Chapitre 6 : Le métabolisme des cellules

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Chapitre 6 : Le métabolisme des cellules

Fait par Mme B

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Activité 1

Quelques rappels de collège ...

Activité 1 : Le métabolisme de la respiration cellulaire

Mise en situation

Mise en situation

Ressources

Chez les organismes pluricellulaires, les cellules constituant les organes sont dites spécialisées. Elles ont des formes, des tailles et des positions différentes dans l'organisme. Elles produisent également des molécules spécifiques.

La spécialisation permet donc aux cellules de réaliser des fonctions qui leur sont propres.

Notre organisme est composé d'organes comme les muscles.

Le corps humain est composé de plus de 600 muscles différents. Lors d'un mouvement, différents muscles entrent en activité.

Sur cet écorché, des muscles du corps humains sont légendés. Ces muscles permettent le mouvements du pied et de la jambe.

Le muscle, un organe composé de tissus aux fonctions différentes

Les muscles se structurent en différents niveaux d'organisation.

Associées en faisceaux pour former le tissu musculaire, les cellules sont rendues solidaires par du tissu conjonctif qui a un rôle de soutien et de cohésion de l'organe.

Le tissu musculaire, un ensemble de cellules spécialisées

Le tissu du muscle strié squelettique est un ensemble de cellules spécialisées allongées appelées fibres musculaires. Ces cellules reliées aux os par les tendons sont indispensable à la fonction de locomotion.

Une cellule musculaire, observées au microscope optique

Les cellules musculaires mesurent en général plusieurs centimètres de long et se composent de plusieurs noyaux et de protéines qui dessinent des stries .

On peut observer un raccourcissement à l'échelle cellulaire, qui se traduit par un contraction du muscle.

La contraction des muscles striés squelettiques permet donc la réalisation du mouvement. Cette contraction nécessite de l'énergie.

On cherche à connaître les besoins nutritifs qu'une cellule a pour produire de l'énergie.

Des cellules musculaires observées au microscope avant et après l'effort

Une substance chimique permet de colorer en violet une forme de réserve du glucose appelée le glycogène. L'intensité de la coloration est proportionnelle à la quantité de cette molécule.

Des cellules musculaires observées au microscope avant un effort

Avant l'effort, on remarque que les cellules musculaires présentent une forte coloration violette.

Des cellules musculaires observées au microscope avant un effort

Or, on sait que la coloration violette met en évidence la présence d'une forme de réserve de glucose.

Des cellules musculaires observées au microscope avant un effort

On peut donc en déduire la présence en grande quantité de glycogène, et donc de glucose dans le muscle.

Des cellules musculaires observées au microscope après un effort

Après l'effort, on observe une atténuation de la coloration des cellules musculaires. On peut donc dire qu'elles présentent moins de glycogène

Des cellules musculaires observées au microscope après un effort

Ainsi, on en conclut que pendant l'effort, les cellules musculaires consomment du glycogène (et donc du glucose) pour fournir de l'énergie necéssaire à la réalisation de sa fonction.

Tous les êtres vivants ont besoin d’énergie pour assurer les fonctions nécessaires à la vie. Cette énergie est obtenue à partir de nombreuses transformations biochimiques se déroulant en permanence dans les cellules : c’est le métabolisme.

La respiration cellulaire est un élément essentiel du métabolisme chez de très nombreux êtres vivants (notamment chez les animaux, les végétaux verts, les champignons et les bactéries).

La respiration cellulaire permet la production d'énergie utilisable par les cellules, à partir de molécules organiques comme le glucose.

Une étude expérimentale de la respiration cellulaire

Les levures sont des êtres vivants unicellulaires eucaryotes. Leur métabolisme énergétique en condition aérobie (c’est-à-dire en présence d’oxygène) est comparable à celui des cellules musculaires.On parle alors d'organisme à métabolisme hétérotrophe.Elles sont utilisées en laboratoire comme organisme modèle.

