L'organisation du métabolisme microbien

Maîtrise BPE

Biosynthèse

Créer les structures fondamentales des cellules vivantes:Membranes lipides C, O, H, PParois, Réserves glucides,… C, O, H Enzymes protéines C, O, H + N, SMatériel génétique acides nucléiques C, O, H + P

2 aspects du métabolismes: Biosynthèse

Métabolisme énergétique

Réactions endo-énergétiques: G>0 consommation d’ATP

Structures des membranesCH3

CH2

…CH2

CH3

COO

CH3

CH2

…CH2

CH3

COO

CH2 CH CH2 O P hydrophile

hydrophobe

glycerophosphate

Ac. gras

Biosynthèse autotrophique ou hétérotrophiqueCorg. polymérique

protéinesac. nucléiques

lipidespolysaccharides

Métabolites (monomères)

ATP

ATP

NAD(P)H

CO2

Cycle de CalvinHydrolyse

Corg polym. allochtone

AUTOTROPHIE HETEROTROPHIE

ATP

N,P,S inorg

Voies de fixation (et de réduction) du C chez les autotrophes

3 CO2

3 ribulose 1.5 PP

6 ATP6 NADPH

1 triose P5 triose P

biosynthèse

3 ATP

Voie du ribulose 1.5 diphosphate (cycle de Calvin) : plantes en C3 et la plupart des bactéries autotrophes

Voie du phosphoénol-pyruvate (cycle de Hatch-Slack): plantes en C4

Voie de l’acétyl-CoA et du pyruvate : bact. méthanogènes et sulfato-réductrices

Métabolime producteur d’énergie

Etat rédox du milieu

Fournir l’énergie (et le pouvoir réducteur)nécessaires à la biosynthèse et à la maintenance des structures

Réactions exo-énergétiques: G<0 production d’ATPréactions rédox

Etat rédox du milieu

Redi Oxi + n e-

E = E°Redi/Oxi + RT/nF ln (Oxi/Redi)

V

½ H2 H+ + e-

Électrode de référenceE=0 à pH0

H2/H+ - 0.42 V

CH4/CO2 - 0.27

HS-/SO4-- - 0.22

Fe++/Fe+++ + 0.11

NH4+/NO3

- + 0.35

Mn++/MnO2 + 0.57

H2O/O2 + 0.82NADH/NAD+ - 0.32 V

Tendance d’un couple redox à agir comme oxydant (à accepter des électrons)

0

0.5

1

1.5

051015

somme des oxydants, mequ/l

co

nc

de

s o

xy

da

nts

, mM

sulfates

Fer III

nitratesMn IV

oxygène

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

051015

somme des oxydants, mequ/l

Eh

, mV

‘Titration’ rédox

réducteur

Mélange d’oxydants

HS-/SO4—

Fe++/Fe+++

NH4+/NO3

-

Mn++/MnO2

H2O/O2

Eh = E°Redi/Oxi + RT/nF ln (Oxi/Redi)

pour tous les Redi/Oxi

Corg ex: C6H12O6

CH3 CO COOH

ATP

NAD(P)+ pouvoir oxydant

CH3 CO SCoA

CO2

CH3 CHOH COOH

CO2

NAD(P)+

NAD(P)H

NAD(P)+

NAD(P)H

NAD(P)+

Fermentation

ATP

ATPKrebs

Respiration organotrophe

ADP

cytochromesO2

NO3

Fe+++

SO4

Métabolisme hétérotrophe

oxydation exoénergétique du substrat carboné

phosphorylation au niveau du substrat

pouvoir oxydant assuré par NAD(P)+

régénération exoénergétique du pouvoir oxydant par transfert d'électrons vers un oxydant extérieur à travers une chaîne de cytochromes:

Ensemble de molécules organisées au sein d’une structure membranaire de telle manière que leur conversion rédox s’accompagne de l’établissement d’un gradient de protons de part et d’autre de la membrane. Ce gradient permet d’effectuer un travail chimique, comme par exemple la phosphorylation de l’ADP par une ATPase membranaire.

En l’absence d’oxydant extérieur disponible, la régénération du pouvoir oxydant se fait par une phase de réduction du substrat carboné partiellement oxydé, de sorte qu’aucune modification d’état rédox de celui-ci ne se manifeste en bilan.

Synthèse d’ATP associée au transfert d’électrons

Transfert d'électrons exoénergétique d'un substrat minéral réducteur vers un oxydant extérieur à travers une chaine de cytochrome (= respiration minérale).

