Le métabolisme des cellules

a) Le métabolisme d'une cellule est l'ensemble des réactions chimiques qui s'y déroulent : synthèses de molécules et dégradations qui libèrent de l'énergie. Ces réactions sont catalysées par des enzymes.

b) Une cellule autotrophe produit sa matière organique à partir de matière minérale (CO₂, eau, ions) et d'une source d'énergie, ici la lumière. Une cellule hétérotrophe doit prélever dans son milieu de la matière organique déjà fabriquée.

c) La cellule de feuille de laitue et la chlorelle possèdent des chloroplastes : éclairées, elles réalisent la photosynthèse, elles sont autotrophes. La cellule de racine de carotte, la levure et la cellule musculaire n'ont pas de chloroplaste : elles utilisent du glucose prélevé dans leur milieu, elles sont hétérotrophes.

d) Les cellules de la racine ne possèdent pas de chloroplastes, donc pas de chlorophylle, et la racine est enfouie dans le sol, à l'obscurité : la photosynthèse y est impossible. Elles reçoivent par la sève le saccharose fabriqué par les feuilles. L'autotrophie est une propriété de certaines cellules, pas de toute la plante : une plante contient à la fois des cellules autotrophes et des cellules hétérotrophes.

a) 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, en présence de lumière et de chlorophylle.

b) C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O, en présence de dioxygène ; de l'énergie utilisable est libérée.

c) La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, présents seulement dans les cellules chlorophylliennes (feuilles, tiges vertes, algues). La respiration commence dans le cytosol et s'achève dans les mitochondries, présentes dans presque toutes les cellules eucaryotes, animales comme végétales.

d) Les deux bilans mettent en jeu les mêmes molécules, mais réactifs et produits sont inversés. La photosynthèse consomme de l'énergie lumineuse et la stocke sous forme d'énergie chimique dans le glucose ; la respiration libère cette énergie chimique. La photosynthèse n'a lieu que dans les cellules chlorophylliennes éclairées, alors que la respiration a lieu dans toutes les cellules, en permanence.

a) Le tube B est un témoin : il ne diffère du tube A que par l'absence d'amylase. Il montre que, sans enzyme, l'amidon reste présent (bleu-noir) et qu'aucun sucre réducteur n'apparaît. Les changements observés dans le tube A sont donc dus à l'amylase.

b) Dans le tube A, l'eau iodée reste jaune-orangé : il n'y a plus d'amidon. La liqueur de Fehling donne un précipité rouge brique : un sucre réducteur, le maltose, est apparu. L'amylase a hydrolysé l'amidon en maltose.

c) Dans le tube C, la liqueur de Fehling reste bleue : aucun sucre réducteur ne s'est formé, le saccharose n'a pas été transformé. L'amylase agit sur l'amidon mais pas sur le saccharose : c'est la spécificité de substrat. Seul un substrat dont la forme est complémentaire du site actif peut s'y fixer.

d) Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction chimique précise : elle l'accélère, agit en petite quantité, n'est pas consommée, est spécifique de son substrat et de la réaction, et n'est active que dans certaines conditions de température et de pH.

a) Entre 0 et 10 min : v = (9,6 − 8,2) / 10 = 1,4 / 10 = +0,14 mg·L⁻¹·min⁻¹ : le dioxygène est produit.
Entre 10 et 20 min : v = (9,2 − 9,6) / 10 = −0,4 / 10 = −0,04 mg·L⁻¹·min⁻¹ : le dioxygène est consommé.

b) À l'obscurité, la photosynthèse, qui nécessite de la lumière, s'arrête. Les chlorelles continuent à respirer dans leurs mitochondries : elles consomment du dioxygène, sans en produire. La baisse de concentration traduit la respiration seule.

c) À la lumière, la respiration ne s'arrête pas : une partie du dioxygène produit par la photosynthèse est aussitôt consommée par les mitochondries. La mesure ExAO donne donc un bilan net : production par photosynthèse moins consommation par respiration.

d) Production par photosynthèse = variation nette mesurée + consommation par respiration. Si la respiration consomme 0,04 mg·L⁻¹·min⁻¹ à la lumière comme à l'obscurité : 0,14 + 0,04 = 0,18 mg·L⁻¹·min⁻¹, ce qu'il fallait montrer.

a) En aérobiose, le dioxygène est disponible et aucun éthanol n'est produit : le glucose est entièrement dégradé, les levures réalisent la respiration (cytosol puis mitochondries). En anaérobiose, sans dioxygène, de l'éthanol apparaît : les levures réalisent la fermentation alcoolique, dans le cytosol.

