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Métabolisme : autotrophie, hétérotrophie et enzymes
Métabolisme et voies métaboliques reliées entre elles ; enzymes, catalyseurs spécifiques sensibles à la température et au pH ; autotrophie et photosynthèse ; hétérotrophie, respiration et fermentations ; rôle du génome et de l’environnement ; flux de matière et d’énergie.
À propos de cette page
Le métabolisme : des voies reliées entre elles
Rappel. En 5e, tu as vu que toute cellule a besoin de nutriments et de dioxygène et rejette du dioxyde de carbone (« Respiration : échanges gazeux et occupation des milieux »), et que les plantes vertes fabriquent leur matière par photosynthèse (« Nutrition des végétaux : la photosynthèse »). Les organites (noyau, mitochondries, chloroplastes) ont été décrits au chapitre « Cellules spécialisées : l’organisme pluricellulaire ».
La cellule est un système ouvert : elle prélève dans son milieu (ou chez un autre organisme) de la matière et de l’énergie, et y rejette des produits. Les échanges de matière traversent la membrane plasmique.
Une voie métabolique est une succession de réactions biochimiques qui transforme une molécule en une autre. La molécule transformée par une réaction est son substrat, la molécule formée est son produit. Chaque étape est accélérée par une enzyme.
Les voies sont interconnectées : une molécule intermédiaire, produite par une voie, sert de substrat à d’autres. Le glucose, produit par la photosynthèse, sert à fabriquer de l’amidon, du saccharose, de la cellulose, ou il est dégradé dans le cytosol en pyruvate ; le pyruvate est à son tour le substrat de la respiration ou des fermentations.
Le métabolisme d’une cellule dépend de son équipement : ses organites (chloroplastes, mitochondries) et ses macromolécules, dont les enzymes.
Glucose et pyruvate (en orange) sont des molécules intermédiaires : produites par une voie, elles sont le substrat d’autres voies.
Identifier les substrats et les produits
On suit ce qui disparaît du milieu (substrat) et ce qui apparaît (produit), en comparant à un témoin sans cellules ou sans la molécule testée :
| Molécule | Mise en évidence |
|---|---|
| dioxygène, dioxyde de carbone | sondes reliées à un ordinateur (ExAO) : concentration au cours du temps |
| amidon | eau iodée : coloration bleu-noir |
| glucose | bandelette test : couleur qui change avec la quantité de glucose |
| sucres réducteurs (glucose, maltose) | liqueur de Fehling chauffée : précipité rouge brique |
| protéines | réactif du biuret : coloration violette |
| éthanol | dosage par une sonde à éthanol ou un réactif |
Lire le schéma. Le glucose est le produit de la photosynthèse et le substrat de quatre voies : synthèse d’amidon, de saccharose, de cellulose, et dégradation en pyruvate. C’est une molécule intermédiaire, qui relie ces voies.
Une graine qui germe. Pendant la germination d’une graine de ricin, riche en lipides, la masse de lipides diminue et des glucides (du saccharose) apparaissent : les lipides sont le substrat d’une voie dont les glucides sont le produit. Ces glucides nourrissent la jeune plante, qui n’a pas encore de feuilles.
Réflexe — Ce qui disparaît du milieu est un substrat, ce qui apparaît est un produit ; je conclus seulement si le témoin ne change pas.
Attention — Une molécule n’est pas « substrat » ou « produit » une fois pour toutes : le glucose est le produit de la photosynthèse et le substrat de la respiration. Et le métabolisme ne se réduit pas à la respiration : il comprend aussi toutes les synthèses.
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Les enzymes, catalyseurs du métabolisme
Rappel. En 5e, tu as vu que les enzymes digestives découpent les aliments et qu’on le prouve en tubes, avec un témoin, à l’eau iodée et à la liqueur de Fehling (« Digestion : des aliments aux nutriments »). En 2de, on voit que toutes les réactions du métabolisme ont besoin d’enzymes.
Une enzyme est spécifique : elle n’agit que sur un substrat donné (spécificité de substrat) et ne catalyse qu’un type de réaction (spécificité d’action).
