Objectifs

• Définir le métabolisme et distinguer cellules autotrophes et hétérotrophes.
• Associer les principaux organites à leur rôle dans le métabolisme (chloroplaste, mitochondrie, noyau, ribosome…).
• Écrire les bilans de la photosynthèse, de la respiration et de la fermentation.
• Expliquer ce qu’est une enzyme, sa double spécificité et l’effet de la température et du pH sur son activité.

1. Qu’est-ce que le métabolisme ?

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans une cellule. Il comprend :

• le catabolisme : dégradation de grosses molécules en petites, ce qui libère de l’énergie (exemple : la respiration dégrade le glucose) ;
• l’anabolisme : fabrication de grosses molécules à partir de petites, ce qui consomme de l’énergie (exemple : fabrication des protéines, de l’amidon).

Selon la façon dont elles obtiennent leur matière organique, on distingue :

• les cellules autotrophes (cellules chlorophylliennes des feuilles de manguier, de maïs…) : elles fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale (eau, \(\ce{CO2}\), sels minéraux) grâce à l’énergie lumineuse ;
• les cellules hétérotrophes (cellules animales, champignons, cellules des racines) : elles doivent prélever de la matière organique déjà fabriquée.

2. Les organites : les ateliers de l’usine cellulaire

Un organite est un compartiment de la cellule, souvent entouré de membrane, qui assure une fonction précise. Observés au microscope électronique, on trouve notamment :

La cellule végétale possède en plus une paroi rigide autour de la membrane, des chloroplastes (dans les parties vertes) et une grande vacuole. Les cellules animales et végétales ont toutes deux des mitochondries.

À toi : retrouve maintenant les organites sur ce même dessin, sans les noms.

3. Les grandes voies du métabolisme

a) La photosynthèse (dans les chloroplastes)

Les cellules chlorophylliennes, à la lumière, fabriquent du glucose et rejettent du dioxygène :

b) La respiration cellulaire (dans les mitochondries)

Presque toutes les cellules dégradent complètement le glucose avec du dioxygène. Beaucoup d’énergie est libérée :

c) La fermentation (dans le cytoplasme, sans dioxygène)

Certaines cellules (levures, bactéries, cellules musculaires en manque de dioxygène) dégradent le glucose de façon incomplète, sans dioxygène. Elles libèrent beaucoup moins d’énergie que la respiration. Fermentation alcoolique des levures :

flowchart LR
L[Lumiere] --> C[Chloroplaste]
C --> G[Glucose et O2]
G --> M[Mitochondrie]
M --> E[Energie pour la cellule]
M --> R[CO2 et eau]
R --> C

On voit que photosynthèse et respiration forment un cycle : les produits de l’une sont les réactifs de l’autre.

Exemple résolu

On place des levures dans de l’eau sucrée, dans un flacon fermé sans air. Au bout d’une heure, le taux de glucose a baissé, de l’éthanol est apparu et l’eau de chaux se trouble au contact du gaz dégagé. Quel métabolisme a eu lieu ?

4. Les enzymes : les ouvriers du métabolisme

Les réactions du métabolisme seraient beaucoup trop lentes à \(37\,^\circ\text{C}\) sans aide. Les enzymes sont des protéines qui jouent le rôle de catalyseurs biologiques : elles accélèrent une réaction chimique sans être consommées. Une même molécule d’enzyme peut servir des milliers de fois. Les enzymes sont fabriquées par la cellule selon les informations de l’ADN.

a) Le complexe enzyme-substrat

La molécule transformée s’appelle le substrat. Elle se fixe dans une petite zone de l’enzyme, le site actif, dont la forme lui correspond comme une clé à sa serrure.

b) La double spécificité

• Spécificité de substrat : une enzyme ne reconnaît qu’un substrat (ou une famille très proche). L’amylase agit sur l’amidon, pas sur les protéines.
• Spécificité d’action : une enzyme ne catalyse qu’un type de réaction. L’amylase coupe l’amidon en maltose ; elle ne fait rien d’autre.

c) L’influence de la température et du pH

L’activité d’une enzyme dépend des conditions du milieu :

• Température : à basse température l’enzyme est peu active (mais pas détruite) ; l’activité augmente jusqu’à une température optimale (vers \(37\,^\circ\text{C}\) pour les enzymes humaines) ; au-delà, l’enzyme se déforme et est détruite de façon irréversible (dénaturation, vers \(60\,^\circ\text{C}\) pour beaucoup d’entre elles).
• pH : chaque enzyme a un pH optimal. L’amylase salivaire travaille vers un pH proche de 7 (neutre), la pepsine de l’estomac vers un pH d’environ 2 (très acide).

Manipule la courbe : le curseur m déplace la température optimale, s rend la courbe plus ou moins large. Observe que l’activité retombe de part et d’autre de l’optimum.

Exemple résolu : l’expérience de l’amylase

On prépare trois tubes contenant de l’empois d’amidon et de la salive. Tube A à \(0\,^\circ\text{C}\), tube B à \(37\,^\circ\text{C}\), tube C d’abord bouilli puis remis à \(37\,^\circ\text{C}\). Au bout de 15 minutes, on ajoute de l’eau iodée (qui colore l’amidon en bleu-noir). Cherche d’abord le résultat de chaque tube.

Erreurs fréquentes

• Confondre catalyseur et réactif : l’enzyme n’est pas consommée, elle se retrouve intacte en fin de réaction.
• Croire que la mitochondrie « fabrique » de l’énergie à partir de rien : elle libère l’énergie contenue dans le glucose.
• Oublier que la fermentation se fait sans dioxygène et dans le cytoplasme, pas dans la mitochondrie.

Récapitulatif

• Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques d’une cellule : catabolisme (dégradation, libère de l’énergie) et anabolisme (synthèse, consomme de l’énergie).
• Chaque organite a son rôle : noyau (commande), mitochondrie (respiration), chloroplaste (photosynthèse), ribosomes (protéines), vacuole (stockage).
• Photosynthèse, respiration et fermentation sont les grandes voies d’échange de matière et d’énergie.
• Les enzymes sont des protéines catalyseurs, spécifiques de leur substrat et de leur action, sensibles à la température et au pH.