Toute cellule est le siège de transformations chimiques au cours desquelles des substrats sont convertis en produits utilisables : c'est le métabolisme. Voici des équations bilan de deux voies métaboliques très fréquentes.

Respiration : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ➞ 6 CO₂ + 6 H₂O
Photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O ➞ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Problématique

Comment le métabolisme des cellules permet-il de satisfaire leurs besoins fonctionnels ?

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Caractérisation cellulaire de voies métaboliques fondamentales

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Doc. 1
Compositions des milieux de culture.

Milieu \rightarrow \downarrow Constituant	A	B	C
Eau distillée (mL)	1000	1000	1000
Sels minéraux (g)	0	3,75	3,75
Matière organique sous forme de glucose C₆H₁₂O₆ (g)	0	30	0

On place des levures (champignons unicellulaires) ou des euglènes (unicellulaires chlorophylliens) dans différents milieux de culture et on mesure l'évolution temporelle de quelques paramètres.

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Doc. 2
Évolution des populations cellulaires dans les trois milieux de culture, à la lumière.

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a Levures : les résultats sont les mêmes à l'obscurité.

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b Euglènes : à la fin de l'expérience, on peut mettre en évidence la présence de glucides dans les cellules. Les résultats à l'obscurité sont les mêmes que pour les levures.

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Doc. 3
Évolution des concentrations en différentes molécules dans une suspension de levures au cours du temps.

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Travaux pratiques

1. Réaliser des enregistrements ExAO des échanges liés à la photosynthèse ou la respiration.

Matériel :

Montage ExAO ;
Sondes à O₂ et CO₂ ;
Suspensions de levures ;
Suspensions d'unicellulaires verts ou à défaut d'élodées (mais attention, là on fait de la photosynthèse à l'échelle de l'organisme) placés à la lumière avant le TP ;
Solution de glucose ;
Bandelettes glucose ;
Cache et source de lumière.

Protocole :
Suivre le protocole de mise en route selon le matériel dont est doté l'établissement.

Placer la suspension de cellules dans le bioréacteur avec un agitateur magnétique ;
Placer les sondes ;
Pour la respiration :
- Injecter une dose de glucose (selon sa concentration) au bout d'une minute ;
- Réaliser un test glucose à t0, t1 (= injection du glucose) et à la fin de la manipulation.
Pour la photosynthèse :
- Réaliser les enregistrements au moins 3 minutes à l'obscurité et à la lumière alternativement (lumière obscurité lumière par exemple).

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Travaux pratiques

2. Réaliser des comptages de cellules dans des milieux différents.

Matériel :

Tableau du doc. 1 de l'activité 1 ;
Levures ;
Euglènes ou chlorelles ;
Bechers ;
Lame Kova ou lame de Malassez ;
Microscope ;
Caméra et logiciel de comptage (Mesurim).

Protocole :

Préparer les différents milieux ;
Mettre en culture quelques jours des différents types de cellules à observer dans chacun des milieux ;
Compter le nombre de cellules dans un petit carré (à l'œil ou après photo et comptage avec un logiciel) ;
Avec la lame de Kova :
Fiche technique pour lame de KOVA
Avec la lame de Malassez :
https://svt.ac-versailles.fr/spip.php?article495
Recommencer l'opération au moins 3 fois par lame.

Attention : les comptages doivent être effectués au début de la mise en culture (veiller à bien diluer pour que le comptage soit facile) et au bout de quelques jours. On peut préparer les deux lots à compter pour la même séance en s'y prenant à l'avance. Il peut être nécessaire de diluer la solution finale pour que ce soit comptable par les élèves, ne pas oublier de prendre ensuite en compte le facteur de dilution !

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Les acteurs des voies métaboliques

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Une enzyme est une macromolécule accélérant une transformation chimique. Ici :

\text{S = substrat ; P = produit ; E = enzyme.}

\text{S} \overset{\text{E1}}\rightarrow \text{P1} \overset{\text{E2}}\rightarrow \text{P2} \overset{\text{E3}}\rightarrow \text{P3}

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Doc. 4
Les différentes conditions de l'expérience de Beadle et Tatum.

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En 1940, George Beadle et Edward Tatum travaillent sur un champignon, Neurospora crassa, dont ils ont obtenu des mutants par irradiation. Contrairement à la souche sauvage, certains mutants nommés arg ne sont plus capables de se développer sur un milieu minimum dépourvu d'arginine, un . Ils testent le développement de ces mutants arg sur des milieux plus ou moins enrichis. Les deux chercheurs font l'hypothèse que chez chaque mutant arg la mutation a rendu une enzyme non fonctionnelle.
Les champignons sont représentés en rouge sur le schéma.

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Doc. 5
Un exemple de voie métabolique, le cycle de l'urée.

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Ce cycle permet la formation des déchets azotés ensuite éliminés par l'urine (sous forme d'urée). Seul l'hépatocyte (cellule du foie) possède toutes les enzymes nécessaires à la réalisation de cette voie. L'acétyl-CoA est un intermédiaire métabolique impliqué dans de nombreuses autres voies métaboliques, dont la respiration.

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Vocabulaire

Acide aminé : élément de base constituant les protéines.

Autotrophe : qui produit sa matière organique à partir de matière minérale.

Hétérotrophe : qui produit sa matière organique à partir de matière organique.

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Pistes d'exploitation

1. Doc. 1 à 3. Identifiez les cellules et et leurs échanges avec le milieu.

2. Doc. 4, 5. Montrez que, si l'hypothèse de Beadle et Tatum est juste, alors la synthèse d'arginine se fait par étapes à partir du milieu minimum, grâce à des enzymes. Écrivez cette voie.

3. Répondre à la problématique. Expliquez comment le métabolisme permet à une cellule d'assurer ses besoins fonctionnels.

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Des transformations chimiques spécifiques

Caractérisation cellulaire de voies métaboliques fondamentales

Doc. 1Compositions des milieux de culture.

Doc. 2Évolution des populations cellulaires dans les trois milieux de culture, à la lumière.

Doc. 3Évolution des concentrations en différentes molécules dans une suspension de levures au cours du temps.

Travaux pratiques

Travaux pratiques

Les acteurs des voies métaboliques

Doc. 4Les différentes conditions de l'expérience de Beadle et Tatum.

Doc. 5Un exemple de voie métabolique, le cycle de l'urée.

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Doc. 5
Un exemple de voie métabolique, le cycle de l'urée.