Exemples de substrats réducteurs inorganique:NH4

+ nitrification

Mn++, Fe++ mangano- et ferro oxydationHS- sulfo-oxydationH2 hydrogéno-oxydation

CH4 oxydation du méthane

Accepteurs d’électrons possibles:O2 respiration minérale aérobie

NO3- ,NO2

- dénitrification lithotrophique

SO4-- sulfatoréduction lithotrophique

CO2 méthanisation respirative (4H2+CO2 CH4 + 2H2O)

 

Métabolisme Chémolithotrophe

PSI*

h

PSI+

2e-

PSI

ATP

PSI* PSI+

2e-

PSI+ PSIPSI+

HS-

NAD(P)HNAD(P)+

ATP

S°

2e-h

H2O

h

1/2O2

2e-

PSII

PSII* PSII+

2e-

PSI* PSI+

2e-

PSII+

PSIPSI+

NAD(P)HNAD(P)+

ATP

h

Métabolisme phototrophe

Photophosphorylation cyclique

Photosynthèse anoxygénique Photosynthèse oxygénique

Activation photochimique d'un centre rédox (photosystème) induisant un transfert d'électrons interne (photophosphorylation cyclique) ou un transfert d’électrons d'un donneur extérieur vers NADP+ (génération d'un pouvoir réducteur interne utile pour la biosynthèse).

Transfert d'é interne, générateur d’un gradient protomotif

Transfert d’électrons d'un réducteur extérieur vers NADP+ (génération d'un pouvoir réducteur interne utile pour la biosynthèse).

E(V)-.5

+.5

0

Photophosphorylation cyclique: mécanisme

Chemoorganotrophie Chemolithotrophie Phototrophie

oxydation d'un substrat organique oxydation d'un substrat minéral absorption de la lumière

Sorgred Sorgox + e Sminred Sminox + e H2

CH4

HS- sulfo-oxydation NH4+ NO3- nitrification Mn++ Fe++ mangano/ferro oxyd

transfert interne d'e

nécessité d'un pouvoir oxydant nécessité d'un pouvoir oxydant

Respirations organotrophes

régénération de ce pouvoir aux dépends d'un oxydant extérieur

e + Oxi Redi O2 respiration aérobie

MnO2, Fe2O3 Mn/Fe reduction NO3- denitrification SO4-- sulfatoréduction 

Respirations minérales Fermentationrégénération du pouvoir oxydant aux dépends de Sorg lui-même e + Sorgox Sorgred'

Récapitulation

Hétérotrophie Autotrophie

transformation de Corg sans changement rédox majeur

Corg Corg'

fixation (= réduction) du CO2 : CO2 + e Corg

nécessité d'un pouvoir réducteur régénéré aux dépends d'un réducteur extérieur

Sminred Sminox + e H2O

CH4

HS- sulfo-oxydation NH4+ nitrification Mn++,Fe++ mangano/ferro oxyd 

Prod. d’énergie

Biosynthèse

Escaut

Equilibre fermentation-respiration

Dans la plupart des milieux, les fermentations jouent un rôle significatif dans la dégradation de la matière organique, les produits de fermentation étant ensuite oxydés par les métabolismes respiratoires.

 Dans certains cas, un déséquilibre temporaire ou permanent peut se produire entre la production et l'utilisation des produits de fermentation. 

exemple de l'Estuaire de l'Escaut

Accumulation temporaire d'acétate lors du passage à des conditions rédox ne permettant que la sulfato-réduction.

Transition brun- noir

CH3 COOH

Exemple des fermentations alimentaires

Fermentation alcoolique: C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Fermentation lactique: C6H12O6 2 CH3CHOH COOH

Corg ex: C6H12O6

CH3 CO COOH

ATP

NAD+

CH3 CO SCoA

CO2

CH3 CHOH COOHlactateéthanol

propionatesuccinate

CO2

NAD+

NADH

NAD+

Fermentations classiques

ATP

NADH

CH3 COOHacétate

NADH

H2H+

H+

H2

Dégradation de la MO en l’absence d’oxydants

NADH

NAD+

G = + 4.6 kcal + RT ln p H2

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Méthanisation chémolithotrophe

CH3COOH CH4 + CO2

Méthanisation fermentative

Méthanisation

Histoire rédox de la planèteCo-évolution des conditions redox sur la terre et des métabolismes

Atmosphère secondaireproduite par dégazage du manteau. Echappement de l’H2. Dominée par CO2.

Vénus: eau vaporisée et perdue.

Mars: eau piègée sous forme de glace.

Atmosphère primordiale des planètes

Me

rcu

re

Vé

nu

s

Te

rre

Ma

rs

Ju

pi t

er

Sa

turn

e

Ura

nu

s

Ne

ptu

ne

Atmosphère primordiale, obtenue par capture initiale de la nébuleuse solaire additionnée de produit de dégazage du noyau (Fe°).