Un organisme modèle est une espèce étudiée en laboratoire qui a un fonctionnement proche de celle d'une autre espèce, par exemple l'espèce humain. Les observations réalisées chez cet organisme modèle peuvent donc être, au moins partiellement, valables pour cette autre espèce. Ils permettent donc de réaliser simplement des études difficiles ou impossibles pour des raisons techniques ou éthiques.

Les organismes vivants à métabolisme hétérotrophe dépendent de la matière organique (comme le glucose) puisée dans leur environnement pour produire leur propre matière organique et répondre à leurs besoins énergétiques.

Une étude expérimentale de la respiration cellulaire

Saccharomyces cerevisiae ou plus communémment appelée "levure de boulanger ou levures de bière" est un champignon unicellulaire. Elles se reproduisent par bourgeonnement. Leur multiplication nécessite l'utilisation de matière organique (source à la fois de matière et d'énergie).

Saccharomyces cerevisiae, observées au microscope optique ( x1 000)

Les levures se reproduisent par bourgeonnement.En effet, les cellules gonflent, on peut voir apparaître un ou plusieurs bourgeons. C’est une cellule-fille qui se détache lorsqu’elle a atteint le volume de la cellule mère.

Problème : Comment une cellule hétérotrophe, comme la levure, assure-t-elle ces besoins énergétiques ?

Pour résoudre un problème scientifique, il faut travailler avec méthode et suivre la démarche scientifique suivante.

Hypothèse

Stratégie de résolution

Mise en oeuvre d'un protocole

Analyse des résultats d'expérience

Répondre au problème posé

Comment une cellule hétérotrophe, comme la levure, assure-t-elle ces besoins énergétiques ?

Hypothèse : Afin de répondre à ces besoins énergétiques, une cellule hétérotrophe, comme la levure, consomme du glucose grâce à la respiratoire cellulaire.

Pour résoudre un problème scientifique, il faut travailler avec méthode et suivre la démarche scientifique suivante.

Hypothèse

Stratégie de résolution

Comment une cellule hétérotrophe, comme la levure, assure-t-elle ces besoins énergétiques ?

Afin de répondre à ce problème, on peut proposer une stratégie expérimentale permettant de le résoudre. C’est le principe de la démarche de résolution.

Comment une cellule hétérotrophe, comme la levure, assure-t-elle ces besoins énergétiques ?

Une stratégie de résolution doit toujours faire apparaître trois étapes distinctes :

Ce que vous faites : C'est l’objectif principal de la manipulation que vous allez réalisez, afin de confirmer ou non votre hypothèse de base. Comment vous le faites : C’est la présentation de l’utilisation du matériel pour obtenir des résultats exploitables. Pensez au témoin.Ce à quoi vous vous attendez : Les résultats attendus

Ce que vous faites :

L’objectif de cette activité est de montrer quelle réaction biochimique permet aux levures de dégrader les molécules organiques comme le glucose pour produire de l'énergie nécessaire à la réalisation de leur fonction.

Comment vous le faites :

Afin de proposer une manipulation permettant de répondre au problème, il faut déjà prendre connaissance du matériel à notre disposition.

Retour à la tégie

Du matériel disponible en laboratoire

Cliquez sur les icônes pour voir les différents élements disponibles

On possède dans notre laboratoire des suspensions de levures Saccharomyces cerevisiae.

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On retrouve dans le laboratoire différents milieux de culture (riche ou appauvrit en matière organique , ...). Un milieu de culture est un support qui permet la culture de cellules afin de permettre leur étude. En principe, les cellules peuvent trouver dans ce milieu les composants indispensables pour leur multiplication en grand nombre.

On a à disposition des bandes de test au glucose qui permettent de quantifier les concentrations de glucose dans une solution.

Le Dispositif ExAO : dispositif d’Experimentation Assisté par Ordinateur

Grâce à diverses sondes (thermomètres, pHmètre ou encore capteurs de gaz) reliées à un ordinateur, le matériel ExAO permet de suivre, au cours du temps, l’évolution de différents paramètres comme la concentration en gaz dans un milieu. Les capteurs mesurent les variations du paramètre étudié et produisent un signal électrique qui sera convertit en signal numérique puis transmit a l’ordinateur. Un graphique s'affiche, en temps réel et permet ainsi de traduire cette évolution.

