CHAPITRE 4 : L UNITE FONCTIONNELLE DU VIVANT

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1 Sciences de la Vie et de la Terre Classe de 2 nde générale et technologique Thème 1 : La Terre dans l univers, la vie et l évolution du vivant La Terre, une planète habitée CHAPITRE 4 : L UNITE FONCTIONNELLE DU VIVANT La cellule est la plus petite unité au niveau de laquelle la vie est observable : c est en effet une structure capable de se développer, de se reproduire et d évoluer. La vie de la cellule est liée à de nombreuses réactions chimiques qui se déroulent en son sein et définissent son métabolisme. Néanmoins, la cellule n est pas indépendante de son environnement : c est un espace délimité par une membrane à travers laquelle se produisent les échanges d énergie et de matières indispensables à son métabolisme. Ø Qu est-ce que le métabolisme et quels sont les facteurs qui peuvent conditionner le métabolisme cellulaire? I/ Généralités sur le métabolisme Le métabolisme est défini par l ensemble des réactions chimiques se déroulant à l intérieur d une cellule. On distingue deux sortes de réactions métaboliques : Ø Les réactions de dégradation des macromolécules (= grosses molécules) en molécules plus petites libèrent de l'énergie. Une partie de l énergie sert à produire un travail l autre partie peut être dissipée sous forme de chaleur. Ces réactions de dégradation sont appelées catabolisme. L'hydrolyse est une réaction chimique entraînant la dégradation d'une molécule. Ø Les réactions de biosynthèse (= fabrication) des molécules ont besoin d'énergie pour se dérouler. Ces réactions de synthèse forment l'anabolisme. On appelle assimilation la fabrication par l'organisme de nouvelles molécules à partir des nutriments. Exemple : fabrication de nouvelles protéines à partir des acides aminés. Ces réactions consomment de l énergie. 1

2 Deux grands types de métabolisme Selon les substances qu elles prélèvent dans leur environnement pour produire les matières organiques nécessaires à leur fonctionnement et à leur croissance, les cellules présentent deux types de métabolismes : v Les cellules autotrophes ne prélèvent que des substances minérales. Elles produisent leur matière organique (protides, lipides, glucides) à partir de composés purement minéraux puisés dans le milieu environnant et une source d énergie externe. Cette énergie nécessaire à la synthèse des matières organiques peut provenir de la lumière, comme c est le cas pour les cellules chlorophylliennes. v Les cellules hétérotrophes prélèvent des substances minérales et des substances organiques ; c est à partir de ces dernières qu elles tirent l énergie nécessaire à la synthèse de leur matière organique. A chaque métabolisme, une organisation cellulaire Les organites présents dans les cellules eucaryotes sont impliqués dans le métabolisme de ces cellules. Les cellules possédant des chloroplastes (cellules végétales) sont capables d autotrophie, les cellules possédant uniquement des mitochondries sont hétérotrophes. Les chloroplastes, que l on rencontre dans les cellules végétales sont des organites ovoïdes qui contiennent de la chlorophylle (molécule de couleur verte capable de capter l énergie lumineuse), qui permet à la cellule de construire sa propre matière organique à partir d éléments minéraux comme l eau, le dioxyde de carbone et les sels minéraux par un processus appelé photosynthèse. 2

