Séance 4 - Expérimenter sur le métabolisme hétérotrophe des levures

Introduction

Pour survivre, une cellule doit transformer certaines molécules : c’est ce qu’on appelle son métabolisme.

Certaines cellules, comme celles des champignons ou des animaux, sont hétérotrophes : elles ne peuvent pas fabriquer leur propre matière à partir de CO₂ et d’eau. Elles doivent utiliser des molécules organiques préexistantes, comme le glucose, pour produire de l’énergie.

C’est le cas des levures, de petits micro-organismes eucaryotes capables d’utiliser le glucose :

par respiration cellulaire, un ensemble de réactions chimiques qui se déroulent dans les mitochondries et qui, en présence de dioxygène, dégradent complètement le glucose pour produire beaucoup d’énergie, avec rejet de CO₂ et d’eau,
ou par fermentation, un ensemble de réactions chimiques qui se déroulent dans le cytoplasme et qui, en absence de dioxygène, dégradent partiellement le glucose en produisant moins d’énergie, avec rejet de CO₂ et d’éthanol.

Problème : comment prouver que les levures ont besoin de glucose pour réaliser leur métabolisme énergétique ?

Consigne n°1 (Concevoir un protocole expérimental)

Liste de matériel possible :

Suspension de levures : micro-organismes étudiés, capables de respirer ou fermenter.
Solution de glucose (10 g/L) : substrat organique (molécule de départ) utilisé par les levures pour produire de l’énergie.
Bandelettes test glucose : permettent de mesurer la quantité de glucose présente dans la solution et donc de vérifier sa consommation par les levures au cours de l’expérience.
Dispositif ExAO + logiciel : enregistre et visualise les variations de concentration en gaz.
Sonde O₂/CO₂ : mesure la consommation de dioxygène et/ou la production de dioxyde de carbone.
Tubes à essai / flacons avec bouchons : contiennent les suspensions de levures pendant l’expérience.
Bouchons percés pour capteurs : permettent d’introduire une sonde dans le tube/flacon tout en maintenant le système fermé (conditions contrôlées).
Bain-marie : maintiennent la température constante (paramètre qui influence fortement l’activité métabolique des levures).

Hypothèse à tester : les levures consomme le glucose pour réaliser la respiration cellulaire.

Consigne : à partir de la liste de matériel, proposez un protocole permettant de tester cette hypothèse.

Appeler l’enseignant pour validation.

Modèle de tableau pour la démarche expérimentale

Consigne n°2 (Mettre en œuvre un protocole expérimental)

Sécurité

Porter blouse, lunettes et gants de protection pendant toute la manipulation.
Manipuler les flacons et sondes avec précaution pour éviter les contaminations.
Jeter les levures usagées dans le récipient prévu par l’enseignant.

Étiquetage

Inscrire sur deux boîtes de Pétri : Lot A (avec glucose) et Lot B (sans glucose).

Préparation des tubes

Lot A (avec glucose) : 5 mL de suspension de levures, 5 mL de solution de glucose (10 g/L), 5 mL d’eau distillée
Lot B (sans glucose) : 5 mL de suspension de levures, 10 mL d’eau distillée

Installation des capteurs

Mesurer la quantité de glucose avec une bandelette pour chaque tube.
Placer une sonde O₂/CO₂ dans chaque flacon (avec bouchon percé si nécessaire).
Démarrer l’acquisition ExAO pour suivre les concentrations en O₂ et CO₂.
À la fin de l'expérience, mesurer la quantité de glucose avec une bandelette pour chaque tube.

Consigne n°3 (Interpréter des résultats)

Interpréter les résultats obtenus.

Autoévaluation

Critères à respecter :

J’ai identifié correctement l’hypothèse à tester.
J’ai conçu un protocole expérimental avec témoin et variable testée.
J’ai utilisé correctement le matériel et respecté les règles de sécurité.
J’ai noté et analysé les résultats obtenus.
J’ai rédigé une interprétation claire, en justifiant si l’hypothèse est validée ou non.

Comment se noter :

5 critères respectés → 5/5
4 critères respectés → 4/5
3 critères respectés → 3/5
2 critères respectés → 2/5
1 critère respecté → 1/5

Bilan

4.1 – La respiration et la fermentation : des voies hétérotrophes

La levure réalise elle aussi un métabolisme : transformations biochimiques permettant de produire de l’énergie. Chez elle, les voies hétérotrophes comme la respiration cellulaire et la fermentation transforment de la matière organique (ex : glucose) pour produire de l’énergie.

4.2 – Les structures et enzymes impliquées

Ces processus se déroulent dans des structures spécialisées :

la respiration a lieu dans les mitochondries,
la fermentation se déroule dans le cytoplasme.

Ils font intervenir des enzymes, qui facilitent la dégradation du glucose.

4.3 – Échanges de matière et d’énergie chez la levure

La levure échange de la matière et de l’énergie avec son environnement :

elle absorbe du glucose (et parfois du dioxygène),
elle rejette du dioxyde de carbone,
elle libère de l’énergie pour ses activités cellulaires.

Découverte de métiers

Technicien·ne de laboratoire en biologie cellulaire (2-3 ans après le bac) : préparer et réaliser des expériences avec des micro-organismes (comme les levures), analyser des résultats pour la recherche, l’industrie agroalimentaire ou médicale.
Ingénieur·e agronome (5 ans après le bac) : améliorer les procédés de fermentation (pain, vin, bière, biocarburants), optimiser la production agricole en tenant compte des micro-organismes et de leurs métabolismes.
Chercheur·se en biotechnologie ou bioénergie (8-10 ans après le bac) : exploiter le métabolisme des levures pour produire de nouvelles molécules d’intérêt (médicaments, enzymes, carburants biologiques), ou concevoir des procédés industriels plus durables.

Quiz de révision

Pourquoi dit-on que la respiration et la fermentation sont des voies hétérotrophes ?

A) Elles transforment de la matière minérale en matière organique.

B) Elles utilisent de la matière organique pour produire de l’énergie.

C) Elles utilisent uniquement la lumière comme source d’énergie.

D) Elles transforment l’eau et le dioxyde de carbone en glucose.

Quelle molécule est principalement utilisée comme substrat énergétique par la levure ?

A) Dioxygène

B) Glucose

C) Amidon

D) Eau

Dans quelle structure cellulaire a lieu la respiration ?

A) Cytoplasme

B) Chloroplaste

C) Mitochondrie

D) Noyau

Où se déroule la fermentation dans la cellule de levure ?

A) Dans le cytoplasme

B) Dans la mitochondrie

C) Dans les vacuoles

D) Dans l’appareil de Golgi

Quel rôle jouent les enzymes dans la respiration et la fermentation ?

A) Elles stockent le glucose.

B) Elles facilitent la dégradation du glucose.

C) Elles transportent le dioxygène.

D) Elles produisent directement de l’ATP.

Quels échanges de matière réalise la levure avec son environnement ?

A) Absorbe du glucose (et parfois O₂), rejette du CO₂

B) Absorbe du CO₂ et rejette du glucose

C) Absorbe de la lumière et rejette du dioxygène

D) Absorbe de l’eau et rejette de l’amidon

Quel est le rôle principal de la respiration et de la fermentation chez la levure ?

A) Produire de la matière organique pour la croissance.

B) Libérer de l’énergie utilisable pour les activités cellulaires.

C) Transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique.

D) Produire uniquement du dioxygène.

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