Un microscope optique et des lames de comptage

Le comptage manuel est la méthode de comptage la plus répandue dans les laboratoires, car elle est rapide et très facile à mettre en œuvre. Il nécessite un microscope optique et des lames quadrillées dites comptage.Ces lames particulières permettent de dénombrer dans un volume précis et connu, tous les éléments visibles à l’objectif 40 du microscope. En général, on utilise un rectangle de 20 carreaux pour réaliser le comptage des cellules.

Retour au laboratoire

Comment vous le faites :

On s'interesse à la manière dont les cellules eucaryotes hétérotrophes produisent leur énergie. Pour se multiplier les levures Saccharomyces cerevisae ont besoin d’énergie et de nutriments, qui se trouvent dans son milieu. Elles consomment du glucose grâce à des réactions biochimiques. A l'aide d'un dispositf ExAO, on va mesurer, en absence et en présence de glucose, l'évolution des concentrations en gaz dans un milieu contenant ces levures afin de déterminer les réactifs et les produits de cette transformation de glucose en énergie.

Comment vous le faites :

L'expérience, avec un milieu sans glucose, servira de témoin c'est-à-dire d'élément de comparaison avec notre expérience. Ainsi, si à la fin de l’expérience on obtient des résultats différents entre les 2 montages alors forcément c’est l’élément qui était différent au départ qui est responsable des résultats différents.Une expérience sans témoin est incomplète.

Ce à quoi vous vous attendez :

En présence de glucose, on s'attend à observer une diminution de la concentration de dioxygène et une augmentation de dioxyde de carbone dans le milieu. Ces résultats traduiraient bien une réaction de respiration cellulaire.

Une fois, la stratégie de résolution établie, il faut maintenant mettre en oeuvre un protocole précis.

Pour résoudre un problème scientifique, il faut travailler avec méthode et suivre la démarche scientifique suivante.

Hypothèse

Mise en oeuvre d'un protocole

Stratégie de résolution

Mise en oeuvre d'un protocole précis

Mise en oeuvre d'un protocole précis

Dans une enceinte close appelée "bioréacteur", on place une suspension de levures Saccharomyces cerevisae dans milieu liquide pauvre en glucose. Une sonde mesurant le taux de dioxygène et une autre la concentration en dioxyde de carbone sont intoduites dans cette enceinte.

Mise en oeuvre d'un protocole précis

On mesure la concentration de glucose dans la solution à l'aide d'une bandelette test glucose.Cette étape sera répétée à 2 et 5 mn après le début de l'expérience.

Mise en oeuvre d'un protocole précis

1 à 2 min après avoir lancer la mesure de la concentration des gaz, on injecte, à l'aide d'une seringue, du glucose dans le bioréacteur.On poursuit l'expérience sur 5mn.

Le protocole ainsi réalisé nous permet de récupérer des données exploitables utiles à la résolution du notre problème.

Pour résoudre un problème scientifique, il faut travailler avec méthode et suivre la démarche scientifique suivante.

Hypothèse

Analyse des résultats d'expérience

Stratégie de résolution

Mise en oeuvre d'un protocole

Analysons les résultats de ces expériences

Analysons les résultats de ces expériences

Mesure de la concentration de glucose

Mesure de la concentration de dioxygène

Mesure de la concentration de dioxyde de carbone

Observations microscopiques

Evolution de la concentration de glucose au cours de l'expérience

Evolution de la concentration de dioxygène au cours du temps

Evolution de la concentration de dioxyde de carbone au cours du temps

Observation des levures au microscope (grossissement 40)

Si on prolonge l'expérience sur deux heures , on remarque que le nombre de levures double.

La respiration cellulaire se manifeste donc par des échanges gazeux très caractéristiques avec le milieu. Mais cette réaction se réalise t-elle-n'importe où dans les cellules et de manière spontanée ?

Les cellules sont composées de différents compartiments également aussi nommés organites. Parmi ces organites on peut citer le noyau (chez les cellules eucaryotes), le cytoplasme, les mitochondries, ....).

