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Le métabolisme des cellules

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction :

Qu’elle soit eucaryote ou procaryote, la cellule est une unité structurale commune à tous les êtres vivants. Elle va ainsi être le site de nombreuses réactions chimiques qui vont lui permettre de vivre de manière autonome ou au sein d'un organe. La cellule est donc une mini-usine qui fabrique et dégrade des molécules. Nous allons voir comment.

Dans une première partie, nous nous intéresserons aux réactions chimiques en portant notre attention sur la respiration, la fermentation et la photosynthèse. Une deuxième partie montrera comment la photosynthèse et la respiration sont interconnectées à l'échelle des écosystèmes. Enfin, nous verrons dans un troisième temps le rôle de la compartimentation cellulaire dans le métabolisme cellulaire.

Réactions chimiques de la cellule

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Définition

Métabolisme cellulaire :

Le métabolisme désigne l'ensemble des réactions chimiques qui permettent aux cellules de produire des nouvelles molécules pour construire leur structure, telle que la membrane cytoplasmique ou le noyau. Le métabolisme permet aussi la dégradation de molécules organiques ou minérales, afin de produire de l'énergie indispensable à toute activité.

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À retenir

Le métabolisme permet donc de produire de la matière organique et de l'énergie.

Croissance des levures

Pour étudier l’effet de l’environnement (milieux avec ou sans O2\text{O}_{2}) sur le métabolisme, des expériences peuvent être réalisées sur des levures de boulanger.

On dispose d’un montage EXAO (expérience assistée par ordinateur), qui permet de mesurer les variations de divers paramètres (concentrations en alcool, en CO2\text{CO}{2} et en O2\text{O}{2}) en fonction du temps. Dans le bioréacteur, on dépose des levures, puis on injecte une forte dose de glucose.

IMG01 Montage EXAO mettant en évidence les besoins des cellules

Cette expérience nous permet d’observer les résultats suivants.

IMG02 Résultats de l’expérience

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À retenir

En milieu aérobie, et en présence de glucose, les levures produisent du CO2\text{CO}{2} et consomment l’O2\text{O}{2} : c’est ce que l’on appelle la respiration.

Voici son équation bilan :
C6H12O6+6O26CO2+6H2O\text{C}6\text{H}{12}\text{O}6 + 6\text{O}2\rightarrow6\text{CO}2+6\text{H}2\text{O}
(glucose + dioxygène = dioxyde de carbone + eau)

En milieu anaérobie, les levures produisent du CO2\text{CO}{2} et de l’alcool : c’est ce que l’on appelle la fermentation alcoolique. Voici son équation bilan :
C6H12O62C2H5OH+2CO2\text{C}
6\text{H}{12}\text{O}6\rightarrow2\text{C}2\text{H}5\text{OH}+2\text{CO}_2
(glucose = éthanol + dioxyde de carbone)

Effet de la lumière sur le métabolisme

Pour étudier l’effet de la lumière sur le métabolisme, des expériences peuvent être réalisées sur des euglènes (algues microscopiques).

IMG03 Schéma d’une euglène

On place ainsi des cellules dans un milieu éclairé, et d’autres dans un milieu non-éclairé. Le lendemain, un comptage des euglènes est réalisé grâce au microscope.

Le comptage montre que le nombre d’euglènes n’augmente qu’en présence de CO2\text{CO}_{2} et de lumière. Dans ces conditions ils produisent du glucose et de l’oxygène : c’est ce que l’on appelle la photosynthèse. L’équation bilan de la photosynthèse est donc :

photosynthèse métabolisme lumière La photosynthèse

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Rappel

Les euglènes, comme tous les êtres vivants, respirent en permanence (à la lumière et à l’obscurité), afin de produire l’énergie indispensable à leur fonctionnement.

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À retenir

Le métabolisme dépend du type de cellule mais aussi de l’environnement. Les champignons respirent ou fermentent et les plantes pratiquent la photosynthèse.

Toutes ces réactions chimiques ne se font pas spontanément. Elles nécessitent des protéines spécialisées, appelées enzymes, qui sont capable de transformer une molécule (substrat) en une autre (produit) en utilisant une source d’énergie (la lumière par exemple). Ces enzymes ont une température optimale de fonctionnement, c’est-à-dire une température à laquelle leur activité est la plus efficace. Ainsi, la température modifie les activités métaboliques. D’autres facteurs peuvent aussi les modifier, que nous ne détaillerons pas ici.

