Objectifs

• Comprendre que la cellule est un système ouvert qui échange matière et énergie avec son milieu.
• Connaître le rôle de la membrane plasmique dans ces échanges.
• Distinguer les cellules autotrophes (photosynthèse) et hétérotrophes (respiration, fermentation).
• Écrire et exploiter les bilans de la photosynthèse, de la respiration et de la fermentation alcoolique.

1. La cellule, un système ouvert

La cellule est l'unité de base du vivant. Elle est limitée par une membrane plasmique qui la sépare du milieu extérieur, mais qui laisse passer certaines substances : c'est une frontière sélective, comme le gardien d'un marché qui laisse entrer les commerçants mais pas n'importe qui.

On dit que la cellule est un système ouvert : elle prélève sans cesse des substances dans son environnement et y rejette d'autres substances.

• Entrées : eau, ions minéraux, nutriments (glucose, acides aminés), dioxygène \(\ce{O2}\), et pour les cellules chlorophylliennes, dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\) et énergie lumineuse.
• Sorties : \(\ce{CO2}\), eau, déchets (comme l'urée), chaleur, et pour les cellules chlorophylliennes, \(\ce{O2}\).

L'ensemble des transformations chimiques qui se déroulent dans la cellule s'appelle le métabolisme.

Légende cette cellule végétale : repère les organites où se font les échanges et les transformations.

2. Les cellules autotrophes : la photosynthèse

Une cellule autotrophe fabrique sa matière organique à partir de matière minérale seulement. C'est le cas des cellules chlorophylliennes des feuilles. Dans les chloroplastes, l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique stockée dans le glucose : c'est la photosynthèse.

Analogie : le chloroplaste est un panneau solaire qui, au lieu de charger une batterie, « charge » des molécules de glucose.

3. Les cellules hétérotrophes : respiration et fermentation

Une cellule hétérotrophe doit prélever de la matière organique (glucose…) dans son milieu. Elle en tire l'énergie dont elle a besoin. Toutes les cellules animales, les champignons comme la levure et les cellules non chlorophylliennes des plantes sont hétérotrophes.

La respiration (en présence de dioxygène)

Dans les mitochondries, le glucose est complètement dégradé grâce au dioxygène :

La fermentation alcoolique (sans dioxygène)

Sans dioxygène, la levure dégrade le glucose de façon incomplète, dans le cytoplasme. C'est cette réaction qui transforme la sève de palmier en vin de palme :

L'éthanol \(\ce{C2H5OH}\) contient encore beaucoup d'énergie : la fermentation libère donc beaucoup moins d'énergie que la respiration. Analogie : la respiration brûle tout le bois du feu, la fermentation n'en brûle qu'une petite partie et laisse des braises.

Mesurer les échanges de la levure

Dans une expérience assistée par ordinateur, on place des levures dans une eau sucrée et on suit le dioxygène du milieu. Joue avec le curseur \(k\), qui représente l'activité des levures (modèle simplifié : la concentration baisse régulièrement).

Plus les levures respirent, plus la droite descend vite. Si on tue les levures (en les faisant bouillir), \(k = 0\) : le dioxygène ne baisse plus.

Exemple résolu : quelle masse de \(\ce{CO2}\) ?

Une cellule de levure en respiration dégrade complètement \(18\ \text{g}\) de glucose. Quelle masse de \(\ce{CO2}\) est rejetée ? On donne \(M(\ce{C}) = 12\ \text{g/mol}\), \(M(\ce{H}) = 1\ \text{g/mol}\), \(M(\ce{O}) = 16\ \text{g/mol}\).

4. Vue d'ensemble des échanges

flowchart LR
  L[Lumiere] --> A[Cellule autotrophe]
  C[CO2 et eau] --> A
  A --> G[Glucose et O2]
  G --> H[Cellule heterotrophe]
  H --> R[CO2 eau et chaleur]
  R --> C

Ce schéma montre que les deux types de cellules sont complémentaires : la photosynthèse produit le glucose et le dioxygène que la respiration consomme, et la respiration rejette le \(\ce{CO2}\) et l'eau que la photosynthèse utilise.

Erreurs fréquentes

• Croire que les plantes ne respirent pas : toutes les cellules vivantes respirent ou fermentent.
• Confondre respiration (avec \(\ce{O2}\), dans la mitochondrie, dégradation complète) et fermentation (sans \(\ce{O2}\), dans le cytoplasme, dégradation incomplète).
• Oublier d'équilibrer les bilans : 6 \(\ce{CO2}\), 6 \(\ce{H2O}\), 6 \(\ce{O2}\) pour une molécule de glucose.
• Penser que la membrane laisse tout passer : elle est sélective.

Récapitulatif

• La cellule est un système ouvert : entrées et sorties de matière et d'énergie à travers une membrane sélective.
• Autotrophe : photosynthèse dans les chloroplastes, \(\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\).
• Hétérotrophe : respiration dans les mitochondries, \(\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}\), ou fermentation sans \(\ce{O2}\), \(\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}\).
• L'énergie libérée est stockée sous forme d'ATP, utilisée par la cellule.