Échange gazeux, fermentation des levures et rôle du CO2 et de l’O2 dans le métabolisme

Le monde vivant repose sur des échanges énergétiques et matériels qui traversent les membranes des cellules: matière et énergie prélevées dans l’environnement servent à réaliser des réactions chimiques, et l’ensemble de ces réactions constitue le métabolisme.

1. Métabolisme, énergie et transfert d’électrons

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur de la cellule.

Pour fonctionner, les cellules prélèvent dans leur environnement de la matière et de l’énergie. Cette matière est utilisée pour réaliser des réactions chimiques dans les cellules.

La respiration cellulaire est un type de réaction métabolique qui se produit dans la plupart des cellules, et elle est une oxydation de certaines molécules organiques, c’est-à-dire que l’oxygène permet de dégrader une molécule, typiquement le glucose.

Dans la photosynthèse chez les plantes autotrophes, les électrons transitent du bas potentiel de l’eau à un potentiel élevé réducteur, celui de RH2; dans la respiration, le transit se fait dans le sens inverse, ce qui illustre le transfert d’électrons dans le cycle énergétique de la biosphère.

Les réactions d’oxydo-réduction ne libèrent pas toujours une énergie suffisante pour permettre la synthèse d’ATP, mais elles demeurent centrales dans le transfert d’énergie au cours des cycles métaboliques.

2. Les levures: particularités et conditions d’oxydation du glucose

Les levures sont des champignons unicellulaires dépourvus de chlorophylle.

En aérobiose, la plupart des cellules oxydent complètement le glucose en CO2: c’est la respiration cellulaire.

En anaérobiose (en absence d’oxygène), certaines cellules oxydent le glucose de façon incomplète: on parle alors de fermentation.

La fermentation chez les levures, particulièrement dans des milieux sans oxygène, montre une production de CO2 et d’éthanol ou d’autres alcools selon les conditions et les souches, et elle illustre une adaptation métabolique lorsque l’oxygène est limitant.

3. Observations et structures mitochondriales

A l’observation au microscope électronique, les levures exposées à des conditions aérobies présentent de nombreuses mitochondries dans l’hyaloplasme, alors que celles en anaérobiose possèdent peu ou pas de mitochondries; si présentes, elles sont de petite taille.

La mitochondrie est vue au MET, et sa représentation en 3D illustre son rôle central dans la respiration et la production d’ATP.

Le recyclage des transporteurs est couplé à la synthèse de 16 à 18 molécules d’ATP par molécule d’acide pyruvique, grâce à des ATP-synthétases fixées sur la membrane interne des mitochondries. Dans la matrice des mitochondries, l’acide pyruvique est progressivement oxydé en dioxyde de carbone au cours d’une suite de réactions chimiques constituant le cycle de Krebs.

4. Transferts énergétiques et comparaison entre photosynthèse et respiration

Choisissons comme exemple la cellule végétale chlorophyllienne pour dresser un bilan des deux modalités de transfert énergétique: dans la photosynthèse, les électrons transitent du bas potentiel (eau) à un potentiel élevé et réducteur (RH2); dans la respiration, le transit se fait dans le sens inverse.

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques possibles dans une cellule et l’étude des similitudes montre que des principes fondamentaux existent au niveau moléculaire et cellulaire: les cellules prélèvent matière et énergie dans l’environnement et réalisent des réactions chimiques qui constituent le métabolisme.

Les cellules chlorophylliennes réalisent la photosynthèse uniquement à la lumière, produisant à partir du CO2 et de l’eau de la matière organique comme le glucose, stockée puis utilisée par les cellules.

Pour démontrer que toutes les cellules respirent, on peut mesurer l’évolution du taux d’O2 et de CO2 dans des suspensions de cellules végétales et de levure, en ajoutant du glucose nécessaire à la respiration.

5. Étude expérimentale et manipulation des cultures de levures

Les cultures peuvent être utilisées pour vérifier que toutes les souches de levures peuvent utiliser diverses nourritures, en étalant les souches sur différents milieux et en réalisant toutes les combinaisons possibles dans des conditions stériles afin d’éviter la contamination par d’autres micro-organismes.

Pour maintenir un environnement sterile, on chauffe l’air autour, on limite les mouvements et l’ouverture des boîtes de Pétri, et on se conforme à des procédures d’hygiène strictes (port de cheveux attachés, mains propres, retrait de bagues). Ainsi, les colonies de levures indiquent si le métabolisme a réussi sur un substrat donné ou non.

Influence de l’environnement sur le métabolisme des levures est illustrée par l’observation que certains facteurs externes, comme la température, influencent bien le métabolisme et la respiration.

6. Gène et information génétique

Nous cherchons à comprendre comment la présence d’un gène peut rendre une cellule capable de réaliser ou d’empêcher une réaction donnée. L’ADN contient des informations pour fabriquer des protéines, et les gènes sont des séquences qui codent pour une protéine particulière qui détermine un caractère héréditaire.

Les gènes se distinguent par des séquences nucléotidiques variables; chez l’homme, on estime environ 20 000 à 25 000 gènes. L’ADN est toujours constitué de deux brins enroulés en double hélice, chacun constitué de nucléotides: A, T, G, C. La succession des nucléotides porte l’information génétique et la synthèse protéique s’effectue via l’expression des gènes.

La cellule prélève dans son environnement matière et énergie, et la manière dont l’information génétique est contenue dans l’ADN détermine l’ensemble des protéines produites et les voies métaboliques possibles dans la cellule.

7. Notions complémentaires sur l’universalité cellulaire

Le monde vivant est composé de cellules dont les structures sont très semblables, et la comparaison entre les niveaux moléculaires et cellulaires met en évidence des similitudes au niveau fonctionnement cellulaire, ce qui permet de comprendre comment les différentes cellules respirent et utilisent l’énergie.

Les êtres vivants - quels que soient leur espèce - présentent une organisation commune autour des molécules d’ADN et des mécanismes de transcription et traduction qui permettent l’expression des gènes et la synthèse des protéines nécessaires aux réactions métaboliques.

Pour récapituler, la respiration cellulaire et la photosynthèse constituent deux modalités majeures de transfert d’énergie: l’une oxydative et l’autre réductive, mais toutes deux alimentent le métabolisme et soutiennent la vie des organismes eucaryotes et procaryotes.

8. Développements et synthèse

Les notions clés montrent que les cellules prélèvent matière et énergie, les transforment par des réactions métaboliques et qu’une grande similitude existe entre les mécanismes des différentes cellules, que ce soit dans la respiration ou dans la photosynthèse.

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