Synthèse des constituants organiques par les organismes hétérotrophes (animaux et végétaux non chlorophylliens)

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1 II) Synthèse des constituants organiques par les organismes hétérotrophes (animaux et végétaux non chlorophylliens) 1) L énergie dans le monde du vivant Sans énergie, aucune vie ne serait possible. En effet, tous les êtres vivants, plantes, animaux, microorganismes, utilisent de l énergie pour leur métabolisme, c est-à-dire pour le travail de synthèse et de dégradation des molécules organiques qui se déroule dans leurs cellules. Exercice : Pour se déplacer, un bateau à voile utilise l énergie du vent et une voiture l énergie contenue dans l essence qu elle consomme. D où proviennent l énergie utilisée par les plantes vertes et celle utilisée par les animaux? Réponse : Qu est-ce qu un organisme autotrophe? Qu est-ce qu un organisme hétérotrophe? L énergie chimique contenue dans les molécules organiques alimentaires est libérée dans l organisme du consommateur. Elle est utilisée en partie pour le travail des cellules et pour la production de chaleur, le reste est stocké dans les molécules organiques des tissus (graisses, glucides), sous forme d énergie chimique. Catégorie d aliments kj par 100 g de matière sèche Beurre Miel Morue Pomme de terre Confiture Œuf Haricot sec Chocolat Janvier

2 Exercice : a) Quels sont les aliments les plus énergétiques? BPREA Biologie b) Quelle(s) famille(s) de molécules organiques ces aliments contiennent-ils? La matière organique, source d énergie : - 1g de glucide contient 17 kj ou 4 kilocalories - 1g de protides contient 17 kj ou 4 kilocalories - 1g de lipides continent 38 kj soit 9 kcal (Remarque : 1 calorie = 4.18 joules) Le circuit de l énergie dans le monde vivant comprend deux étapes essentielles : Gg Gg Respiration cellulaire : Fermentation : 2) La respiration cellulaire a) Mécanisme général de la respiration cellulaire Où se déroule la respiration cellulaire? Janvier

3 On peut comparer la réaction de la respiration cellulaire à celle de la combustion d'un morceau de bois. Dans un feu, l'oxygène contribue à activer la combustion et il en résultera un dégagement d'énergie, surtout sous forme de chaleur, et un rejet d'eau et de gaz carbonique. On peut aussi dire qu'il s'agit de la réaction inverse de la photosynthèse. Photosynthèse et respiration cellulaire sont complémentaires : Janvier

4 L'équation de la réaction de respiration cellulaire est la suivante : BPREA Biologie Utiliser les termes suivants dans l équation bilan : Glucose Chaleur Eau Oxygène Dioxyde de carbone Conclusion : b) Zoom sur l ATP Pendant que vous lisez ce paragraphe, presque toutes les cellules de votre organisme (des milliards!) effectuent de multiples travaux : transport de molécules au travers des membranes des cellules, réactions chimiques, divisions cellulaires, synthèse de protéines, déplacement, etc. Toute cette activité représente un coût énergétique élevé, acquitté sous forme d ATP. Pour qu une cellule soit active, il lui faut des millions de molécules d ATP par seconde pour réaliser ses réactions biochimiques. On peut dire que l ATP est la monnaie d échange de l énergie des organismes vivants. L'ATP (adénosine-triphosphate) est une molécule constituée d'adénine liée à un ribose qui, lui, est attaché à une chaîne de trois groupements phosphate. Comment l ATP produit-elle de l énergie? L'ATP est une molécule riche en énergie qui libère son énergie en se convertissant en ADP (adénosine-diphosphate). Le mécanisme consiste au transfert d'un groupement phosphate sur une autre molécule et l'atp devient alors l'adénosine-diphopshate (ADP). Janvier 2016 Cycle de l ATP 4