b) C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂

c) 9,1 / 2,4 ≈ 3,8. La fermentation est une dégradation incomplète : l'éthanol rejeté contient encore une grande partie de l'énergie chimique du glucose. Chaque molécule de glucose fermentée fournit donc beaucoup moins d'énergie utilisable qu'en respiration. Pour couvrir leurs besoins énergétiques, les levures doivent dégrader bien plus de glucose.

d) Aérobiose : 1,1 / 2,4 ≈ 0,46 g de levures par gramme de glucose. Anaérobiose : 0,3 / 9,1 ≈ 0,033 g par gramme, soit environ 14 fois moins (0,46 / 0,033 ≈ 14). En fermentation, peu d'énergie est disponible pour les synthèses et la multiplication cellulaire, et une partie du carbone du glucose part sous forme d'éthanol au lieu de construire de la matière : la croissance est faible.

a) La quantité de maltose est maximale (6,2 mg) à pH 6,8 : le pH optimal est voisin de 6,8, proche de la neutralité, comme celui de la salive.

b) 3,1 / 6,2 = 0,50, soit 50 % de l'activité maximale à pH 5.

c) L'activité chute quand le pH s'éloigne de l'optimum : à pH 3, elle n'est déjà plus que de 0,4 / 6,2 ≈ 6 % du maximum. À pH 2, encore plus acide, l'amylase salivaire est pratiquement inactive : la digestion de l'amidon commencée dans la bouche s'interrompt dans l'estomac.

d) Une enzyme est une protéine dont la forme dans l'espace détermine celle du site actif, complémentaire du substrat. Le pH modifie les charges électriques de la protéine, donc sa forme : loin de l'optimum, le substrat ne se fixe plus correctement sur le site actif et la réaction n'est plus catalysée.

a) Les cellules végétales possèdent des mitochondries et respirent en permanence, de jour comme de nuit. Le jour, les cellules chlorophylliennes réalisent en plus la photosynthèse, qui produit plus d'O₂ que la respiration n'en consomme : la respiration est masquée dans les échanges mesurés, mais elle existe.

b) La fermentation se déroule dans le cytosol, sans intervention des mitochondries ; c'est justement la voie utilisée en l'absence de dioxygène. C'est la respiration qui s'achève dans les mitochondries.

c) Être une cellule végétale ne suffit pas : il faut des chloroplastes et de la lumière. Les cellules de racine n'ont pas de chloroplastes et vivent à l'obscurité : elles sont hétérotrophes et utilisent la matière organique apportée par la sève depuis les feuilles.

d) C'est le substrat qui est transformé en produit. L'enzyme se fixe temporairement au substrat (complexe enzyme-substrat), puis se retrouve intacte à la fin de la réaction : elle n'est pas consommée et peut catalyser à nouveau la même réaction.

1. Le rejet d'O₂ augmente avec l'éclairement : il passe de −0,6 µmol·min⁻¹·g⁻¹ à 0 lux à +3,4 µmol·min⁻¹·g⁻¹ à 20 000 lux. À 0 lux, la valeur est négative : les feuilles absorbent du dioxygène. Sans lumière, pas de photosynthèse ; seule la respiration a lieu, qui consomme 0,6 µmol d'O₂ par minute et par gramme.

2. À 2 000 lux, les échanges sont nuls : la photosynthèse a lieu, mais le dioxygène qu'elle produit est exactement consommé par la respiration. Si la respiration garde la même intensité qu'à l'obscurité, la photosynthèse produit alors environ 0,6 µmol·min⁻¹·g⁻¹ : production et consommation se compensent.

3. Les 48 h d'obscurité permettent aux cellules d'épuiser l'amidon déjà présent (utilisé par la respiration) : tout amidon détecté ensuite a donc été fabriqué pendant l'expérience, ce que confirme le pied B, entièrement jaune-orangé. Pied A : seules les zones vertes éclairées contiennent de l'amidon ; les zones blanches, même éclairées, n'en contiennent pas. Pied B : les zones vertes, non éclairées, n'en contiennent pas. La production d'amidon nécessite à la fois de la chlorophylle et de la lumière.

4. Entre 5 000 et 10 000 lux : +2,9 − 1,3 = +1,6 µmol·min⁻¹·g⁻¹ pour 5 000 lux de plus. Entre 10 000 et 20 000 lux : +3,4 − 2,9 = +0,5 µmol·min⁻¹·g⁻¹ pour 10 000 lux de plus. L'augmentation devient beaucoup plus faible : la lumière n'est plus le facteur qui limite la photosynthèse ; un autre facteur la limite, par exemple la quantité de CO₂ disponible ou la température.