Contrôle du métabolisme par le patrimoine génétique

L’ADN code les caractéristiques des êtres vivants. Sa modification modifiera-t-elle le métabolisme ? Pour vérifier cette hypothèse, on compare deux souches de levures : la souche rho+ (souche sauvage), et la souche rho-, qui possède une mutation sur un gène codant pour une protéine structurelle de la mitochondrie (souche mutante).

IMG05 Cellules rho+ et rho- dans un même environnement

Malgré des conditions environnementales identiques (présence de glucose et d’O2\text{O}_{2}), les levures rho- ne respirent pas.

  • On peut donc conclure que le patrimoine génétique modifie le métabolisme.

Ces différentes expériences peuvent être illustrées par le schéma suivant :

IMG06 Impact de l’environnement et de l’ADN sur le métabolisme de la cellule

Pour réaliser les réactions de son métabolisme, la cellule a besoin de matières premières. Son activité va dépendre des conditions environnementales et de son ADN. Nous avons vu que les cellules végétales tirent leur énergie du rayonnement lumineux. En revanche, les cellules animales ne pratiquant pas la photosynthèse, d’où provient donc leur énergie ?

Métabolismes et réseaux trophiques

Réseaux trophiques

Schéma d’un réseau trophique métabolisme Schéma d’un réseau trophique

Tous les êtres vivants appartiennent à un réseau trophique. Dans ce schéma, la flèche signifie « est mangé par ». Un réseau trophique montre donc les relations alimentaires existant entre les êtres vivants appartenant à un même écosystème. Ainsi, l’arbre est mangé par le cerf et le lapin. Le lapin est à son tour mangé par le renard ou la buse.

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À retenir

À partir des éléments minéraux disponibles (CO2\text{CO}_{2}, eau et sels minéraux) et grâce à leur capacité à puiser leur énergie du Soleil, les végétaux sont les seuls organismes capables de produire leurs propres molécules organiques. Ainsi, les plantes sont qualifiées d’autotrophes. Leur production servira de nourriture pour les autres organismes. Ils sont donc des producteurs primaires. En conséquence, les animaux, incapables de pratiquer la photosynthèse, sont qualifiés d’hétérotrophes, car leur vie ne dépend que de la présence des autotrophes. Ils sont donc des producteurs secondaires (lapin), ou tertiaires (buse, renard, etc.)

Flux de matière

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Définition

Biomasse :

La biomasse est la quantité de matière organique présente dans les organismes d’un écosystème.

La biomasse chez les végétaux et chez les animaux
La biomasse chez les végétaux et chez les animaux

Ce schéma montre que la biomasse est plus importante chez les végétaux. Comme ils se trouvent à la base des réseaux trophiques, on peut conclure que les producteurs primaires sont à l’origine du flux de matière entre tous les êtres vivants.

La vie des êtres vivants hétérotrophes dépend donc de la vie des êtres vivants autotrophes. Dans les écosystèmes, la source d’énergie initiale est donc apportée par le Soleil. ((fleche))

Dans les faits, la diversité des métabolismes est limitée. Comment peut-on alors l’expliquer au niveau de la compartimentation cellulaire ?

L’importance de la compartimentation

On sait qu’il existe des cellules compartimentées ou non, mais existe-t-il des compartiments spécialisés dans certaines activités métaboliques ?

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Définition

Organite :

On appelle organite un compartiment intracellulaire qui va assurer une fonction particulière. Par exemple, le noyau est un organite qui renferme l’ADN, donc sa fonction sera essentiellement héréditaire.

IMG09 Comparaison des métabolismes des différents types de cellule

D’après le schéma, la respiration dans les cellules procaryotes se déroule dans le cytoplasme. Chez les animaux et les plantes, elle se déroule dans un compartiment spécialisé : la mitochondrie. De la même manière, la photosynthèse est cytoplasmique chez les procaryotes mais se déroule dans le chloroplaste chez les plantes.

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À retenir

L’évolution a donc mis en place des organites qui assurent des activités métaboliques spécifiques. Les bactéries ayant plus de caractéristiques ancestrales, leur métabolisme se déroule dans le cytoplasme.

Conclusion :

Le métabolisme permet dont d’interconnecter les êtres vivants des écosystèmes. Ces liens vont dépendre des conditions environnementales (température, humidité, présence de gaz…) et des caractéristiques héréditaires (être vivants doués ou non de photosynthèse). Le métabolisme confirme aussi l’unité évolutive des êtres vivants : toutes les cellules ont une ou plusieurs activités métaboliques, qu’elles soient compartimentées ou non.