La respiration et la fermentation
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Le métabolisme 1
Transcript of La respiration et la fermentation
Le métabolisme
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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 2
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)
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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
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Les organismes AUTOTROPHES
La conversion de l’énergie contenue dans la lumière en énergie biologique par laphotosynthèse permet d’introduire de l’énergie dans les systèmes vivants. Grâceà la photosynthèse, les végétaux sont donc capables de produire par eux-mêmes lesmolécules organiques dont ils ont besoin pour assurer leur métabolisme : ils sont ditsAUTOTROPHES (étymologiquement « ils trouvent eux-mêmes leur nourriture »).
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Les organismes HETEROTROPHESLes 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", Gastrophachaquercifolia
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 7
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.primairePhotosynthèse + respiration
Arbre = autotrophe=prod.primairePhotosynthèse + respiration
Mouton=hétérotrophe=consommateurRespiration
La respiration et la fermentation
TP METABOLISME DES LEVURES
Un exemple d’organisme hétérotrophe
Levure au microscope électronique à balayage ➔ 9
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 produirede l’énergie et fabriquer de la matière. Les moléculesutilisées sont transformées par les réactions dumétabolisme. Les produits de ces transformations sontrejetés 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 Ordinateur11
12Schéma simplifié du métabolisme d’une levure
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 : H2O
• Le dioxygène : O2
• Le dioxyde de Carbone : CO2
• Le glucose (un exemple de sucre) : C6H1206
• L’éthanol (un alcool): C2H5OH
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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 Levuredans 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
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16Bioréacteur
Cuve centrale➔ levures
Agitateur magnétique
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Turbulent + trou pour injection de
la levure
Pipette pour prélever les
levures
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LES SONDES
O2 CO2
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Seringue pour
injecter le
glucose
Injection glucose
Emplacement des SONDES
Emplacement des SONDES
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 Levuredans le bioréacteur
PARTIE2Après 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
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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
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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
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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) 25
-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’O2 et de C02 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. 27
PROTOCOLE Partie 3:Préparer l’atelier SVT et réaliser l’acquisition des mesures de concentration en O2 et CO2 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.
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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 CO2
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!
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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
34Equation chimique de la respiration
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 :
Respiration, fermentation35
Métabolisme des levures : rôle des mitochondries?
Quelle est la différence entre la levure Rho+ et son mutant Rho -?
Perte des mitochondries chez Rho -36
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)
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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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?
