-ce qui est produit au cours du temps

 Quantification des échanges

 Caractérisation des réactions chimiques

Culture de Levure dans le bioréacteur

Nous prélevons les levures affamées (10 mL) pour les placer dans le bioréacteur du système EXAO

Le bioréacteur est équipé de sondes électroniques qui mesurent les

concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone dans le milieu, en temps réel

Les mesures de ces concentrations

apparaissent en temps réel sur l’écran d’ordinateur…

Vous pouvez ainsi visualiser les réactions chimiques qui ont lieu lors du

métabolisme des levures

Bioréacteur

Cuve centrale

➔ levures

Agitateur magnétique

Turbulent + trou pour injection de

la levure

Pipette pour prélever les

levures

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LES SONDES

O

CO

Seringue pour injecter

le

glucose

Injection glucose

Emplacement des SONDES

Emplacement

Le principe de l’expérience EXAO sur les levures

PARTIE1

• Les levures utilisées sont affamées depuis

• ~48h Elles n’ont donc pas ‘le carburant’

nécessaire pour faire fonctionner leur métabolisme de façon optimale

• Dans un premier temps, nous allons

caractériser le métabolisme de ces levures affamées…

➔ Témoin de l’expérience

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Culture de Levure dans le bioréacteur

PARTIE2

Après quelques minutes, nous allons injecter du Glucose (à 10g/L) dans le bioréacteur

Nous allons observer comment les levures réagissent à l’injection du

glucose, pendant environ 15 minutes.

Injection GLUCOSE

Culture de Levure

COMPTE RENDU :

description des courbes d’évolution de dioxygène et de dioxyde de Carbone au cours du temps pour la culture de levure

considérée.

INTERPRETATION sous la forme d’un paragraphe argumenté qui doit expliquer :

-Quelle molécule fournit l’énergie aux levures pour effectuer le métabolisme?

-Quelles molécules sont consommées et produites lors du métabolisme des

levures?

-Ecrire la réaction chimique mise en évidence

COMPARER AVEC LES RESULTATS ‘IDEAUX’

FOURNIS DANS LES DOCUMENTS (si besoin…)

Suivi des courbes sur l’ordinateur

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Fiche interface exao

En ordonnées, vous allez pouvoir placer les sondes qui mesurent les concentrations en dioxygène, dioxyde de carbone, éthanol…

En abscisses, nous plaçons l’axe du temps On obtient des courbes qui représentent

l’évolution de la concentration des molécules étudiées au cours du temps

Petite mise en garde technique avant de commencer!

-Attention au mode de vissage de la pipette pour prélever les levures

-Bien injecter le sucre dans le bioréacteur, pas à côté!

-Bien fermer le bioréacteur (bien boucher) -Ne pas disposer de sonde au niveau du turbulent (pour ne pas abîmer les sondes) -Attention à ne pas faire tomber le turbulent lorsque vous nettoyez le matériel

-Ne pas se bousculer quand on prélève les levures, pas de geste brusque ₂₄

PROTOCOLE Partie 1:

Organiser son poste de travail

-Ouvrir le logiciel Atelier scientifique SVT (sur le bureau, écran d’accueil) -Onglet Généraliste SVT

-Mettre en place le dispositif EXAO : brancher le système, vérifier que les sondes sont connectées, mettre en place le bioréacteur sur l’agitateur (‘le moteur’), installer le turbulent dans le

bioréacteur…

-SONDES: Placer la sonde ‘oxygène’ à gauche, la sonde ‘CO₂’ à droite, la sonde ethanol dans

l’espace restant

-Préparer la seringue avec la solution de glucose à 1Og/L à injecter plus tard (prévoir 1 mL)

-Prélevez sur la paillasse du professeur 10 mL de suspension de Levures à l’aide d’une pipette.

-Introduire les levures dans la petite cuve au centre du

bioréacteur (où le turbulent se trouve) par l’orifice au centre

-Fermer le couvercle avec les sondes.

-Vérifiez que tout est bien isolé au niveau du bioréacteur

(bouchons fermés) pour éviter tout échange d’O

et de C0

avec la salle ( ➔ fausse l’expérience)

-Allumez l’agitateur

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PROTOCOLE Partie 2:

Prélever les levures

-Glissez les icônes représentant les sondes sur l’axe des ordonnées -Glissez l’icône représentant une montre sur l‘axe des abscisses Sonde =>calibre=> préférer liquide pour avoir unités en mg/l -prévoir environ 30 minutes de mesure

-Lorsque tout est prêt, cliquez sur l’icône en forme de feux de signalisation pour lancer l’acquisition des mesures.

-Laissez les mesures se faire pendant environ 5 minutes ➔ situation témoin sans glucose.

-Injectez ensuite 0.5 mL de glucose à l’aide de la seringue, dans le trou prévu à cet effet (attention à ne pas faire de bulle d’air, reboucher dès que possible). Notez

précisément à quel moment vous avez injecté le glucose.

-Réalisez l’enregistrement pendant une vingtaine de minutes.

