TP 2 : Production d'énergie comparée selon les voies métaboliques (respiration et fermentation) Ressources

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Marie-Dominique Bouchard
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TP 2 : Production d'énergie comparée selon les voies métaboliques (respiration et fermentation) SUJET TYPE ECE Mise en situation et recherche à mener La respiration et la fermentation sont deux voies

1 TP 2 : Production d'énergie comparée selon les voies métaboliques (respiration et fermentation) SUJET TYPE ECE Mise en situation et recherche à mener La respiration et la fermentation sont deux voies métaboliques différentes utilisées par les levures : en conditions aérobies (avec O2), ces organismes unicellulaires ont un métabolisme respiratoire alors qu'en conditions anaérobies (sans O2), les levures présentent un métabolisme fermentaire. Ces deux voies métaboliques produisent l'énergie utilisable par les levures pour leurs activités. On cherche à montrer que le métabolisme respiratoire produit plus d'énergie que le métabolisme fermentaire. Ressources Les levures, champignons unicellulaires, se reproduisent par bourgeonnement : un ou deux petits bourgeons se forment sur une cellule, ces bourgeons évoluant pour devenir des cellules filles. Ensuite, chaque cellule-fille se détachera lorsqu elle aura atteint le volume de la cellule-mère. Cette multiplication cellulaire nécessite un apport d énergie que la levure peut se procurer par la consommation de glucides au cours de la fermentation ou de la respiration. Cellules de levure dans différentes étapes de division ( CNRS Photothèque / HERBERT, Christopher) Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation-problème Matériel disponible: - des solutions de levures en conditions de respiration ou de fermentation Matériel envisageable : - de laboratoire (verrerie, instruments ) - d observation (microscope, loupe binoculaire ) - de mesure et d expérimentation (balance, chaine ExAO ) - informatique et d'acquisition numérique Proposer et rédiger une démarche d investigation permettant de montrer que des levures produisent davantage d'énergie lorsqu'elles respirent (donc lorsqu'elles sont cultivées en milieu aérobie) que lorsque ces mêmes levures fermentent (donc lorsqu'elles sont cultivées en conditions anaérobies). Conseil : La démarche proposée doit indiquer les expériences ou mesures envisagées, les résultats attendus et la conclusion envisagée. Il ne s'agit donc pas de se limiter à la présentation d'un protocole expérimental!

2 Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables a. Mettre en œuvre les protocoles de comptage des 3 populations de levures (voir fiche protocole). b. Après chaque comptage d'une population de levures, appeler l enseignant pour vérifier les résultats obtenus; indiquer ce résultat au tableau. c. Afin de disposer de résultats significatifs, donc exploitables, réaliser une moyenne avec les résultats obtenus par chacun des groupes pour les 3 cultures étudiées. Ce sont ces résultats que vous présenterez (étape 3), puis exploiterez (étape 4). Etape 3 : Présenter des résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix, traiter les résultats obtenus (présenter les résultats communs) pour les communiquer. Conseil : il s'agit ici de présenter les résultats obtenus sous une forme claire, scientifique et rigoureuse. Vous avez le choix de la présentation en veillant à choisir une forme pertinente. Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Exploiter les résultats pour montrer que le métabolisme respiratoire fournit plus d'énergie que le métabolisme fermentaire.