Son activité dépend des conditions du milieu, la température et le pH, avec une valeur optimale pour laquelle elle est maximale. Le froid ralentit l’enzyme de façon réversible : réchauffée, elle retrouve son activité. Une forte chaleur modifie sa forme de façon irréversible : c’est la dénaturation. Un pH éloigné de l’optimum altère aussi sa forme et la rend inactive. L’optimum dépend de l’enzyme : vers pH 6,8 pour l’amylase de la salive, vers pH 2 pour la pepsine de l’estomac.
On mesure l’activité d’une enzyme par la quantité de produit formé (ou de substrat disparu) en un temps donné, et on la compare à l’activité maximale : activité en % = valeur mesurée ÷ valeur maximale × 100.
Spécificité. L’amylase découpe l’amidon en maltose. Mise avec du saccharose, un autre glucide, elle ne forme aucun sucre nouveau : elle n’agit que sur son substrat, l’amidon, et ne catalyse qu’une réaction, son découpage.
Optimum. Une enzyme digestive humaine forme en 10 min : 12 mg de produit à 10 °C, 84 mg à 37 °C, 3 mg à 60 °C. L’optimum, parmi les valeurs testées, est 37 °C. À 10 °C : 12 ÷ 84 ≈ 0,14, soit environ 14 % de l’activité maximale (enzyme ralentie). À 60 °C : 3 ÷ 84 ≈ 0,036, soit environ 4 % (enzyme dénaturée). Ramenée à 37 °C, l’enzyme refroidie retrouverait son activité, l’enzyme chauffée resterait inactive.
Réflexe — Pour comparer, je calcule le pourcentage de l’activité maximale ; pour interpréter, je distingue le froid (enzyme ralentie, réversible) de la forte chaleur (enzyme dénaturée, irréversible).
Attention — Une enzyme n’est ni consommée ni une source d’énergie : c’est le substrat qui est transformé en produit. Et l’optimum lu dans un tableau n’est l’optimum que « parmi les valeurs testées ». Comment le substrat se fixe sur l’enzyme (son site actif) sera étudié en spécialité SVT de 1re.
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Autotrophie : la photosynthèse dans les chloroplastes
Rappel. En 5e, tu as vu que les végétaux chlorophylliens fabriquent leur matière à la lumière, à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone, en rejetant du dioxygène (« Nutrition des végétaux : la photosynthèse »).
Bilan : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, en présence de lumière et de chlorophylle. L’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique, stockée dans la matière organique formée.
Devenir du glucose : stocké sous forme d’amidon dans le chloroplaste ; transformé en saccharose, exporté par la sève vers les organes non chlorophylliens ; utilisé pour fabriquer la cellulose de la paroi ; dégradé par la respiration de la cellule elle-même. Associés à des ions minéraux absorbés par les racines, les sucres permettent aussi de fabriquer les autres molécules organiques : protéines (azote des nitrates), lipides, ADN (phosphore des phosphates).
L’autotrophie est une propriété des cellules, pas de la plante entière : les cellules des racines, des graines ou des tubercules, sans chloroplastes, sont hétérotrophes.
Mettre en évidence la photosynthèse
À la lumière, une sonde ExAO montre que des cellules chlorophylliennes rejettent du dioxygène et absorbent du dioxyde de carbone ; de l’amidon apparaît dans leurs chloroplastes. Avec du dioxyde de carbone dont le carbone est radioactif (carbone 14), l’équipe de Melvin Calvin (prix Nobel de chimie 1961) a suivi ce carbone chez une algue verte : il passe en quelques secondes dans une petite molécule organique, puis dans les sucres. Le carbone de la matière organique vient donc du CO₂.