PROTOCOLE Partie 3:

Préparer l’atelier SVT et réaliser l’acquisition des mesures

de concentration en O ₂ et CO ₂ au cours du temps

En attendant que l’acquisition se fasse…

Le document ci-contre présente

l’évolution des concentrations en 0₂, C0₂, glucose et éthanol dans une

suspension de levure. Ici, le glucose est présent dans le bioréacteur dès le

début de l’enregistrement.

Q1-Décrire l’évolution des concentrations des molécules impliquées au cours du temps.

Q2-Caractérisez la réaction chimique qui se produit de 0 à environ 200s.

Q3- Caractérisez la réaction chimique qui se produit de 200 s jusqu’à la fin de l’expérience

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-Vérifiez que les échelles de vos axes (ordonnées et abscisses) permettent une bonne lecture de la courbe

-Afficher les différentes courbes avec des couleurs différentes

-Réalisez une capture d’écran et imprimez les courbes obtenues.

-Ajoutez un titre

-Vérifiez que les axes sont légendés et que les unités sont indiquées.

PROTOCOLE Partie 4:

Bien présenter les résultats de l’acquisition EXAO

Rédaction du compte rendu:

• Présentez le document : titre, signification des axes

• Décrire les variations des paramètres observés au cours du temps, un à un

• Comparez les différentes courbes

• Interprétez les résultats : quels sont les phénomènes mis en évidence?

• Conclure : synthèse sur le métabolisme des levures à partir de vos résultats

• Si nécessaire : mentionnez ce qui n’a pas bien marché dans votre expérience et proposez une raison à cela.

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Conseils pour rédiger un compte rendu

• Ne considérez pas que vous écrivez pour votre professeur mais pour quelqu’un qui ne connaît pas déjà l’expérience (ex. un camarade d’une autre classe). Quelqu’un qui n’a pas la courbe sous les yeux doit être capable de comprendre ce qu’elle

représente.

• Le compte rendu doit montrer que vous avez compris ce que vous avez fait

• Faire des phrases simples : une phrase = une observation; une phrase = une idée.

• Indiquez des ordres de grandeurs, des valeurs numériques dès que nécessaire, en étant rigoureux sur les unités

• Le sujet, le verbe et le complément doivent être formulés de façon explicite.

• Par exemple : ‘La courbe monte’ ne veut rien dire ➔ La concentration en CO

augmente de 40 mg/L en l’espace de 700 s.

• Ne pas hésiter à sauter une ligne à chaque nouvelle étape de votre commentaire.

• Les locutions ‘J’observe que…’, ‘Mon interprétation est la suivante…’, ‘Je conclus

que…’ s’avèrent très utiles pour organiser un texte!

Métabolisme des levures

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Métabolisme des levures

Consommation O₂ et glucose, Production CO₂

→Respiration

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Métabolisme des levures

Consommation O₂ et glucose, Production CO₂

→Respiration

Equation chimique de la respiration 34

C₆H₁₂O₆+60₂➔6CO₂ + 6H₂0 (+ énergie)

Métabolisme des levures

Consommation de glucose, mais à un taux ~deux fois

moindre

Production CO₂ Production alcool

→Fermentation

La fermentation se manifeste en absence d’oxygène

2 métabolismes chez la levure :

Métabolisme des levures : rôle des mitochondries?

Quelle est la différence entre la levure Rho+ et son mutant Rho -?

Perte des mitochondries chez Rho -

Métabolisme des levures

Levures Rho- dépourvues de mitochondrie Levures Rho + : présence de mitochondries Rho- : faible consommation de dioxygène sur le

temps de l’expérience (baisse de la concentration de moins de 0.1 mg/L) Rho+: forte consommation de dioxygène, baisse de la concentration de 1.6 mg/L. Tout le

dioxygène présent dans le milieu est consommé.

La consommation de dioxygène indique une Respiration

Les mitochondries sont donc les organites responsables de la respiration

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Carrefour métabolique

Le pyruvate est un

intermédiaire de la glycolyse, qui peut être tantôt investi

dans la respiration (en condition aérobie) au niveau

de la mitochondrie ou la fermentation (en

condition anaérobie) au niveau du cytoplasme

Schéma du métabolisme énergétique d’une levure

(pour aller plus loin)

BILAN:

• Les levures consomment du dioxygène et du glucose (réactifs) pour rejeter du dioxyde de carbone et de l’eau + énergie (produits/déchets)

• Ces transformations reflètent un métabolisme énergétique : la respiration, au cours de laquelle des molécules supportant l’énergie biologique ( ex. ATP) sont produites dans la mitochondrie

• La respiration se produit quand le dioxygène et les mitochondries sont présentes – En leur absence, la levure pratique la fermentation

• Une fois que tout le dioxygène est consommé, la levure peut basculer dans un métabolisme de fermentation, ceci même en présence de mitochondries

• Métabolisme en présence de dioxygène (Aérobie) : la respiration;

• Métabolisme en absence de dioxygène (Anaérobie) : la fermentation

• Il s’agit d’un organisme hétérotrophe

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?