Qui dégrade Qui crée

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Le métabolisme des cellules Pour bien commencer : Quelques définitions et rappels de collège

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans une cellule pour assurer ses fonctions

On distingue

Le catabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui décomposent les molécules. Il s’agit soit d’extraire de l’énergie, soit de produire des molécules simples qui en construisent d’autres.

du grec καταβολή (katabolê) qui signifie “action de jeter en bas” ou “fondation”, et du suffixe –isme (-ισ*ός, –ismós en grec), qui est utilisé pour former un nom qui correspond à un état ou à une qualité.

L’anabolisme fait référence à toutes les réactions métaboliques qui construisent ou assemblent des molécules plus complexes à partir de molécules plus simples.

du grec ἀναβολή (anábolê) qui signifie “lancement du bas vers le haut” et du suffixe –isme (-ισ*ός, –ismós en grec), qui est utilisé pour former un nom qui correspond à un état ou à une qualité.

http://beaussier.mayans.free.fr/spip.php?article1292

Enzymes : protéines

fondamentales du vivant qui permettent le déroulement des réactions chimiques dans les cellules et l’organisme

Qui dégrade

Qui crée

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Quel que soit la cellule les réactions chimiques du métabolisme

• Sont sous le contrôle de l’information génétique modulée par l’influence de l’environnement

• Se traduisent par des échanges d’énergie et de matière avec l’environnement

2 types de métabolisme

Depuis le collège vous connaissez 2 types de métabolismes La photosynthèse

Qui se traduit par un échange gazeux : Absorption CO2,

Rejet O2

Et produit de la matière vivante à partir de l’énergie lumineuse

La respiration

Qui se traduit par un échange gazeux : Absorption O2,

Rejet CO2

Et produit de l’énergie à partir de la matière vivante

Les organismes vivants se classent ainsi en 2 groupes principaux selon leur source de matière et d’énergie.

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La caractérisation des métabolismes

Au sein d’un même organisme, pluricellulaire, constitué de cellules différenciées, on peut mettre en évidence ces différents métabolismes

1) Notre problème :

Il s’en suit une terrible famine qui se traduira par une immigration massive et la mort de plus d’1million de

personnes

Au milieu du 19^ième siècle la culture de la pomme de terre qui représente la principale source d’alimentation des populations irlandaises est accidentellement

contaminée par un champignon, le Mildiou, introduit par un vaisseau commercial américain.

Production de pomme de terre en millions de tonnes en Irlande

Comment expliquer cette terrible histoire l’effondrement de la production des tubercules ?

La contamination se traduit par une destruction

• Des feuilles,

• Des plants, puis

• Des tubercules

Le mildiou est un champignon parasite qui se développe à la surface des feuilles des

végétaux contaminés.

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Les spores du champignon germent sur les feuilles et s’infiltrent dans le tissu de la feuille, entre les cellules de l’épiderme et par les stomates. Le champignon se nourrit des molécules produites par les cellules photosynthétiques

Germination d’un tubercule (tige sous- terraine)

Formation de

l’appareil aérien et des racines

Formation de

nouveaux tubercules Floraison

Disparition de l’appareil aérien, récolte des pdt.

Cycle de la pomme de terre

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2) Mise en évidence des métabolismes

La mesure des échanges gazeux des appareils aériens et racinaires grâce à un dispositif EXAO :

• Résultats fragments de feuilles vertes

A la lumière, les cellules chlorophylliennes réalisent la photosynthèse (A l’obscurité on remarque qu’elles respirent aussi !

à

voir plus loin)

Résultats des fragments de racine

A la lumière comme à l’obscurité, les cellules de racines respirent

Consommation : O2

Production : CO2 Consommation : CO2, H2O

Production : O2 Consommation : O2 Production : CO2

LUMIERE LUMIERE LUMIERE

Respiration PHOTOSYNTHESE Respiration

CO2 + H2O à Glucose + O2

Chlorophylle (Dans les chloroplastes)

é

Énergie lumineuse

Consommation : O2 Production : CO2, H2O

LUMIERE LUMIERE LUMIERE

RESPIRATION

O2 + Glucose à CO2 + H2O (Dans les mitochondries)

ê Energie

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Ainsi les cellules des feuilles et des racines ont un métabolisme différent.

Nous savons que ces 2 organes sont constitués de cellules différentes.