À la lumière, la cellule respire en même temps : la variation mesurée est un bilan net.
| Grandeur | Comment l’obtenir |
|---|---|
| vitesse de variation | (concentration finale − concentration initiale) ÷ durée, en mg·L⁻¹·min⁻¹ ; positive = rejet, négative = consommation |
| rejet net à la lumière | production par photosynthèse − consommation par respiration |
| production par photosynthèse | rejet net + consommation par respiration (mesurée à l’obscurité) |
Vitesse. Dans une suspension d’algues éclairée, la concentration en O₂ passe de 6,4 à 7,3 mg·L⁻¹ en 6 min : (7,3 − 6,4) ÷ 6 = 0,9 ÷ 6 = 0,15 mg·L⁻¹·min⁻¹. La valeur est positive : les algues rejettent du dioxygène, la photosynthèse l’emporte sur la respiration, qui se poursuit pourtant.
Production. Placées ensuite à l’obscurité, ces algues consomment 0,06 mg·L⁻¹·min⁻¹ de dioxygène. Si leur respiration est la même à la lumière, leur photosynthèse produit 0,15 + 0,06 = 0,21 mg·L⁻¹·min⁻¹ de dioxygène.
Réflexe — Vitesse = variation ÷ durée, avec son signe ; production par photosynthèse = rejet net + consommation par la respiration.
Attention — « Les plantes font la photosynthèse le jour et respirent la nuit » est faux : elles respirent en permanence ; le jour, la photosynthèse s’ajoute et masque la respiration. Et autotrophe n’est pas synonyme de végétal : dans une plante, seules les cellules chlorophylliennes le sont.
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Hétérotrophie : respiration et fermentations
Rappel. En 6e, tu as vu que des levures et des bactéries transforment les aliments par fermentation (pain, yaourt) (« Production et conservation des aliments ») ; en 3e, qu’un muscle en effort très intense libère de l’énergie sans dioxygène (« Organisme en activité »).
Respiration (en présence de dioxygène) : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. Elle commence dans le cytosol (glucose → pyruvate) et s’achève dans les mitochondries. Le glucose est entièrement dégradé en matière minérale : l’énergie récupérée est importante.
Fermentation (sans dioxygène, ou quand il manque) : elle se déroule entièrement dans le cytosol, sans les mitochondries. Le glucose est incomplètement dégradé : il reste un déchet organique encore riche en énergie. L’énergie récupérée par molécule de glucose est de l’ordre de 15 à 20 fois plus faible que par respiration.
| Voie | Bilan | Lieu |
|---|---|---|
| respiration | C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O | cytosol puis mitochondrie |
| fermentation alcoolique | C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ (éthanol) | cytosol |
| fermentation lactique | C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ (acide lactique) | cytosol |
La levure de boulanger respire dans un milieu aéré où le glucose est apporté peu à peu (très riche en glucose, elle fermente même avec du dioxygène) et réalise la fermentation alcoolique sans dioxygène ; des bactéries réalisent la fermentation lactique, comme les cellules musculaires lors d’un effort très intense. Chaque bilan conserve les atomes : 6 atomes de carbone dans le glucose, et 2 × 3 = 6 dans les deux molécules d’acide lactique 2 C₃H₆O₃.
Compter les molécules. 4 molécules de glucose fermentées par des levures donnent 4 × 2 = 8 molécules d’éthanol et 8 de CO₂. Respirées, elles consomment 4 × 6 = 24 molécules de dioxygène et rejettent 24 molécules de CO₂.
Identifier la voie. Des fragments de tubercule de pomme de terre, sans chloroplaste, sont placés en enceinte aérée avec du glucose : ils consomment du dioxygène et rejettent du CO₂, sans produire d’éthanol. Pas de chloroplaste : ces cellules sont hétérotrophes. Dioxygène consommé, CO₂ rejeté, pas d’éthanol : elles respirent, et la respiration s’achève dans leurs mitochondries.
Réflexe — Dioxygène consommé et CO₂ rejeté sans éthanol : respiration. Sans dioxygène, éthanol et CO₂ : fermentation alcoolique. Acide lactique sans CO₂ : fermentation lactique.
Attention — La fermentation n’a pas lieu dans la mitochondrie, mais dans le cytosol, et la fermentation lactique ne rejette pas de CO₂. Une cellule ne « produit » pas d’énergie : elle récupère l’énergie chimique de la matière organique.