5 c) Respiration au niveau de l organisme BPREA Biologie La respiration à l échelle de l organisme s effectue par des échanges gazeux ayant lieu au niveau des tissus pulmonaires. L oxygène est alors véhiculé et distribué à l ensemble des cellules de l organisme grâce à l hémoglobine, grosse protéine des globules rouges du sang. Le dioxyde de carbone produit est évacué de la même manière, transporté par l hémoglobine et rejeté au niveau des poumons. La consommation d oxygène est fonction de l intensité de la respiration, elle-même liée à l activité de l animal, à son poids, à son espèce. Les végétaux aussi respirent! Les plantes vertes élaborent leurs constituants organiques grâce à la photosynthèse en consommant du CO 2 et en libérant de l O 2. Elles doivent cependant couvrir leurs dépenses de fonctionnement en dégradant une partie de leurs composés organiques. Pour cela, elles respirent, consommant de l O 2 et rejetant du CO 2. Néanmoins, l intensité de la photosynthèse est 10 à 15 fois supérieure à celle de la respiration, si bien que la quantité d oxygène consommé est largement compensée par la quantité produite. Après 1 heure de photosynthèse en phase lumineuse, une plante a dégagé autant d oxygène qu elle en a consommé la nuit. d) En résumé : Autotrophes : Hétérotrophes : But de la respiration cellulaire : Lieu de la respiration cellulaire : Mécanisme de respiration cellulaire : Equation bilan respiration cellulaire : Janvier

6 3) La fermentation a) Principe de la fermentation C est la première voie de fourniture d énergie élaborée par les êtres vivants primitifs, elle est encore utilisée par de nombreux micro-organismes, bactéries et champignons. Ces micro-organismes sont pour la plupart anaérobies, c est-à-dire qu ils peuvent vivre dans un milieu dépourvu d oxygène. Mécanisme de la fermentation : Principaux sous-produits d une fermentation : Principale différence avec la respiration : La dégradation des molécules étant incomplète, la quantité d ATP produite (nécessaire au métabolisme des micro-organismes) est faible. Il faut donc une grande quantité de substances organiques pour couvrir les besoins des microorganismes fermenteurs. b) Comparaison entre respiration et fermentation Le bilan de la fermentation est le suivant : 1 mole de glucose C 6 H C 2 H 5 OH + 2 CO ATP + chaleur 100 kj stockés dans 2 moles d ATP Janvier

7 Exercice : Comparez les processus de respiration et de fermentation : Respiration Fermentation c) Principales fermentations On distingue plusieurs types de réactions de fermentation par la nature des produits de la réaction. Exercice : Beaucoup de fermentations font partie de la vie courante. Citez-en deux, ainsi que les produits qu elles permettent d obtenir. Janvier

8 4) Fermentations et production agricole a) Exemples de l intérêt d une fermentation BPREA Biologie L'homme a mis à profit les phénomènes de fermentation pour conserver certains aliments et en transformer d'autres en améliorant leurs qualités nutritionnelles ou organoleptiques. De très nombreux aliments fermentés existent actuellement (plusieurs milliers) parmi lesquels pêlemêle : yaourts, fromages, saucisson, choucroute, pain, vin, cidre, bière mais aussi cacao, thé, café pour ne citer que quelques aliments courants dans nos régions. Voici quelques exemples de fermentations utilisées en agriculture : L ensilage La fermentation lactique Comment définissez-vous l ensilage? Quel est le mécanisme d une fermentation lactique? Pourquoi l environnement créé est-il propice à la conservation? Exemples d utilisation de la fermentation lactique : Quels sont les facteurs pouvant nuire à la réussite de l'ensilage? Janvier

9 Il est souhaitable d'obtenir une bonne fermentation pour deux raisons : afin de préserver les éléments nutritifs nécessaires à une bonne alimentation du bétail; afin de minimiser les pertes en matière sèche du fourrage survenant lors du processus de fermentation et lors de la reprise de l'ensilage. Ces pertes peuvent se chiffrer entre 12 % et 15 % avec une bonne fermentation, et beaucoup plus avec une mauvaise fermentation. Les pertes dues à la dégradation du fourrage peuvent être importantes. Janvier

