Programme de Spécialité SVT - Métabolismes


Thème 3 - Diversité et complémentarité des métabolismes (10 semaines)

Autotrophie et hétérotrophie ont été identifiées en classe de seconde comme deux types majeurs de métabolismes chez les êtres vivants. Cette partie du programme de spécialité de la classe de terminale S donne l’occasion d’étudier le métabolisme à l’échelle de l’organisme et de la cellule. Elle conduit à une meilleure compréhension des phénomènes à l’origine de la synthèse des constituants moléculaires des cellules. La phase photochimique de la photosynthèse et la respiration mitochondriale sont des processus contribuant au renouvellement de molécules comme l’ATP utilisées lors des synthèses et activités cellulaires (transports, mouvements). L’étude de ces fonctions donne aussi l’occasion de compléter la construction du bilan structural et fonctionnel de la cellule en tenant compte des acquis des années précédentes, et d’aborder l’origine d'organites tels que mitochondries et chloroplastes.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES
NOTIONS ET CONTENUS
Observation ou documentation sur la structure d'un exemple d'écosystème, les différents êtres vivants qui constituent sa biocénose et les relations trophiques qui existent entre eux. Du carbone minéral aux composants du vivant : la photo-autotrophie pour le carbone
Dans les écosystèmes des relations trophiques s'établissent entre les producteurs primaires autotrophes et les divers producteurs secondaires hétérotrophes.

Étude d'une coupe de feuille. Localisation du parenchyme chlorophyllien et des stomates.
Étude en microscopie optique de chloroplastes.
Étude d'électronographies de chloroplastes.

Mise en évidence d'une production de matière organique et d'O 2 à la lumière en présence de CO 2 par des végétaux chlorophylliens.

Séparation de pigments photosynthétiques par chromatographie.
Étude des spectres d'absorption de pigments chlorophylliens.
Comparaison du spectre d'action et du spectre d'absorption pour un végétal.
Étude par ExAO des conditions du dégagement d'oxygène avec des cellules ou des chloroplastes isolés.

Réaction de Hill.

Les producteurs primaires de la planète utilisent le carbone du CO 2 atmosphérique pour constituer les chaînes carbonées, bases des composants du vivant.
Le carbone se trouve à l'état oxydé dans l'atmosphère et à l'état réduit dans la matière constitutive des organismes vivants.

Chez les végétaux supérieurs, le CO 2 de l'air pénètre dans les feuilles par les stomates et atteint les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de la réduction photosynthétique du CO 2 .

Le bilan des transformations (= ensemble de réactions biochimiques catalysées par des enzymes) peut s'écrire :
6 CO2 + 12 H2*O --->C6H12O6 + 6 *O2 + 6 H2O

La photosynthèse est la succession de deux phases :
- dans les thylakoïdes, une phase photochimique dans laquelle grâce à la collecte des photons par les pigments, un ensemble d'oxydo-réductions permet l'oxydation de l'eau, la production d'O 2 , de composés intermédiaires RH2 et ATP (adénosine triphosphate qui se construit à partir d'ADP et de phosphate inorganique) ;
- dans le stroma, une phase non photochimique permet l'incorporation et la réduction du CO 2 pour la synthèse de glucides. Elle nécessite un accepteur de CO 2 , de l'ATP et des composés réduits RH2 .

Limites : La notion de facteur limitant n'est pas au programme.
Le fonctionnement des centres photosynthétiques, des chaînes d'oxydo-réduction et de l'ATP synthase n'est pas au programme.

 

Mise en évidence d'amidon dans les chloroplastes.

Les composés glucidiques formés par la réduction du CO 2 sont exportés hors du chloroplaste vers le cytoplasme des cellules chlorophylliennes ; ils peuvent être temporairement stockés dans le chloroplaste sous forme d'amidon.
Dans la cellule chlorophyllienne, les produits initiaux de la photosynthèse permettent essentiellement la synthèse de saccharose mais aussi de tous les autres constituants chimiques des êtres vivants (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques…) grâce à un apport d'ions minéraux transportés par la sève brute.

