1. Etude expérimentale et mise en évidence de la fermentation alcoolique :

Transcription

1 Problématiques : Comment produire de l ATP sans oxygène? Qu est-ce que la fermentation alcoolique? Qu est-ce que la fermentation lactique? CHAPITRE III /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La Fermentation : 1. Etude expérimentale et mise en évidence de la fermentation alcoolique : TP : Le montage ci-dessous permet de montrer que des Levures en présence de glucose présentent une activité qui se traduit par une libération de dioxyde de carbone (déchet) alors même que le milieu est dépourvu de dioxygène (il ne peut donc s'agir d'une respiration). EXAO : L'utilisation de sondes (à dioxygène, à dioxyde de carbone et à éthanol) en relation avec un dispositif d'enregistrement permet de suivre les variations de la teneur en ces composés dans une suspension de Levures (préalablement affamées) à laquelle on ajoute une solution de glucose. (Montage du type de celui présenté p. 34 Bordas). On obtient les résultats suivants : Indication : en absence de sonde à éthanol, on peut utiliser un éthylotest. Ces enregistrements montrent que dans un premier temps la concentration en dioxygène décroît et que cette décroissance est associée à une production de dioxyde de carbone : les Levures réalisent la respiration cellulaire; dans un second temps, lorsque le milieu devient anaérobie (= sans dioxygène) la production de dioxyde de carbone se poursuit cependant qu'apparaît dans le milieu de l'éthanol : les Levures continuent de métaboliser le glucose présent dans le milieu et produisent un nouveau déchet, l'éthanol; cette autre voie métabolique constitue une fermentation, ici la fermentation alcoolique. 2. Les étapes de la fermentation alcoolique.

2 La fermentation débute dans le cytoplasme par la glycolyse : Dans le cas de la fermentation alcoolique, l'acide pyruvique est d'abord décarboxylé (perte de CO 2 ), le métabolite qui en résulte (l'éthanal) est ensuite réduit en éthanol avec régénération du transporteur : 3. La fermentation lactique. Quel est le bilan de la fermentation alcoolique? La fermentation lactique se traduit par la formation d'acide lactique à partir du glucose; elle est en particulier réalisée par des bactéries (lactiques) du lait lors de la fabrication des yaourts. Après transformation du lactose (glucide simple du lait) en glucose, en acide lactique, la diminution du ph (liée à la formation de l'acide lactique) modifie la solubilité d'une protéine du lait, la caséine, qui devient insoluble : il y a alors coagulation et formation de yaourt. Le produit obtenu doit alors être conservé au frais afin de ralentir la fermentation et d'en conserver les propriétés gustatives. NB : Les fibres musculaires peuvent aussi pratiquer la fermentation alcoolique (part. Chap. 4) Quel est le bilan de la fermentation lactique? Pourquoi la deuxième étape des réactions est-elle nécessaire? (idem pour la fermentation alcoolique) 4. Comparaison respiration - fermentation alcoolique. Comparez la respiration et la fermentation. Corrigé : RESPIRATION METABOLISME FERMENTATION ALCOOLIQUE Glucose C6H12O6 Substrat Glucose C6H12O6