3 Fiche protocole Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Matériel : - solution t0 : solution initiale de levures - solution Rt1 : solution de levures placées en conditions de respiration pendant une durée t1 - solution Ft1 : solution de levures placées en conditions de fermentation pendant la même durée t1 Les deux solutions t1 ont été obtenues à partir de la même solution t0 ; elles ont été enrichies en glucose afin que la respiration ou la fermentation ne soit pas bloquée. - 1 microscope - 1 lame de comptage kova - 1 micropipette avec 3 embouts - 1 feutre indélébile - 1 caméra adaptable sur les microscopes - poste informatique avec les logiciels Motic et Mesurim - fiche technique Mesurim - fiche technique Motic 1. Utilisation de la lame kova voir vidéo - repérer un puits non utilisé de la lame kova et le marquer à l'aide du feutre - bien agiter la solution de levures à étudier - prélever un volume de solution à l'aide d'une micropipette munie d'un embout propre - à l'aide de la micropipette, déposer la solution prélevée dans le puits repéré ; attention de bien déposer la goutte de solution dans l'emplacement prévu à cet effet (cf vidéo!!!) 2. Observation au microscope de la lame kova - réaliser la mise au point de telle manière à voir le quadrillage du puits, constitué de 9 cases, elles-mêmes divisées en 9 petits carrés - faire ensuite la mise au point sur une case afin de voir les levures réparties sur les 9 petits carrés 3. Acquisition d'image à l'aide de la caméra puis transfert de l'image (voir fiche technique jointe) - connecter la caméra sur l'ordinateur, puis ouvrir le logiciel Motic - capturer une image montrant les levures et les 9 petits carrés - enregistrer l'image sur le bureau 4. Utilisation du logiciel Mesurim pour le comptage (voir fiche technique jointe) - ouvrir le logiciel Mesurim, puis ouvrir l'image enregistrée sur le bureau - utiliser les fonctionnalités de comptage indiquées sur la fiche technique pour dénombrer les levures attention, il faut : - compter les levures situées dans 1 carré ainsi que celles situées à cheval sur les bords du haut et de gauche de ce même carré - réaliser le comptage sur 3 carrés différents puis calculer une valeur moyenne 5. Détermination de la concentration de levures - chaque carré ayant un volume précis de 0,0111 µl, la concentration de la solution en nombre de cellules par µl est obtenue en multipliant le nombre de cellules comptées par 90 Attention, il faut réaliser les mesures sur les 3 solutions N'oubliez pas de remplacer chaque embout de micropipette après usage!!

4 Proposition de correction Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation-problème Proposer et rédiger une démarche d investigation permettant de montrer que des levures produisent davantage d'énergie lorsqu'elles respirent (donc lorsqu'elles sont cultivées en milieu aérobie) que lorsque ces mêmes levures fermentent (donc lorsqu'elles sont cultivées en conditions anaérobies). Le document ressource met en évidence que la multiplication cellulaire nécessite un apport d énergie, énergie que la levure peut se procurer par fermentation ou par respiration. Aussi, pour montrer que la respiration produit davantage d'énergie que la fermentation, on peut envisager de comparer la multiplication de levures placées en condition de respiration (en aérobie) ou de fermentation (en anaérobie). Pour cela, on place des levures soit en conditions de respiration, soit en conditions de fermentation. On les laisse quelques jours se multiplier puis ensuite on détermine la concentration des deux solutions de levures afin de comparer les deux concentrations. Si l'hypothèse envisagée est correcte (respiration produit plus d'énergie que la fermentation), les levures qui respirent vont produire plus d'énergie que les cellules en fermentation, donc les levures en respiration vont davantage se multiplier que les levures en fermentation. Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables a. Mettre en œuvre les protocoles de comptage des 3 populations de levures (voir fiche protocole). b. Après chaque comptage d'une population de levures, appeler l enseignant pour vérifier les résultats obtenus; indiquer ce résultat au tableau. c. Afin de disposer de résultats significatifs, donc exploitables, réaliser une moyenne avec les résultats obtenus par chacun des groupes pour les 3 cultures étudiées. Ce sont ces résultats que vous présenterez (étape 3), puis exploiterez (étape 4). Réalisation pratique.

5 Etape 3 : Présenter des résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix, traiter les résultats obtenus (étape 2.c) pour les communiquer. Grâce aux mesures de comptage réalisées avec le logiciel Mesurim à partir de nos propres images, nous avons obtenu plusieurs valeurs de concentrations de levures. Nous avons réalisé plusieurs comptages pour une même solution de levures, valeurs mises en commun avec celles obtenues par les différents groupes. Nous avons alors pu calculer différentes valeurs moyennes de concentration de levures en multipliant les quantités de cellules mesurées par 90. Le tableau ci-dessous présente les valeurs moyennes de concentration de levures, exprimée en nombre de cellules par µl de solution. Solution Concentration de la solution (en nbre de cellules/µl) t t1 Respiration 9450 t1 Fermentation 6390 Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Exploiter les résultats pour montrer que le métabolisme respiratoire fournit plus d'énergie que le métabolisme fermentaire. Nous constatons que la concentration de la solution t1 Respiration est supérieure à celle de la solution t1 Fermentation. Cela signifie donc que les levures en respiration se sont beaucoup plus divisées que les levures en fermentation (les deux solutions ayant la même concentration de départ : t0). Or, nous savons que la multiplication cellulaire est d'autant plus importante que l'énergie disponible pour les cellules est en quantité élevée. Cela signifie donc que les cellules en fermentation disposent de moins d'énergie que les levures en respiration. Donc cela confirme que la respiration produit plus d'énergie que la fermentation, cette énergie permettant aux cellules en respiration de se diviser plus rapidement que les cellules en fermentation.

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