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

Six problèmes à partir de documents : des chlorelles à la lumière puis à l’obscurité, une gelée à l’ananas qui ne prend pas, des levures avec et sans dioxygène, des feuilles d’épinard et du carbone radioactif, le muscle du sprinteur et ses fibres, une levure mutante qui ne respire plus.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : ce qui est mesuré (dioxygène, produit formé, lactate, diamètre), l’unité et les conditions (lumière, dioxygène, température, souche).
Je calcule quand il le faut (vitesse = variation ÷ durée, pourcentage de l’activité maximale, rapport, somme rejet net + respiration), en gardant l’unité.
Je compare à une référence : le témoin, l’autre condition, l’autre souche, la valeur de repos.
J’explique avec la voie du cours : son bilan, son lieu dans la cellule, ce qui la permet (enzyme, organite, gène) et ce qui la déclenche (milieu).
Je conclus avec le mot exact : autotrophe, hétérotrophe, respiration, fermentation, dénaturation, bilan net, génome, environnement.

Problème 1 · Des chlorelles à la lumière puis à l’obscurité★★★Facile

Document 1 — Le montage. Une suspension de chlorelles, des algues vertes formées d’une seule cellule, est placée dans une enceinte fermée munie d’une sonde à dioxygène (ExAO). La lampe est allumée de 0 à 10 min, puis éteinte de 10 à 20 min ; la température reste constante.

Document 2 — Les mesures.

Temps (min)	0	5	10	15	20
O₂ (mg·L⁻¹)	8,2	8,9	9,6	9,4	9,2

1. Vitesse de variation de la concentration en O₂ entre 0 et 10 min : mg·L⁻¹·min⁻¹
(9,6 − 8,2) ÷ 10 = 1,4 ÷ 10 = +0,14 mg·L⁻¹·min⁻¹ : à la lumière, le dioxygène est rejeté.
2. Vitesse de consommation du dioxygène entre 10 et 20 min : mg·L⁻¹·min⁻¹
(9,2 − 9,6) ÷ 10 = −0,4 ÷ 10 = −0,04 : les chlorelles consomment 0,04 mg·L⁻¹·min⁻¹.
3. Entre 10 et 20 min, la seule voie qui échange du dioxygène est la .
Sans lumière, la photosynthèse s’arrête ; les chlorelles continuent de respirer dans leurs mitochondries.
4. À la lumière, la vitesse mesurée n’est pas toute la production de la photosynthèse : c’est un bilan .
Un bilan net : la respiration consomme une partie du dioxygène produit, en même temps.
5. Si la respiration a la même intensité à la lumière, la photosynthèse produit mg·L⁻¹·min⁻¹ de dioxygène.
Production = rejet net + consommation : 0,14 + 0,04 = 0,18 mg·L⁻¹·min⁻¹.

Problème 2 · Une gelée à l’ananas qui ne prend pas★★★Moyen

Document 1 — La gelée. La gélatine est faite de protéines. Dissoute dans un liquide chaud puis refroidie, elle forme un gel : la gelée « prend ». L’ananas frais contient une enzyme, la bromélaïne, qui découpe les protéines.

Document 2 — Cinq bols, préparés avec la même gélatine et laissés une nuit au réfrigérateur.

Bol	Contenu	Le lendemain
A	gélatine seule	gelée prise
B	gélatine + morceaux d’ananas frais	liquide
C	gélatine + morceaux d’ananas frais bouillis 5 min	gelée prise
D	gélatine + morceaux d’ananas en conserve	gelée prise
E	gélatine + morceaux de kiwi frais	liquide

1. Le bol sert de témoin.
Le bol A ne contient pas de fruit : il montre que la gélatine seule prend.
2. Dans le bol B, la bromélaïne a découpé les de la gélatine, qui ne forme plus de gel.
Elle a découpé les protéines de la gélatine : c’est son substrat.
3. Dans le bol C, l’ananas bouilli ne gêne plus la prise : la chaleur a la bromélaïne.
Une forte chaleur a dénaturé l’enzyme, de façon irréversible : refroidie, elle reste inactive.
4. L’ananas en conserve se comporte comme celui du bol C : on en déduit qu’il a été pendant la fabrication de la conserve.
La mise en conserve le chauffe : sa bromélaïne est dénaturée.
5. Le bol E montre que le kiwi frais contient, lui aussi, une qui découpe les protéines.
Il contient une enzyme qui découpe les protéines (l’actinidine) : la gélatine ne prend pas, comme dans le bol B.