Mitochondrie

Cytoplasme

Noyau

Pour connaître l'équipement cellulaire nécessaire à la respiration, c'est-à-dire le lieu de la respiration cellulaire, différents organites sont isolés par centrifugation. Les échanges gazeux respiratoires sont alors mesurés dans les différentes fractions cellulaires ainsi obtenues.

Lors de la respiration cellulaire, les molécules organiques, telles que le glucose, stockent de l'énergie chimique. Les cellules transforment progressivement ces molécules organiques en molécules plus simples stockant moins d'énergie. Cet ensemble de transformations biochimiques, ou voie métabolique, est rendu possible par l'action de molécules particulières appelées enzymes.

Avez-vous pu répondre à toutes les questions ?

Oui

NON

Mise en situation

Problème & hypothèse

Stratégie de résolution

Mise en oeuvre d'un protocole

Résultats d'expérience

Fun Facts

Fun Facts

L'homme qui produisait de l'alcool dans ses intestins

Etre boulanger, sans levure c'est compliqué !

Un animal qui survit 18 minites sans dioxygène !

Le rat taupe nu montre quelques signes de viellissement, il est résistant à plusieurs douleurs et surtout n'a jamais de cancers. Maintenant, les scientifiques ont découvert qu'il peut survivre près de 18 minutes sans dioxygène. Chez les autres mammifères connus, les cellules cérébrales meurent quand elles sont privées de dioxygène, se retrouvant ainsi à court d'énergie. Mais le rat taupe nu dispose d'un métabolisme qui change de mode de fonctionnement en utilisant comme sucre le fructose au lieu du glucose. Cela lui permet de créer suffisamment d'énergie pour assurer, pendant plusieurs heures, le fonctionnement des cellules d'organes essentiels comme le coeur et le cerveau.

Mais cet quoi cet animal ? C'est je crois un taupinet tondu ... ou plus communément appelé un rat taupe

Les intestins humains peuvent, dans des circonstances exceptionnelles, fermenter de l'éthanol à partir des sucres ingérés lors des repas. Un homme de 61 ans se plaignait de maux de tête et de vertiges. Alors qu'il assurait ne pas avoir consommé d'alcool, les résultats de l'éthylotest montraient un taux de 4 grammes d'alcool par litre de sang, soit huit fois plus que celui autorisé en France (0,5 grammes) ! Les tests ne mentaient pas, mais le sexagénaire non plus : il n'avait rien bu. Des chercheurs se sont intéressés à ce cas clinique et ont conclu que l'homme souffrait d'un rare «syndrome d'autofermentation», qui lui faisait produire de l'alcool à l'intérieur de l'organisme. Selon les médecins, ce symptôme serait dû à une infection bactérienne des intestins, qui ne permettrait plus l'élimination de Saccharomyces cerevisiae qui réalise en cas d'absence de dioxygène la fermentation alcoolique. L'Homme se sert d'ailleurs de ce métabolisme particulier pour produire du vin ou encore de la bière.

L'homme qui produisait de l'alcool dans ses intestins

Pour faire du pain, il faut beaucoup de farine, un peu de sel et de l'eau. Tous ces ingrédients sont importants mais pour que le pain gonfle, l'un d'eux est essentiel : la levure Saccharomyces cerevisiae.Dans un milieu privé air notamment dioxygène, en anaérobie, les levures absorbent le glucose - sucre - des éléments avec lesquels elles sont en contact. ensuite elles transforment ces sucres en éthanol et en dioxyde de carbone. c'est le processus de la fermentation alcoolique. L'éthanol s'évapore mais le dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone libéré par les levures est emprisonné dans la pâte et la fait gonfler.

Etre boulanger, sans levure c'est compliqué !

Les différents types de métabolismeLes organismes vivants à métabolisme hétérotrophe dépendent de la matière organique (comme le glucose) puisée dans leur environnement pour produire leur propre matière organique et répondre à leurs besoins énergétiques.Les organismes à métabolisme autotrophe sont capables de produire leur propre matière organique à partir de matière uniquement minérale (CO2, H2O, éléments minéraux).