3 Les mitochondries, petits organites en forme de bâtonnet dont la membrane interne émet des replis ou «crêtes internes», sont capables d extraire l énergie contenue dans la matière organique puisée par la cellule dans son environnement. Cette source d énergie permet à la cellule hétérotrophe de produire sa propre matière organique. BILAN : Le métabolisme correspond à l ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules de l organisme Grâce à sa membrane plasmique perméable, la cellule réalise des échanges entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Certaines réactions métaboliques sont des des réactions de dégradation de molécules (catabolisme) alors que d autres sont des réactions de synthèse (anabolisme). Le métabolisme hétérotrophe est un métabolisme permettant de fabriquer de l'énergie à partir de matière organique puisée dans le milieu (cas des cellules animales). La mitochondrie est le siège d un métabolisme hétérotrophe. Le métabolisme autotrophe est métabolisme permettant de fabriquer de l'énergie à partir de matière organique fabriqué par la cellule elle-même, grâce à la photosynthèse (cas des cellules végétales). Le chloroplaste est le siège d un métabolisme autotrophe II/ Le métabolisme cellulaire est contrôlé par le milieu extracellulaire (environnement) a) Les conditions du milieu : l exemple de la présence de dioxygène Pasteur, en 1857, a montré que la levure de bière (Saccharomyces cerevisae) est un organisme qui se développe en se multipliant dans une solution de glucose bien aérée. Ce champignon absorbe du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone, on dit que la levure respire. C'est un organisme qui se développe en aérobiose. Lorsque les conditions environnementales sont modifiées : milieu clos sans dioxygène en présence de glucose, ces mêmes levures consomment le glucose tout en rejetant du dioxyde de carbone et de l'alcool éthylique. On dit que la levure fermente et qu'elle se développe en milieu anaérobie. La levure, en fonction des conditions du milieu, a la capacité de respirer ou de fermenter. Le passage de la respiration à la fermentation est réversible. En présence de dioxygène, la levure peut à nouveau respirer. Cette alternance constitue l'effet Pasteur. Un métabolisme en aérobiose : la respiration En présence de dioxygène (aérobiose), la levure permet la production d énergie utilisable par la cellule à partir de molécules organiques (comme le glucose) : c est la respiration cellulaire. Ce métabolisme est un métabolisme hétérotrophe (il se fait à partir de molécules organiques) qui se déroule au niveau de la mitochondrie. Cette transformation s accompagne, entre autre, de la production d eau (H 2 O) et une libération de CO 2. Equation bilan de la respiration cellulaire : C 6 H 12 O 6 (glucose) + 6O 2 à 6CO 2 + 6H 2 O 3

4 Un métabolisme en anaérobiose : la fermentation En l absence de dioxygène (anaérobiose), les levures ne peuvent pas dégrader totalement la matière organique (comme le glucose) en matière minérale. On dit qu elles réalisent une fermentation. Ce métabolisme est un métabolisme hétérotrophe (il se fait à partir de molécules organiques) qui se déroule dans le cytoplasme des cellules. Les levures peuvent réaliser deux types de fermentation : la fermentation lactique et la fermentation alcoolique. Dans le cadre de la fermentation alcoolique, la levure rejette du CO 2 et de l éthanol. Equation bilan de la fermentation alcoolique : C 6 H 12 O 6 (glucose) à 2CO 2 + 2C 2 H 6 O (éthanol) Equation bilan de la fermentation lactique : C 6 H 12 O 6 (glucose) à 2C 3 H 6 O 3 (acide lactique) Mise en évidence expérimentale Des levures sont cultivées dans un milieu contenant de l eau et des sels minéraux. Elles sont placées dans un bioréacteur (dispositif EXAO) ce qui permet, à l aide d une sonde oxymétrique, de mesurer l évolution de la concentration en dioxygène dans la culture au cours du temps. Une minute après le début de la mesure, du glucose est introduit dans le milieu de culture. 4

5 On utilise deux sondes pour identifier le métabolisme en question : - Une sonde oxymétrique mesurant la concentration en dioxygène - Une sonde à éthanol (ce qui permet de repérer le début de la fermentation) Variation de différents paramètres dans 5 ml d'une suspension de levures 40 O2, éthanol, CO2 (mg / ml) Glucose (u.a) 30 Glucose CO Éthanol O Temps (sec.) On peut ainsi observer une diminution de la concentration en dioxygène en même temps qu une consommation de glucose. On peut en déduire que les levures utilisent ce glucose, en consommant du dioxygène, et libèrent du dioxyde de carbone. Ces conditions sont en aérobiose (métabolisme respiratoire). Dans un second temps, lorsque les conditions sont en anaérobiose, la consommation de glucose est diminuée et de l éthanol est libéré (fermentation). Les conditions du milieu (ici présence ou absence de dioxygène) contrôlent le déroulement des activités métaboliques (respiration ou fermentation) chez la levure (Saccharomyces Cerevisiae). Conditions du milieu Glucose + dioxygène (milieu aérobie) Glucose + absence de dioxygène (milieu anaérobie) Métabolisme RESPIRATION Consommation de dioxygène, du glucose et production d eau et de CO 2 FERMENTATION Consommation de glucose et production de CO 2 et d éthanol (alcool) b) L influence de l environnement : l exemple des euglènes Les euglènes sont des algues unicellulaires chlorophylliennes mobiles qu il est possible de cultiver dans un milieu liquide approprié. Deux lots d euglènes sont cultivés dans des milieux de composition différente. Les deux cultures sont placées à la lumière. On évalue au bout de quelques jours, par comptage, la croissance des euglènes. 5