Problème 3 · Des levures avec et sans dioxygène★★★Moyen

Document 1 — Deux cultures. Deux cultures de levures identiques reçoivent du glucose apporté peu à peu pendant 24 h, à mesure qu’elles le consomment : dans l’une, on fait buller de l’air ; l’autre est en cuve fermée, sans dioxygène.

Document 2 — Les résultats.

	Avec air	Sans dioxygène
Glucose consommé (g)	2,4	9,1
Éthanol produit (g)	0	4,3
Masse de levures formée (g)	1,1	0,3

1. Avec de l’air, sans éthanol produit, les levures réalisent la .
Dioxygène disponible, aucun éthanol : le glucose est entièrement dégradé, c’est la respiration.
2. Sans dioxygène, elles réalisent la fermentation .
De l’éthanol apparaît : fermentation alcoolique, C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂, dans le cytosol.
3. Sans dioxygène, les levures consomment fois plus de glucose qu’avec de l’air (arrondi au dixième).
9,1 ÷ 2,4 ≈ 3,8 : la fermentation fournit peu d’énergie par glucose, il faut en dégrader beaucoup plus.
4. Avec de l’air, la masse de levures formée par gramme de glucose consommé vaut g (arrondi au centième).
1,1 ÷ 2,4 ≈ 0,46 g de levures par gramme de glucose.
5. Sans dioxygène, elle vaut g par gramme de glucose (arrondi au millième).
0,3 ÷ 9,1 ≈ 0,033 g, environ 14 fois moins (0,46 ÷ 0,033 ≈ 14) : peu d’énergie reste pour les synthèses, et une partie du carbone part dans l’éthanol.

Problème 4 · Lumière, dioxygène et carbone radioactif★★★Difficile

Document 1 — Des feuilles d’épinard sous différents éclairements (ExAO ; valeur positive : rejet, négative : absorption).

Éclairement (lux)	0	2 000	5 000	10 000	20 000
Échanges d’O₂ (µmol·min⁻¹ par g de feuille)	−0,6	0	+1,3	+2,9	+3,4

Document 2 — Suivre le carbone. Des algues vertes éclairées reçoivent du dioxyde de carbone dont le carbone est radioactif (carbone 14). Selon la durée d’éclairement, on recherche les molécules devenues radioactives : après quelques secondes, une petite molécule organique ; après quelques minutes, du glucose et d’autres sucres ; plus tard, de l’amidon.

1. À 0 lux, les feuilles absorbent du dioxygène : seule a lieu la .
Sans lumière, pas de photosynthèse : la respiration seule consomme 0,6 µmol·min⁻¹ par gramme.
2. À 2 000 lux, les échanges sont nuls : la production de dioxygène par la photosynthèse est à sa consommation par la respiration.
Elles se compensent exactement : la photosynthèse a bien lieu, mais son rejet net est nul.
3. Si la respiration garde la même intensité, la photosynthèse produit à 10 000 lux µmol·min⁻¹ par gramme.
Production = rejet net + respiration : 2,9 + 0,6 = 3,5 µmol·min⁻¹·g⁻¹.
4. Entre 10 000 et 20 000 lux, le rejet d’O₂ n’augmente que de µmol·min⁻¹ par gramme.
3,4 − 2,9 = 0,5 pour 10 000 lux de plus, contre 2,9 − 1,3 = 1,6 pour 5 000 lux de plus entre 5 000 et 10 000 lux : l’éclairement augmente deux fois plus, le rejet environ trois fois moins (1,6 ÷ 0,5 = 3,2). La lumière n’est plus le facteur qui limite (le CO₂ disponible, par exemple, peut limiter).
5. Le document 2 montre que le carbone des sucres fabriqués vient du .
Le carbone radioactif apporté sous forme de CO₂ se retrouve dans les sucres : la matière organique est fabriquée à partir de matière minérale.
6. L’amidon devient radioactif après les sucres : il est fabriqué à partir du .
L’amidon est une réserve fabriquée à partir du glucose : le glucose est une molécule intermédiaire entre la photosynthèse et la synthèse d’amidon.