10 La vinification Janvier

11 Quelles sont les deux types de fermentations intervenant dans la vinification? Principe de la fermentation alcoolique : Principe de la fermentation malolactique : La fermentation alcoolique La fermentation alcoolique est un processus biologique complexe qui se résume comme suit : D où provient l éthanol? Quel est le rôle des levures? La Champagne utilise globalement 3 à 5 souches de levures différentes qui sont préparées, comptées et contrôlées avant le levurage. Les levures sont ajoutées au moût sous forme liquide appelé " levain ". Ce levain est un mélange de levures, de vin et de phosphate diammonique (nécessaire au bon développement des levures). Afin de garder le maximum de caractères organoleptiques au vin (alcools supérieures très volatiles) et d'éviter des arrêts de fermentation pouvant être provoqués par des élévations trop importantes de température, il est nécessaire de maintenir dans les cuves une température comprise entre 15 et 22 C ; 18 C étant la température optimale. Pour cela, les cuves sont généralement équipées de serpentins où l'on fait circuler de l'eau froide. Tout ceci dans le but d'obtenir une fermentation régulière abaissant progressivement la teneur en sucres réducteurs à une quantité inférieure à 2 g/l, indiquant la fin de fermentation. Le vin de base obtenu présente un degré alcoolique compris entre 10 et 11. La fermentation est suivie quotidiennement par la mesure de la température et de la densité ; quand cette dernière est en dessous de 1 la fermentation est considérée comme terminée. L orge germé et séché donne le malt qui est la matière bien connue servant à la fabrication de la bière. Le whisky écossais provient de l orge et le whisky canadien, du maïs. On utilise parfois l amidon de pomme de terre, en complément du malt, pour la fermentation alcoolique (vodka). Janvier

12 La fermentation malolactique BPREA Biologie Cette fermentation est facultative mais est souvent pratiquée. La fermentation malolactique consiste en une dégradation biologique de l'acide malique en acide lactique sous l'action des bactéries lactiques. Elle permet de diminuer l'acidité du vin car un acide fort (acide malique) est transformé en un acide faible (acide lactique). Celle-ci est favorisée par l'emploi dans la vendange de faibles doses d'anhydride sulfureux et par une température oscillant entre 16 et 18 C. En effet, le SO2 joue le rôle d'antioxydant et inhibe l'activité des bactéries lactiques. La fermentation malolactique est généralement recherchée afin d'éviter qu'elle se déroule au cours de la prise de mousse ou du vieillissement ce qui entraînerait des difficultés lors du remuage. Cependant même si elle est favorable à la qualité de certains vins particulièrement acides, elle peut aussi conduire à des vins manquant de fraîcheur, facilement oxydables et de tenue insuffisante. Méthanisation Janvier

13 b) Fermentation indésirable La fermentation des butyriques et l éclatement du fromage La forme la plus courante de la fermentation butyrique, aussi appelée gonflement tardif, est provoqué par des bactéries du genre Clostridium. Les premiers signes de fermentation butyrique sont généralement visibles après 6 à 10 semaines d affinage. Cela se manifeste au travers d un goût rance et, très souvent par un gonflement des fromages dû à une forte production de gaz. Même lorsqu ils ne présentent presque pas de modifications visibles, les fromages touchés par la fermentation butyrique sont pratiquement invendables. C est pourquoi on peut qualifier les bactéries Clostridium de véritable «destructeurs de fromage». Sources de contamination : Les clostridies se trouvent naturellement dans les sols et les eaux des lacs et des rivières. Dans les sols, la quantité de spores peut varier entre quelques milliers et plusieurs millions par gramme, suivant le type de fumure et d engrais appliqués. Les clostridies se multiplient partout où règnent des conditions anaérobies, en présence d humidité et de matériaux organiques. On trouve de telles conditions dans les biotopes suivants : Fourrages ensilés, spécialement lors de mauvaise acidification et d ensilages mouillés Fourrages en fermentation et restes de fourrages verts, pulpes de betteraves et de fruits Tas de fumier et de compost Bourbiers dans les aires de promenade et les pâturages Places mouillées sous les couches Eaux sales et stagnantes La teneur en clostridies des ensilages varie entre quelques centaines et un million de spores / gr. Un ensilage de qualité en contiendra généralement moins de 1'000, ce qui est suffisant pour contaminer le lait, en particulier si l hygiène d étable et de traite est insuffisante. Les bouses de vaches contiennent jusqu à 5 fois plus de sporulés anaérobies que le fourrage qu elles ont ingéré, ce qui signifie qu un enrichissement se produit dans le tube digestif. Pour cette raison, les particules d excrément fixés aux mamelles et au pelage, sur les litières ainsi que les vêtements et les mains souillés des trayeurs sont les sources de contamination les plus importantes. Dans certains cas, on chauffe le lait (pasteurisation) pour détruire la plus grande partie des germes indésirables. On doit alors réensemencer le lait en bactéries lactiques pour fabriquer des fromages. Janvier

14 c) En résumé Janvier