5. Le document 1 montre qu'à la lumière les feuilles rejettent du dioxygène, d'autant plus que l'éclairement est fort, ce qui traduit la photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Le document 2 montre que de l'amidon, molécule organique formée à partir du glucose, apparaît seulement dans les cellules chlorophylliennes éclairées. Or ces cellules ne reçoivent que de la matière minérale (CO₂, eau) et de la lumière : les cellules chlorophylliennes sont autotrophes, elles fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale en utilisant l'énergie lumineuse. Cette production est nulle à l'obscurité et augmente avec l'éclairement : la photosynthèse dépend de la lumière, tandis que la respiration se poursuit en permanence.

1. C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ (acide lactique). Comme toute fermentation, elle se déroule dans le cytosol, sans dioxygène ni mitochondrie, et ne rejette pas de CO₂.

2. Après le 400 m : 14,5 / 1,2 ≈ 12,1, la concentration est multipliée par environ 12. Après le footing : 2,1 / 1,2 ≈ 1,8. L'effort bref et maximal entraîne une production de lactate près de sept fois plus forte en valeur relative que l'effort long et modéré : il s'accompagne d'une fermentation lactique intense.

3. Les fibres de type I ont un volume de mitochondries près de trois fois plus grand (7 % contre 2,5 %) et peu d'enzymes de fermentation : leur métabolisme dominant est la respiration. Les fibres de type II ont peu de mitochondries, de grosses réserves de glycogène (source de glucose) et des enzymes de fermentation très actives : leur métabolisme dominant est la fermentation lactique.

4. Posséder des mitochondries ne suffit pas : la respiration exige un apport de dioxygène par le sang, qui ne peut pas augmenter instantanément, et les mitochondries ont une capacité limitée. Lors d'un effort bref et très intense, les besoins en énergie dépassent ce que la respiration peut fournir ; les fibres, surtout de type II, réalisent alors en complément la fermentation lactique dans le cytosol, qui fournit rapidement de l'énergie sans dioxygène. Le lactate produit s'accumule et passe dans le sang (document 1).

5. Le muscle du sprinteur contient 72 % de fibres de type II contre 21 % chez le coureur de fond. Ces fibres riches en glycogène et en enzymes de fermentation fournissent rapidement de l'énergie par fermentation lactique, sans attendre l'apport de dioxygène : c'est le métabolisme adapté à un effort bref et maximal comme le 400 m, d'où le lactate élevé mesuré après la course. Le coureur de fond, riche en fibres de type I, s'appuie sur la respiration, adaptée aux efforts longs. Un même organe contient ainsi des cellules spécialisées au métabolisme différent, dont la proportion adapte le muscle à l'épreuve.

1. Dans les mêmes conditions (milieu aéré, glucose disponible), la souche sauvage consomme 0,52 µmol d'O₂ par minute pour 10⁸ cellules, la souche mutante seulement 0,01, soit une consommation quasi nulle. La souche mutante ne respire presque pas, bien que le dioxygène soit présent : c'est cohérent avec des mitochondries non fonctionnelles, puisque la respiration s'achève dans les mitochondries.

2. La fermentation alcoolique se déroule dans le cytosol et ne nécessite pas de mitochondries : la souche mutante peut fermenter le glucose (C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂) et en tirer de l'énergie, donc se multiplier. Mais la fermentation fournit beaucoup moins d'énergie par molécule de glucose que la respiration : la croissance est plus lente, d'où des colonies de 0,8 mm contre 3,5 mm pour la souche sauvage, qui respire.

3. Le glycérol n'est utilisable que par respiration. La souche mutante, incapable de respirer, ne peut en tirer aucune énergie : elle ne se multiplie pas. La souche sauvage, qui respire, forme des colonies de 2,8 mm.

4. Sans dioxygène, la respiration est impossible même avec des mitochondries fonctionnelles : la souche sauvage ne peut que fermenter le glucose. On prévoit donc des colonies petites, proches de celles de la souche mutante sur glucose, car les deux souches utilisent alors la même voie, peu rentable en énergie.

5. Rôle du génome : une seule mutation, en rendant les mitochondries non fonctionnelles, supprime la respiration même lorsque le dioxygène est présent (documents 1 et 2) ; les voies possibles d'une cellule dépendent donc de ses gènes. Rôle de l'environnement : pour une même souche, la voie utilisée dépend du milieu. La souche sauvage respire en présence de dioxygène et fermente en son absence ; la nature du nutriment compte aussi, puisque le glycérol n'est utilisable que par respiration. Le métabolisme résulte donc de l'interaction entre le génome et les conditions du milieu.