3) Le métabolisme des cellules

Donc leur différence essentielle est la présence d’un organite* : le chloroplaste

• Le chloroplaste : un organite rempli de chlorophylle, molécule qui capte la lumière RACINE

FEUILLE

Chloroplaste Pas de

chloroplaste

* : petite structure cellulaire délimité par une membrane et remplissant une fonction dans la cellule (« un organe » à l’échelle de la cellule)

La chlorophylle à

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Une observation : coloration à l’eau iodée*

Sans coloration avec coloration

* eau iodée : réactif permettant la mise en évidence de l’amidon (coloration noire)

L’amidon est un glucide (sucre) complexe, un polymère de glucoses : une grosse molécule formée d’une association de plusieurs molécules de glucose, c’est une forme de mise en réserve des sucres chez les végétaux

Chez les animaux les sucres sont mis en réserve sous forme de glycogène (équivalant de l’amidon) Le glucose est un sucre simple : une petite molécule de glucide

AMIDON

= n x

GLUCOSES

Donc, les cellules chlorophylliennes sont AUTOTROPHES, elles réalisent la photosynthèse :

Le glucose peut être transitoirement mis en réserve sous forme d’amidon dans les chloroplastes

• Un organisme commun : la mitochondrie Les cellules végétales ou

animales contiennent des mitochondries, un

organite présent dans toutes les cellules eucaryotes

Beaucoup plus petit que le chloroplaste, il n’est pas

observable au microscope optique

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Une cellule privée de mitochondries ne peut plus réaliser la respiration

Les cellules de la racine sont HETROTROPHES : elles réalisent la respiration

Donc au sein d’un même organisme plusieurs métabolismes peuvent se compléter, comme chez les plantes.

Les cellules chlorophylliennes produisent de la matière par photosynthèse et celle-ci sera utilisée par les cellules hétérotrophes pour produire de l’énergie, nécessaire au travail cellulaire.

Bilan :

Cellules hétérotrophes : animales, végétales non chlorophylliennes

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Cellules autotrophes

Remarque : nous avons vu que les cellules chlorophylliennes respirent aussi et possèdent des mitochondries ! En fait au sein de la même cellule on peut observer les 2 métabolismes :

Ces métabolismes sont complémentaires dans les écosystèmes. La matière produite par les autotrophes est à la base des chaines alimentaires. Eux seuls peuvent produire de la matière organique à partir de matière minérale et de lumière.

Cette matière est ensuite transférée aux consommateurs primaires (qui mangent des végétaux), hétérotrophes, puis aux consommateurs secondaires qui mangent des consommateurs primaires

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Donc, la destruction des feuilles par le mildiou a empêché les plants de pommes de terre de

réaliser la photosynthèse, donc de produire du glucose, stocké sous forme d’amidon, donc de faire grossir les tubercules qui représentaient la principale source d’alimentation des irlandais

(consommateurs primaires !)

De nouveaux problèmes à résoudre :

Comment les produits de la photosynthèse, fabriqués au niveau des feuilles alimentent-ils les cellules hétérotrophes chez le végétal par exemple les organes souterrains (tubercules) ? Les réactions du métabolisme sont réalisés grâce à des enzymes : comment fonctionnent-ils ?

4) Le flux de matière chez les pluricellulaires

Comment l’amidon produit dans les feuilles peut-il alimenter la croissance des tubercules ?

• On réalise une expérience de marquage radioactif chez la pomme de terre

Les résultats de l’expérience montrent qu’on retrouve ce glucose dans les tiges, puis les racines et

Le

¹⁴

CO2 est absorbé au niveau des feuilles, via les

stomates,

Il est absorbé par les cellules chlorophylliennes à Où il permet la réalisation de la photosynthèse dans les chloroplastes à production de glucose radioactif

Ü

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• Intéressons-nous à un autre consommateur du plant de pomme de terre…le puceron Les plants de pomme de terre sont

fréquemment envahis par des pucerons

Le puceron possède un stylet avec lequel il perce la tige et y prélève sa nourriture, au niveau du phloème

On analyse la composition de la sève prélevée

par le puceron dans le phloème… … et au niveau de la racine dans le xylème

La sève circulant dans le phloème contient des molécules organiques (glucides, saccharose).

Ce sont ces molécules carbonées qui ont fixé le 14C au cours de la photosynthèse : ce sont les produis de la photosynthèse, produits au niveau des feuilles.