6 LOT Composition du milieu de culture Résultat A Eau Le nombre d euglènes a diminué B Eau + sels minéraux Le nombre d euglènes a été multiplié par 10 On peut observer que la croissance ne s est déroulée que lorsque le milieu de culture contient des sels minéraux. On peut donc en déduire que les euglènes placées à la lumière ont utilisés les sels minéraux prélevés dans leur environnement pour fabriquer leur propre matière organique. On réaliser une seconde série d expériences LOT Composition du milieu de culture Conditions d éclairement Résultat B Eau Culture placée à la lumière Le nombre d euglènes a été multiplié par 10 C Eau + sels minéraux Culture placée à l obscurité Le nombre d euglènes a diminué D Eau + sels minéraux + glucose Culture placée à l obscurité Le nombre d euglènes a été multiplié par 10 On observe que la croissance des euglènes ne s est pas déroulée dans le milieu C. La seule différence entre les milieux B (témoin) et C étant la lumière, on peut en déduire que c est en exploitant l énergie lumineuse que les euglènes peuvent fabriquer leur propre matière en utilisant des sels minéraux. Ce métabolisme est la photosynthèse. On observe que la croissance des euglènes s est déroulée dans le milieu D malgré l absence de luminosité. En comparant ce résultat à celui obtenu dans le milieu C dépourvu de glucose (témoin), on peut en déduire que les euglènes placées à l obscurité ont utilisé le glucose qu elles ont prélevé dans leur environnement pour fabriquer leur propre matière (mise en évidence de la respiration cellulaire). Focus sur la photosynthèse Certaines parties des végétaux verts, appelées parties chlorophylliennes (face supérieur des feuilles généralement) peuvent capter la lumière solaire afin de la convertir en énergie chimique utilisable pour synthétise de la matière organique : c est la photosynthèse. L organite responsable de ce mécanisme est le chloroplaste. Le dioxyde de carbone est intégré dans la matière organique grâce à l énergie chimique fabriquée à partir de la lumière. Il est la source de carbone et d oxygène nécessaire à la fabrication des sucres, molécules organiques synthétisées par la plante (comme par exemple le glucose). L équation bilan simplifiée de la fabrication d une molécule de glucose par photosynthèse s écrit donc ainsi : L eau (H 2 O) est nécessaire à la photosynthèse. Le dioxygène (O 2 ) est un produit de la réaction, rejeté comme déchet. En plus des sucres, la plante fabriquer des lipides, des acides nucléiques, des protides, ce qui nécessite l apport d azote, de soufre, de phosphore par exemple. Ces éléments sont apportés par les sels minéraux puisés dans le sol grâce aux racines. Il y a donc chez les euglènes, selon la présence ou non de lumière, une variation dans la nature (minérale ou organique) de la matière utilisée pour la croissance cellulaire. Cela prouve qu un facteur environnemental (ici les conditions d éclairement) peut modifier le métabolisme cellulaire (respiration ou photosynthèse). 6

7 Conditions du milieu Eau + sels minéraux présence de lumière Glucose + dioxygène absence de lumière Métabolisme PHOTOSYNTHESE Consommation de CO 2 et de sels minéraux et production de dioxygène et de matière organique RESPIRATION Consommation de dioxygène, du glucose et production d eau et de CO 2 BILAN : Le métabolisme cellulaire dépend des conditions environnementales. Le métabolisme peut par exemple dépendre de la présence ou non de dioxygène (aérobiose ou anaérobiose). Les levures peuvent alors réaliser un métabolisme respiratoire ou fermentaire. De la même façon, les conditions d éclairement peuvent influencer sur le métabolisme cellulaire. C est ainsi que des organismes chlorophylliens, tels que les euglènes, pourront réaliser la photosynthèse s ils sont placés à la lumière ou la respiration à l obscurité. C est ainsi que les facteurs du milieu peuvent contrôler le métabolisme cellulaire. III/ Le métabolisme cellulaire est sous contrôle du programme génétique Dans une population cellulaire en croissance, le type de métabolisme pratique par les cellules (autotrophie ou hétérotrophie) se maintient au cours du temps : le type d organites présents dans le cytoplasme et le type de métabolisme sont transmis de génération cellulaire en génération cellulaire. Dans certaines souches d organismes unicellulaires, une modification d une caractéristique métabolique peut être observée. Si elle est permanente et conservée au fil des générations, alors elle due à une altération du programme génétique de la cellule. a) L exemple des levures ADE2 Chez la Levure, on connaît des souches qui sont différentes par la couleur des colonies qu'elles forment en milieu solide (sur de la gélose dans une boîte de Pétri) : il existe des colonies blanches (colonies sauvages) et des colonies rouges (colonies mutantes). Cette différence de phénotype (ensemble des caractères observables d'un individu) macroscopique entre les deux souches de levure est due à une différence biochimique en lien avec leur capacité de synthétiser ou non de l'adénine à partir de précurseurs présents dans le milieu. 7