Problème 5 · Le muscle du sprinteur★★★Difficile

Document 1 — Lactate dans le sang d’un athlète (le lactate est la forme de l’acide lactique dans le sang).

Situation	Lactate (mmol·L⁻¹)
au repos	1,2
après un 400 m couru à vitesse maximale	14,5
après 40 min de footing	2,1

Document 2 — Deux types de fibres musculaires (cellules).

	Fibres de type I	Fibres de type II
Volume des mitochondries (% du volume de la fibre)	7	2,5
Réserves de glycogène	moyennes	élevées
Activité des enzymes de la fermentation lactique	faible	élevée

Document 3. Proportion de fibres de type II dans un muscle de la cuisse : sprinteur, 72 % ; coureur de fond, 21 %.

1. Après le 400 m, la concentration en lactate est multipliée par environ (arrondi à l’unité).
14,5 ÷ 1,2 ≈ 12,08 : environ 12 fois la valeur de repos.
2. Après le footing, elle est multipliée par environ (arrondi au dixième).
2,1 ÷ 1,2 = 1,75 ≈ 1,8 : l’effort long et modéré produit peu de lactate.
3. Les fibres de type I ont environ fois plus de volume de mitochondries que les fibres de type II (au dixième).
7 ÷ 2,5 = 2,8.
4. Le métabolisme dominant des fibres de type I est la .
Riches en mitochondries, pauvres en enzymes de fermentation : respiration.
5. Le muscle de la cuisse du sprinteur compte % de fibres de type I.
100 − 72 = 28 %. Ses nombreuses fibres de type II, qui fermentent vite sans attendre le dioxygène, sont adaptées à l’effort bref et maximal.
6. Pendant le 400 m, les fibres ont des mitochondries, mais l’apport de dioxygène ne suit pas : elles réalisent en plus la fermentation .
La fermentation lactique, dans le cytosol, fournit vite de l’énergie sans dioxygène ; le lactate passe dans le sang (document 1).

Problème 6 · Une levure mutante sans respiration★★★Difficile

Document 1 — Une mutation. Chez la levure de boulanger, une souche mutante porte une mutation qui rend ses mitochondries non fonctionnelles. Consommation de dioxygène, en milieu aéré avec du glucose (µmol·min⁻¹ pour 10⁸ cellules) : souche normale 0,52 ; souche mutante 0,01.

Document 2 — Diamètre moyen des colonies après 3 jours sur milieux gélosés aérés.

Source de carbone	Souche normale	Souche mutante
glucose	3,5 mm	0,8 mm
glycérol	2,8 mm	aucune colonie

Donnée. La levure ne peut pas fermenter le glycérol : elle ne peut l’utiliser que par respiration.

1. La souche mutante consomme fois moins de dioxygène que la souche normale.
0,52 ÷ 0,01 = 52 : elle ne respire presque plus, bien que le dioxygène soit présent.
2. Sur glucose, la souche mutante se multiplie grâce à la fermentation .
La fermentation alcoolique se déroule dans le cytosol et n’a pas besoin des mitochondries.
3. Sur glucose, les colonies normales ont un diamètre environ fois plus grand (arrondi au dixième).
3,5 ÷ 0,8 = 4,375 ≈ 4,4 : la fermentation fournit moins d’énergie par glucose que la respiration, la croissance est plus lente.
4. Sur glycérol, la souche mutante ne forme aucune colonie : elle ne peut pas .
Le glycérol n’est utilisable que par respiration ; sans mitochondries fonctionnelles, la souche ne peut pas respirer, donc rien n’est tiré du glycérol.
5. La souche normale, cultivée sur glucose sans aucun dioxygène, formerait des colonies petites, comme la souche mutante, car elle ne pourrait que .
Sans dioxygène, même des mitochondries fonctionnelles ne servent pas : elle ne peut que fermenter, comme la mutante.
6. La différence entre les deux souches vient du génome ; la différence entre les deux milieux de la souche normale vient de l’.
Le métabolisme dépend du génome (mutation) et de l’environnement (dioxygène, nature du nutriment).

Bloqué sur ce chapitre ?

Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

Réserver un 1^er cours → Voir les tarifs

Prof de SVT à Marseille · Cours particuliers au collège · Aide aux devoirs