Atmosphère très réductrice: H2, CH4, NH3, PH3

 

Terre: dégazage du manteau fournit atmosphère modérément réductrice: H2S, N2, CO2, H2O

avec H2/H2O = 0.01; CO/CO2 = 0.03; NH3/N2 = 0.001

4.6 - 4 109 années BPL’atmosphère primitive s’appauvrit en CO2

par l’altération en milieu humide des roches silicatées:CaSiO3 + CO2 CaCO3 + SiO2

La température s’abaisse

4.2 – 4 109 années BPformation photochimique abiotique de molécules organiques (exp. de Miller en atm. très réductrice)ou apports météoritiques? 3.8 - 3.2 109 années BP

métabolismes fermentatifsmétabolismes phototrophes anoxygeniques (PSI)

La vie apparaît en conditions réductrices!

Les organismes autotrophes titrent les réducteurs inorganiques du milieu !!!

3.2-3 109 années BPdéplétion des réducteurs inorganiques, accumulation de matière organique

respirations anaérobies; cycle du soufre

3 -2.6 109 années BPphotosynthèse oxygénique

oxydation progressive de la biosphère et accumulation de matière organiqueApparition d’une atmosphère d’O2

multiplication des métabolismes hétérotrophes (La matière organique devient thermodynamiquement plus instable). respirations aérobies; cycle de l’azote apparition d’une couche protectrice d’O3 faisant écran aux UV dans la gamme 200-300 nm

développement de la vie sur terre

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 des oxydants générés par photosynthèse, 10e20 equiv

Eh

, mV

0

0.1

0.2

ox

yg

èn

e, a

tm

H2O/O2

Mn++/MnO2

HS-/SO4—

Fe++/Fe+++

NH4+/N2

2.5 109 années BPCorg 25 1020 equ

présentCorg 45 1020 equ

Corganique 1020 molSédiments 11Corg dissous 0.001Biomasse 0.0006(atm CO2 0.0006

2 109 années BP

Titration rédox de la planète

= du Corg accumulé

Mais subsistance de ‘niches’ réductrices !

Subsistance de ‘niches’ réductrices en milieu confiné

Exemple: sédimentsApports de matière organique sédimentée et enfouie

Pro

fon

de

ur,

cm

Cycles biogéochimiques

L’organisation interne du métabolisme vivant garde le souvenir de son apparition en conditions réductrices

Les cycles biogéochimiques se sont mis en place au fur et à mesure de l’oxydation du milieu

cyC

 

+4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4

Milieu réducteur

CO2

dioxyde

 

CHOHmatière organique

Milieu oxydant 

atmosphère

biosphère / hydrosphère

 

État d’oxydation du carbone

respiration organotropheCaCO3

HCO3-

carbonate

 

fixation autotrophe

combustions comb. fossiles

CH4

méthane

oxydation chemolithotrophe

méthanisation

 

 

 HS-

sulfure

+6 +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2

R-SH

protéines

Ammonificaton hétérotrophe

Absorption autotrophe

Milieu réducteurMilieu oxydant 

atmosphère

biosphère / hydrosphère

État d’oxydation du soufre

SO4--

sulfate

 

SO3--

sulfite

sulfooxydation 

sulfooxydation

 S°

soufre

sulfatoréduction

H2S

SO2

oxydation atmosphérique 

déposition atm.

combustions comb. fossiles

 

Cy S

 

 NH4

+

ammonium

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

R-NH2

protéines

Ammonificaton hétérotrophe

Absorption autotrophe

 

Milieu réducteurMilieu oxydant 

N2

azote atm

 

Fixation d’N2

N2Ooxyde nitreux

NO3-

nitrate

 

NO2-

nitrite

Nitrification 

Nitrification.

atmosphère

biosphère / hydrosphère 

État d’oxydation de l’azote

NO2

dioxyde d’N

 

Combustionsà haute T°C

Oxydationprécipitation

NOmonoxyd.d’N

Dénitrification

 

CyN

CyP

 

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -3

Milieu réducteur

R-OPO32-matière

organique

Milieu oxydant 

atmosphère

biosphère / hydrosphère

 

État d’oxydation du phosphore

organotrophie

PO43-

ortho-phosphate

prélèvement autotrophe

PH3

phosphine

?

 

3 CO2

3 ribulose 1.5 PP

6 ATP6 NADPH

1 triose P5 triose P

biosynthèse

3 ATP

Voie du ribulose 1.5 diphosphate (cycle de Calvin) : plantes en C3 et la plupart des bactéries autotrophes

Voie du phosphoénol-pyruvate (cycle de Hatch-Slack): plantes en C4

Voie de l’acétyl-CoA et du pyruvate : bact. méthanogènes et sulfato-réductrices

Voies de fixation (et de réduction) du C chez les autotrophes