8 La chaîne de fabrication de l'adénine est complexe et comprend de nombreuses étapes que le schéma ci-dessous résume. Chez la souche mutante, la chaîne de réaction est bloquée à une étape où le produit intermédiaire formé (AIR) est de teinte rose (en milieu aérobie). C'est son accumulation dans une cellule de levure qui confère à celle-ci une couleur légèrement rose (la couleur rouge de la colonie est due à un effet de masse). C'est une mutation du gène ADE2 qui est à l'origine de cet arrêt de synthèse de l'adénine et de l'accumulation du composé coloré. La levure (Saccharomyces Cerevisae) a ainsi la capacité d'utiliser ou non les précurseurs de l'adénine dans le milieu en fonction de son patrimoine génétique. Cet exemple montre le rôle du patrimoine génétique sur le métabolisme cellulaire. b) L exemple des levures Rho- Une autre étude expérimentale porte sur la modification du métabolisme respiratoire de la levure. Pour cela, on utilise deux souches différentes de levures : des levures sauvages ainsi que des levures de la souche Rho-, dont le patrimoine génétique est différent de celui des levures sauvages. Trois milieux sont utilisés : Ø MILIEU A : eau + sels minéraux et levures sauvages. Ø MILIEU B : eau + sels minéraux, glucose et levures sauvages Ø MILIEU C : eau + sels minéraux, glucose et levures mutantes "rho-" (les mitochondries de ces mutantes sont anormales). 8

9 Résultats de l expérience Analyse des résultats : - Milieu A : On observe que sans glucose, la concentration de dioxygène est quasiment stable. On peut en conclure que les levures ont besoin de glucose pour respirer (donc pour consommer du O 2 ). - Milieu B : On observe une diminution importante de la concentration en O 2 dans l'enceinte en présence de la souche sauvage de levure. On peut en conclure que les levures sauvages consomment du O 2 en présence de glucose, donc elles respirent! - Milieu C : On observe une concentration presque stable de la concentration en O 2. On peut en conclure que les levures mutantes rho- ne respirent pas, donc elles ne consomment pas le O 2. Conclusion : On peut remarquer que dans le cas de levures Rho-, l addition de glucose ne provoque pas de diminution de la concentration en dioxygène dans le milieu de culture, contrairement aux levures de la souche sauvage. Autrement dit, les levures Rho-, à la différence des levures sauvages (témoin) n ont pas métabolisé le glucose. Cela prouve qu une modification du patrimoine génétique peut modifier le métabolisme cellulaire. BILAN : Le métabolisme dépend du patrimoine génétique. Lorsque certains gènes sont absents ou non fonctionnels, certaines molécules ne peuvent plus être synthétisées et/ou utilisées. La cellule n est alors plus capable de réaliser certaines réactions chimiques, ce qui modifie son métabolisme. De nombreuses transformations chimiques se déroulent donc à l intérieur de la cellule : elles constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les conditions du milieu et par le patrimoine génétique. L unité fonctionnelle des cellules des êtres vivants est donc un indice de leur parenté. 9

10 BILAN GENERAL DU CHAPITRE La vie de la cellule est liée à de nombreuses réactions chimiques qui se déroulent en son sein et définissent son métabolisme. Néanmoins, la cellule n est pas indépendante de son environnement : c est un espace limité par une membrane à travers laquelle se produisent les échanges d énergie et de matières indispensables à son métabolisme. Chez certains mutants, c est à dire des organismes, dont l information génétique est modifiée, le métabolisme est différent. L effet de ces mutations montre bien que la capacité d une cellule à réaliser un échange avec son milieu dépend de son information génétique. D autres expériences montrent que le métabolisme d une cellule dépend aussi des conditions du milieu environnant. L unité cellulaire atteste de la parenté entre tous les êtres vivants. 10

11 Cellules hétérotrophes Cellules autotrophes 11