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Génome, environnement et cellules spécialisées
Cellules spécialisées. Dans un organisme pluricellulaire, toutes les cellules ont le même génome mais n’expriment pas les mêmes gènes. Elles possèdent donc des enzymes et des organites différents, et un métabolisme adapté à leur fonction. Une cellule ne perd pas les gènes qu’elle n’utilise pas : elle ne les exprime pas (le globule rouge mature, qui perd son noyau, est une exception).
Rôle de l’environnement. Pour une même cellule, la voie suivie dépend du milieu : lumière (photosynthèse), présence ou absence de dioxygène (respiration ou fermentation), température et pH (activité des enzymes), nutriments disponibles. Le métabolisme résulte de l’interaction du génome et de l’environnement.
| Cellule | Particularité | Métabolisme dominant |
|---|---|---|
| cellule de feuille | nombreux chloroplastes | photosynthèse et respiration |
| cellule de racine | aucun chloroplaste | respiration |
| cellule musculaire | nombreuses mitochondries | respiration ; fermentation lactique en plus lors d’un effort très intense |
| globule rouge mature | ni noyau ni mitochondrie | fermentation lactique seulement |
Un gène, une étape. La moisissure Neurospora fabrique un acide aminé, l’arginine, par une voie à plusieurs étapes : précurseur → ornithine → citrulline → arginine, chaque étape étant catalysée par une enzyme. En 1944, Adrian Srb et Norman Horowitz ont étudié des souches mutantes qui ne poussent pas sans arginine. Une souche qui pousse si l’on ajoute de la citrulline ou de l’arginine, mais pas de l’ornithine, est bloquée entre l’ornithine et la citrulline : la mutation touche le gène de l’enzyme de cette étape. Chaque mutation bloque une seule étape : un gène commande une enzyme.
Réflexe — Ce que la cellule peut faire dépend de son génome (enzymes, organites) ; ce qu’elle fait à un moment dépend de son milieu.
Attention — Posséder une mitochondrie ne suffit pas pour respirer : il faut aussi du dioxygène. Et des cellules de même génome peuvent avoir des métabolismes très différents.
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Flux de matière et d’énergie
Dans une plante : les feuilles, autotrophes, absorbent le CO₂ de l’air et rejettent du dioxygène ; le saccharose qu’elles fabriquent est exporté par la sève élaborée vers les organes hétérotrophes (racines, tubercules, fruits, graines), qui le respirent ou le stockent (amidon) ; l’eau et les ions minéraux absorbés par les racines montent par la sève brute.
Dans un animal : l’intestin absorbe les nutriments, les poumons le dioxygène ; le sang les apporte à toutes les cellules, hétérotrophes, et emporte leur CO₂.
Entre organismes : la matière organique fabriquée par les autotrophes passe aux animaux qui les mangent ; les décomposeurs (bactéries, champignons) transforment la matière organique morte en matière minérale, à nouveau utilisable par les autotrophes : la matière est recyclée.
L’énergie suit un seul sens : énergie lumineuse → énergie chimique de la matière organique → énergie utilisée par les cellules, qui finit en chaleur. Elle n’est pas recyclée.
Les cellules d’une même plante échangent de la matière entre elles (sèves) et avec le milieu (air, sol).
Schématiser des flux
Une case par compartiment (cellule, organe, organisme, milieu) ; une flèche par flux, du donneur vers le receveur, avec le nom de la molécule ; un style de flèche pour la matière, un autre pour l’énergie, qui part de la lumière et finit en chaleur.
Une tomate qui mûrit. Ses cellules, presque sans chlorophylle, reçoivent des feuilles le saccharose de la sève élaborée et l’eau de la sève ; elles en font leurs sucres et leurs réserves, et elles respirent : elles absorbent du dioxygène, rejettent du CO₂ et de la chaleur. Le fruit est un organe hétérotrophe nourri par les feuilles.
Suivre un atome de carbone. Un CO₂ de l’air est fixé par la photosynthèse d’une feuille de chêne, dans du glucose, puis de l’amidon. La feuille tombe ; un champignon du sol la décompose et respire : le carbone retourne dans l’air sous forme de CO₂.