3 2840 kj par mole de glucose Energie potentielle initiale kj par mole de glucose Aérobies (O2) Conditions Anaérobies 6 CO2 + 6 H2O Produits 2 CO2 + 2 CH3 - CH2OH 0 kj Energie potentielle finale kj par mole d'éthanol 36 moles par mole de glucose ATP produit 2 moles par mole de glucose Cours : Les fermentations constituent une voie métabolique dans laquelle le métabolite initial est incomplètement dégradé et produit donc un déchet de nature organique représentant une certaine quantité d'énergie potentielle; il s'ensuit que les fermentations génèrent une plus faible quantité d'atp que la respiration cellulaire, processus métabolique au cours duquel le métabolite initial est entièrement minéralisé : la totalité de l'énergie potentielle initiale est libérée; cependant une partie seulement permettra la production d'atp puisqu'au cours des processus biochimiques une partie non négligeable de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. L essentiel : Une autre voie pour produire de l'atp : la fermentation Le glucose est oxydé par glycolyse, ce qui permet de produire un peu d'atp. Une réaction secondaire permet de réoxyder les transporteurs d'hydrogène et d'entretenir le processus. Dans le cas de la fermentation alcoolique, cette réaction secondaire produit de l'éthanol, dans le cas de la fermentation lactique, elle produit de l'acide lactique. La dégradation du glucose est donc incomplète. Une fermentation produit de l'atp avec un rendement beaucoup plus faible que la respiration. Réponses livre Bordas : V Une autre façon de produire de l ATP : la fermentation Etude expérimentale : TP EXAO + livre, Doc. 2 p. 44 La respiration apparaît comme un métabolisme énergétique présent dans la plupart des cellules eucaryotes. Contrairement à une idée répandue, «la respiration n est pas indispensable à la vie». Cette notion est particulièrement importante du point de vue évolutif. Doc. 2 De 0 à 180 s, les levures sont dans des conditions aérobies (la sonde à dioxygène montre la présence de dioxygène dans le milieu) : on constate alors une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone. Il n y a pas de production d éthanol. Pendant cette période, les levures respirent de façon à couvrir leurs besoins énergétiques. À partir de 180 s, le milieu est épuisé en dioxygène, comme l atteste la sonde à dioxygène : la respiration est donc impossible. On constate à partir de ce moment une production d éthanol et une augmentation très importante de la production de dioxyde de carbone : les levures réalisent alors la fermentation alcoolique, ce qui leur procure un peu d énergie. Le bilan de la fermentation alcoolique s établit ainsi : C 6H 12O ADP + 2 Pi à 2 C 2H 6O + 2 CO ATP Il y a donc dégradation incomplète du glucose en éthanol et en dioxyde de carbone et production d ATP. Doc. 3 et 4 Ces deux exemples de fermentation débutent par l étape de glycolyse qui permet de produire un peu d ATP par dégradation incomplète du glucose. La deuxième étape est différente : dans le cas de la fermentation alcoolique, il y a production d éthanol à partir de l acide pyruvique ; dans le cas de la fermentation lactique, il y a production d acide lactique à partir de l acide pyruvique. Bien qu étant différentes, ces réactions ont en commun d oxyder les transporteurs réduits R H2 produits par la glycolyse. Dans les deux cas, cette deuxième réaction est donc couplée à la glycolyse : elle est indispensable pour entretenir le mécanisme. Ces deux documents présentent plusieurs intérêts fondamentaux : Il montre le couplage glycolyse/fermentation. On comprend alors que la glycolyse permet une production d ATP (sans nécessiter ni dioxygène ni organite spécialisé) et que la réaction de fermentation proprement dite permet l entretien du mécanisme en régénérant les transporteurs d H à l état oxydé. Il établit un bilan énergétique de la fermentation, comparé à celui de la respiration. Cependant que la fermentation étant une dégradation incomplète du métabolite, il subsiste un produit secondaire encore énergétique et donc valorisable. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L utilisation fermentaire d une molécule de glucose produit beaucoup moins d ATP que lors de la respiration.

4 Production d ATP sans dioxygène. Lors de la dernière séance, vous avez découvert comment les cellules produisent de l ATP par respiration, en présence de dioxygène. On peut observer qu en absence de dioxygène il peut y avoir aussi une production d ATP : Document 1 : le développement des Levures et la production d'atp Dans deux milieux de culture de même volume, contenant de l'eau et du glucose, on ajoute une même quantité de Levures. Ces deux milieux sont placés quelques jours dans des conditions favorables identiques, mais l'un des milieux contient du dioxygène, l'autre non. Document 1a : observation des Levures au microscope optique (x 700) En début d'expérience, les Levures sont identiques dans les deux milieux. Levures : champignons microscopiques, unicellulaires Document 1b : résultats au bout de quelques jours de culture Milieux de culture En présence de dioxygène Observation des Levures au microscope optique (x700) Quantité de moles d'atp produites par mole de glucose consommée - 36,3 ATP - Les cellules se sont abondamment multipliées En absence de dioxygène -2 ATP - Les cellules se sont moins développées, elles disposent de moins d énergie pour assurer leur croissance et leur multiplication, cependant elles demeurent en vie : Il existe un autre processus, moins efficace pour produire de l énergie. D autre part, nous savons que les levures, en absence d O2, ne possèdent que très peu de mitochondries, aux crêtes peu développées. Donc il nous faut imaginer que cet autre mécanisme se déroule hors des mitochondries : il pourrait s agir de la glycolyse, qui utilise bien le glucose comme substrat, se déroule dans le cytoplasme et produit 2 ATP et du pyruvate. Donc, nous devrions trouver dans le milieu, une concentration croissante de pyruvate Afin de tester cette hypothèse on étudie les expériences historiques de Pasteur.