Limites : L'étude des mécanismes et des supports de transport des sèves n'est pas au programme.
L'étude de l'absorption racinaire n'est pas au programme.
L'étude des synthèses des différents constituants des êtres vivants n'est pas au programme.
Mise en évidence de réserves dans des graines, des fruits, des organes souterrains. Le saccharose des cellules foliaires, en partie utilisé sur place, est majoritairement exporté hors des feuilles vers d'autres lieux d'utilisation telles que les cellules des zones en croissance et celles des zones de stockage de réserve (graines et organes de réserve, parties pérennes de la plantes, paroi cellulosique et bois).
Les zones non chlorophylliennes d'une plante se comportent comme des parties hétérotrophes d'un être autotrophe.

Observation de mouvements de cyclose.
Observation de contraction de fibres musculaires.
Étude d'électronographies de fibres musculaires.

 

Étude expérimentale de la respiration de suspensions
cellulaires.

Étude expérimentale de la respiration des mitochondries.

 L'ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire
À l'exception du chloroplaste qui effectue des synthèses à partir du carbone minéral, les activités des cellules animales et végétales se traduisent par des synthèses à partir de molécules organiques préexistantes (ex : le glycogène ), par des mouvements (fonctionnement d'un complexe actine-myosine). Toutes ces activités consomment des intermédiaires métaboliques, en particulier de l'ATP. L'ATP n'est pas stocké, mais régénéré aussi vite qu'il est détruit.
Dégradation des composés organiques et régénération des intermédiaires métaboliques
Toute cellule vivante, isolée ou non, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire ou fermentaire.
Dans le cas d'une molécule de glucose la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan des transformations :
C6H12O6 + 6 *O2 + 6 H2O ---> 6 CO2 +12 H2*O
La respiration comporte plusieurs réactions chimiques catalysées par des enzymes.
Au cours de ces réactions, la matière carbonée est minéralisée sous forme de CO 2
 

- La première étape est l'oxydation du glucose en pyruvate ; elle s'accompagne de la production de composés réduits R'H 2 (proches des composés RH 2 fabriqués au cours de la photosynthèse). Elle se déroule dans le hyaloplasme. L'énergie libérée permet par couplage la synthèse de deux molécules d'ATP par molécule de glucose oxydé.

C6H12O6 +2 R' ---> 2 CH3COCOOH+2 R'H2
2ADP + 2 Pi ---> 2 ATP
Étude d'électronographies de mitochondries.

- La deuxième étape se déroule dans la matrice des mitochondries. C'est une série de décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui s'accompagne de la production de composés réduits et de synthèse d'ATP.

2 CH3COCOOH+10 R'+6 H2O ---> 6 CO2 +10 R'H2
2 ADP + 2 Pi ---> 2 ATP
 

- La dernière étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries.
C'est l'oxydation par le dioxygène, des composés réduits produits dans les étapes précédentes. Elle est couplée à la production d'une importante quantité d'ATP.

12 R'H2 +6 O2 ---> 12 R'+12 H2O
32 ADP + 32 Pi ---> 32 ATP
Etude expérimentale de la fermentation alcoolique.

Par contraste avec l'oxydation complète du substrat liée 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.

Limites : Les fermentations autres que la fermentation alcoolique ne sont pas au programme.

A partir de documents, construction de schémas fonctionnels mettant en place les relations fonctions-structures au sein d'une cellule (utilisation des connaissances antérieures).		 Bilan structural et fonctionnel d'une cellule vivante
Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d'entrée et de rejet de matière, qu'accompagnent des conversions énergétiques.
La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières, catalysées par des enzymes spécifiques. La mitochondrie et le chloroplaste proviennent probablement de bactéries qu'une cellule hôte ancestrale
aurait adoptées comme endosymbiotes.
Le noyau, par l'information génétique qu'il contient, dirige la synthèse des protéines, et donc des enzymes nécessaires au métabolisme de la cellule.




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