Réflexe — Une flèche = une molécule nommée, du donneur vers le receveur ; la matière tourne en cycle, l’énergie traverse et finit en chaleur.
Attention — Une plante ne tire pas sa matière organique du sol : son carbone vient du CO₂ de l’air ; le sol lui fournit l’eau et les ions. Et l’énergie ne se recycle pas, contrairement à la matière.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs.
- Organites, cellules spécialisées et expression d’une partie du génome : chapitre « Cellules spécialisées : l’organisme pluricellulaire ».
- Le site actif et le complexe enzyme-substrat, qui expliquent la spécificité et la dénaturation : spécialité SVT de 1re (« Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques »).
- Les étapes de la respiration (glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire) et le rôle détaillé de l’ATP : spécialité SVT de terminale.
- La production de biomasse d’un champ et les flux dans un agrosystème : chapitre sur les agrosystèmes.
- Le métabolisme est l’ensemble des transformations biochimiques d’une cellule ; une voie métabolique transforme un substrat en produit, étape par étape ; des molécules intermédiaires (glucose, pyruvate) relient les voies.
- Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction précise sans être consommée ; elle est spécifique ; son activité est maximale à un optimum de température et de pH ; le froid la ralentit, une forte chaleur la dénature.
- Autotrophie : dans les chloroplastes, 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ grâce à la lumière ; à la lumière, l’échange mesuré est un bilan net (photosynthèse − respiration).
- Hétérotrophie : respiration (C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O, cytosol puis mitochondrie, dégradation complète) ; fermentations alcoolique et lactique (cytosol, sans dioxygène, dégradation incomplète, 15 à 20 fois moins d’énergie).
- Les voies possibles d’une cellule dépendent de son génome (ses enzymes) ; la voie suivie dépend de son milieu ; les cellules spécialisées n’expriment pas les mêmes gènes.
- La matière circule entre cellules, organismes et milieu et se recycle ; l’énergie lumineuse devient énergie chimique puis chaleur, sans retour.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le métabolisme d’une cellule ?
C’est l’ensemble des transformations biochimiques qui s’y déroulent : des synthèses, qui fabriquent des molécules, et des dégradations, qui peuvent libérer de l’énergie. Elles s’enchaînent en voies métaboliques, reliées entre elles par des molécules intermédiaires comme le glucose ou le pyruvate, et chaque étape est catalysée par une enzyme.
Qu’est-ce qu’une enzyme en 2nde ?
Une enzyme est une protéine qui accélère une réaction chimique précise du métabolisme sans être consommée. Elle est spécifique de son substrat et de la réaction, et son activité dépend de la température et du pH, avec une valeur optimale ; une forte chaleur la dénature de façon irréversible.
Une cellule végétale respire-t-elle ?
Oui : toutes les cellules végétales respirent, le jour comme la nuit, car elles possèdent des mitochondries. À la lumière, les cellules chlorophylliennes réalisent en plus la photosynthèse dans leurs chloroplastes, ce qui masque la respiration dans les échanges gazeux mesurés : la mesure est un bilan net.
Quelle est la différence entre respiration et fermentation ?
La respiration utilise le dioxygène, commence dans le cytosol, s’achève dans les mitochondries et dégrade entièrement le glucose en CO₂ et en eau. La fermentation se déroule sans dioxygène, dans le cytosol : le glucose est incomplètement dégradé en éthanol et CO₂ ou en acide lactique, et l’énergie récupérée est 15 à 20 fois plus faible.
Pourquoi les cellules d’un même organisme n’ont-elles pas le même métabolisme ?
Elles ont le même génome mais n’expriment pas les mêmes gènes : elles n’ont pas les mêmes enzymes ni les mêmes organites. Une cellule de feuille fait la photosynthèse et respire, une cellule de racine respire seulement, un globule rouge mature, sans mitochondrie, ne fait que la fermentation lactique. Le milieu (lumière, dioxygène) décide aussi de la voie suivie.
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