5 Document 2 : une expérience historique de Pasteur Conditions expérimentales Résultats obtenus Expérience 1 : au contact du dioxygène de l'air Substances présentes dans le milieu. produites par les Levures Rendement de la culture exprimé par la quantité de Levures formées en mg par g de glucose consommé Traces ethanol 250 Expérience 2 : air appauvri en dioxygène Ethanol Expérience 3 : absence de dioxygène Ethanol ,7 Une vérification moderne : résultat «EXAO» : - Moins il y a d O2, plus le rendement diminue, et plus de l éthanol apparaît dans le milieu - Sachant que l éthanol est une molécule carbonée (CH3 - CH2 - OH) (C2H5OH) qui représente encore kj par mole d'éthanol (énergie potentielle), on peut dire que dans le cytoplasme des cellules la glycolyse se poursuit par une réaction qui produit une molécule contenant encore de l énergie non extraite : l éthanol. Il s agit donc d une dégradation incomplète du glucose, (contrairement à la respiration qui produit CO2 et H2O, qui ne contiennent plus d énergie = extraction complète). Il s agit de la fermentation alcoolique. Etude expérimentale de la fermentation alcoolique Document 3 : Expérience 2 page 238. On peut écrire l'équation bilan de la fermentation alcoolique C6H12O > 2 CH3 - CH2OH + 2 CO2

6 LES ETAPES DE LA FERMENTATION 1. La fermentation débute dans le cytoplasme par la glycolyse: 2. Dans le cas de la fermentation alcoolique, l'acide pyruvique est d'abord décarboxylé (perte de CO2), le métabolite qui en résulte (l'éthanal) est ensuite réduit en éthanol avec régénération du transporteur: Ces réactions d'oxydo-réduction ne libèrent pas une quantité suffisante d'énergie pour permettre la synthèse d'atp. Donc seule la glycolyse produit de l'atp lors des fermentations. Glucose : C6H12O6 2ADP + 2pi 2ATP Acide pyruvique : 2 CH3COCOOH Ethanol: 2CH3CH2OH R+ RH2 Ethanal: 2 CH3CHO CO2 RESPIRATION COMPARAISON RESPIRATION - FERMENTATION ALCOOLIQUE METABOLISME FERMENTATION ALCOOLIQUE Glucose C6H12O6 Substrat Glucose C6H12O kj par mole de glucose Energie potentielle initiale kj par mole de glucose Aérobies (O2) Conditions Anaérobies 6 CO2 + 6 H2O Produits 2 CO2 + 2 CH3 - CH2OH 0 kj Energie potentielle finale kj par mole d'éthanol 36 moles par mole de glucose ATP produit 2 moles par mole de glucose

7 L absence de dioxygène stoppe le fonctionnement des mitochondries, le dioxygène étant l accepteur final des H+ et e-. Les molécules en C3 (acide pyruvique) qui s accumulent dans le cytosol sont alors transformées par les enzymes de la fermentation que la cellule se met à synthétiser. Selon l information génétique de la cellule, les enzymes de la fermentation synthétisées diffèrent: - les levures transforment les molécules en C3 en éthanol + CO2 - les cellules musculaires transforment ces mêmes molécules en C3 en acide lactique. Les transporteurs d hydrogène sont régénérés par la formation d éthanol ou d acide lactique. Par contraste avec l oxydation complète du substrat au cours de la respiration, grâce aux mitochondries, une oxydation incomplète est possible par fermentation. Elle produit un déchet organique, reste du substrat réduit, non totalement oxydé lors du processus dégradatif. Cette fermentation permet un renouvellement peu efficace mais réel des intermédiaires métaboliques, ce qui autorise dans le cas de la fermentation alcoolique, une vie sans oxygène.

8 NB : (Hors programme, seule la fermentation alcoolique est à connaître) : La fermentation dégrade une biomolécule et forme une nouvelle molécule organique. Certaines fermentations - Consomment du dioxygène, ce sont des fermentations aérobies: o La fermentation acétique est la plus connue. Des bactéries aérobies transforment le vin en vinaigre. De l éthanol est détruit, de l acide éthanoïque (CH3-COOH) apparaît. - Ne consomment pas de dioxygène, ce sont des fermentations anaérobies qui autorisent donc une vie sans dioxygène : o La fermentation alcoolique est réalisée par des levures. Les levures possèdent l équipement enzymatique capable d hydrolyser le saccharose et le maltose pour former du glucose et du fructose. Le plus fréquemment du glucose (C6 H12 O6) est détruit et de l éthanol (CH3-CH2-OH) est produit. Les applications commerciales de la fermentation alcoolique sont connues depuis l antiquité: c est ainsi que le pain, le vin et la bière sont fabriqués. o La fermentation lactique est réalisée par certains champignons et bactéries (utilisés pour la fabrication du yaourt ou du fromage) et par les cellules musculaires (voir cours suivant). Du glucose est détruit et de l acide lactique (CH3-CHOH-COOH) est produit.