La sève circulant dans le xylème ne contient que de l’eau et les éléments minéraux en provenance de la racine, absorbé dans le sol par les poils absorbant.

Il existe donc un double système circulatoire :

• Le Phloème qui distribue les produits de la photosynthèse des feuilles vers toute la plantes pour assurer la croissance et la respiration.

• Le xylème qui alimente les cellules photosynthétiques des feuilles en eau et éléments minéraux puisés dans le sol et indispensables à la photosynthèse

Mais que se passe-t-il au niveau des tubercules ?

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• Les enzymes permettent la mise en place des réactions chimiques

• Comment les tubercules fabriquent-ils leur amidon ?

L’analyse d’un extrait de pomme de terre montre la présence de 80% d’eau, 16% d’amidon et 2%

de protéines dont une dont nous cherchons à élucider le rôle dans le métabolisme de la mise en réserve du sucre dans les tubercules

On réalise 4 expériences avec - du glucose

- de l’eau distillée - de l’amidon Après ajout de

- filtrat ou

- d’eau distillée (témoin)

On cherche à mettre en évidence l’amidon avec de l’eau iodée, on prélève toutes les minutes et on observe les résultats : coloration brune = pas d’amidon ; coloration noire = présence d’amidon On peut vérifier la présence avec la liqueur de Fehling (A CHAUD)

Coloration bleue = pas de glucose, (dextrine, maltose) ; coloration rouge = présence de glucose

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TUBES : 1 2 3 4

1 synthèse progressive d’amidon

2

pas de synthèse d’amidon

3

pas de synthèse d’amidon

4

présence constante d’amidon

Il existe donc dans le filtrat de pomme de terre une molécule, une enzyme, qui permet de fabriquer de l’amidon, à partir du glucose

n GLUCOSES à AMIDON

Le glucose fabriqué par les feuilles est exporté vers le tubercule où une enzyme permet son stockage sous forme d’amidon

• Nous avons vu que lorsque le tubercule isolé de la plante vieillit il germe : Les petits bourgeons (« yeux ») se développent en nouvelles tiges 1 à nouveau plant 2.

Parallèlement on observe que le tubercule se ratatine, ramollit 3, 4 : sa concentration en amidon diminue, il utilise ses réserves pour produire un nouvel appareil chlorophyllien aérien.

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On fait l’hypothèse qu’il existe dans le tubercule âgé une molécule qui permet la « destruction » (= hydrolyse) de l’amidon et la libération de glucose

On réalise une expérience avec - De l’amidon

Après ajout de

- Filtrat de vieux tubercule ou - D’eau distillée (témoin)

On vérifie la disparition de l’amidon et l’apparition de glucose avec des tests à l’eau iodée et à la liqueur de Fehling

Tests à l’eau iodée Amidon + filtrat de vieux tubercule, à 35°

On observe que l’amidon disparaît en fonction du temps

Amidon + eau distillée à 35°

On n’observe aucune disparition de l’amidon Test à la liqueur de Fehling à la fin de l’expérience

Présence de glucose Absence de glucose

Notre hypothèse est validée, il existe bien dans le vieux tubercule de pomme de terre une

molécule, une enzyme, qui hydrolyse l’amidon pour libérer le glucose nécessaire à la croissance d’un nouveau plant jusqu’à ce que les nouvelles feuilles produisent suffisamment de glucose par photosynthèse pour alimenter la croissance de la plante

AMIDON ^à n GLUCOSES

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Une enzyme est une protéine qui catalyse (permet, accélère) une réaction chimique.

Ce sont ces enzymes qui permettent le déroulement des réactions chimiques du métabolisme

Enzyme + substrat à produits (+ enzyme, non modifié)

Une enzyme qui « découpe » Une enzyme qui « colle »

Ce sont des protéines, leur fabrication est commandée génétiquement

Un gène à une protéine à un caractère

Donc le métabolisme est déterminé génétiquement !

C’est le programme génétique d’une cellule (ADN) qui détermine son fonctionnement.

Ce programme est lui-même sous la dépendance d’une multitude de facteurs, les gènes

s’expriment différemment dans les différentes cellules (cellules différenciées = gènes exprimés différents) en fonction

• De la cellule

• De l’âge

• De l’environnement …

Toute modification des gènes (mutation) peut entrainer une modification du fonctionnement de la cellule !

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