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

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Chapitre 3 : La diversité des métabolismes cellulaires et leur

utilisation dans les bio-industries

CONNAISSANCES CAPACITES

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.

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

Les transformations biologiques mises en oeuvre dans les systèmes vivants sont exploitées dans les bio-industries pour la fabrication de nombreux produits.

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 CO2 :

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 Source d’énergie

Matière organique : Matière minérale :

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

…….…………. …………..………

(= donneur d’e-)

e- e-

………………..…………………….

(= accepteur d’e-)

Schéma 2 : Mécanisme complet de la chaine de transfert d’électrons de la photosynthèse.

………………….

………… + ……… …………. + ………… …………… ……….

Transfert des électrons

Transfert d’électrons via le PSII,

les différents éléments

intermédiaires, et le PSI

………………….

Compartiment : ………………...

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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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).