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SV-A L'organisme vivant en lien avec son environnement (BCPST 1 et 2) |
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SV-B Interactions entre les organismes et leur milieu de vie (BCPST 1 et 2) |
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SV-C La cellule dans son environnement (BCPST 1) |
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SV-D Organisation fonctionnelle des molécules du vivant (BCPST 1) |
SV-E Le métabolisme cellulaire (BCPST 1)  IntroSV-E Le métabolisme cellulaire (BCPST 1)
La présentation des différentes voies métaboliques est l'occasion de faire ressortir trois formes d'énergie privilégiées dans la cellule, à savoir l'énergie d'hydrolyse de l'ATP, l'énergie des réactions d'oxydo-réduction et l'énergie des différences de potentiels électrochimiques transmembranaires.
Elle permet d'aborder deux modes de production d'ATP, par transphosphorylation ou par conversion énergétique d'une différence de potentiel électrochimique de protons au niveau des membranes.
L'étude des chaînes de transport d'électrons associées à ces voies montre qu'elles reposent sur des réactions d'oxydo-réduction en chaîne, utilisent ou créent du pouvoir réducteur et génèrent un gradient électrochimique de protons (à l'origine de la synthèse d'ATP).
Enfin, la mise en évidence de la diversité des sources de matière et d'énergie des cellules permet de distinguer différents types trophiques remobilisés par ailleurs dans le programme (en écologie et dans l'étude des cycles biogéochimiques et du fonctionnement des sols)
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SV-E-1 L'approvisionnement en matière organique |
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SV-E-2 Le devenir de la matière organique |
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Dans les cellules, aussi bien autotrophes qu'hétérotrophes, la matière organique a trois devenirs : elle peut (1) être stockée ou exportée, (2) servir à la biosynthèse de nouvelles molécules organiques, ou (3) entrer dans les voies cataboliques fournissant son énergie à la cellule.
(1) Le stockage de la matière organique permet de constituer des réserves.
Chez les Chlorophytes, les trioses phosphates produits par le cycle de Calvin sont stockés transitoirement sous forme d'amidon dans le stroma chloroplastique ou sont convertis en glucides exportables vers d'autres cellules.
Le glucose absorbé par une cellule hétérotrophe animale peut être stocké sous forme de glycogène dans le cytosol.
Le stockage ou le déstockage des réserves glucidiques dépend de l'activité d'enzymes.
Précisions et limites :
Pour le stockage et le déstockage, on se limite à l'exemple de la glycogène synthase et de la glycogène phosphorylase. Aucun détail sur les enzymes et leur contrôle, autres que ceux présentés sur la glycogène phosphorylase dans le cours d'enzymologie, n'est attendu. Le détail des mécanismes catalytiques des réactions en jeu est hors programme.
(2) La matière organique permet de synthétiser de nouvelles molécules : c'est l'anabolisme.
Les principales molécules du vivant ont un squelette carboné qui dérive d'intermédiaires de voies du métabolisme.
Des interconversions entre familles de molécules sont possibles, elles aboutissent à la biosynthèse des principales molécules à rôle structural, métabolique ou informationnel à partir de carrefours métaboliques.
Précisions et limites :
Le panorama se limite aux points suivants :
- localisation cellulaire de la biosynthèse des principales molécules ;
- voie d'acheminement des molécules vers leur localisation fonctionnelle, en se limitant au cas de l'adressage des protéines.
La présentation des interconversions se limite aux exemples suivants, sans détail des réactions chimiques et des différentes étapes :
• synthèse d'acides gras et lipides à partir d'acétyl coenzyme A ;
• synthèse de polyosides à partir de glucose-1-phosphate ou de glucose-6-phosphate (végétaux) ;
• synthèse d'acides aminés (alanine) à partir de pyruvate.
(3) La matière organique absorbée ou stockée peut entrer dans les voies cataboliques desquelles la cellule tire son énergie. Le catabolisme peut être oxydatif aérobie (respiration) ou non (fermentation).
La glycolyse est une voie métabolique permettant la biosynthèse d'ATP (par transphosphorylation ou phosphorylation liée au substrat), de coenzymes réduits et de pyruvate par une chaîne de réactions partant du glucose. L'oxydation du glycéraldéhyde-3-P dans le cytosol en est une réaction clef.
La glycolyse est l'objet d'un contrôle cellulaire. Il participe à l'ajustement de la production d'ATP aux besoins de la cellule.
Dans le cas de la fermentation, la glycolyse est la seule voie de production d'ATP. Des réactions biochimiques spécifiques de chaque voie fermentaire oxydent les coenzymes réduits, les rendant à nouveau disponibles pour la glycolyse.
Précisions et limites :
Le bilan énergétique de la glycolyse est à connaître.
Seules les fermentations lactique et alcoolique sont à connaître.
Le contrôle de la glycolyse se limite au cas de la phosphofructokinase 1 (PFK1).
Dans le cas de la respiration cellulaire, le pyruvate est importé dans la mitochondrie et subit une décarboxylation à l'origine d'acétyl-CoA.
Les acides gras peuvent également être importés dans la matrice mitochondriale et produire de l'acétyl-CoA par β-oxydation.
Le catabolisme des acides aminés passe par le pyruvate ou un intermédiaire du cycle de Krebs.
Précisions et limites :
On présente le principe de la β-oxydation des acides gras et son bilan de matière et d'énergie. Les réactions chimiques ne sont pas exigibles. On ne détaille pas les réactions chimiques des voies cataboliques des acides aminés.
Le cycle de Krebs est une voie de convergence du catabolisme utilisant l'acétyl-CoA chez toutes les cellules à catabolisme aérobie. Il réalise la décarboxylation oxydative totale des composés, couplée à la production de nucléotides énergétiques et la réduction de coenzymes.
Précisions et limites :
En dehors de l'équation bilan du cycle de Krebs, seules les réactions suivantes sont attendues :
- entrée de l'acétyl-coA dans le cycle de Krebs ;
- réactions conduisant de l'alpha-cétoglutarate au succinate en montrant les couplages entre réaction d'oxydo-réduction et transphosphorylation.
La chaîne respiratoire est une chaîne de transfert d'électrons issus de coenzymes réduits vers un accepteur final minéral à plus fort potentiel d'oxydoréduction. Ce transfert est associé à des conversions chimio-osmotiques (via la chaîne respiratoire) et osmo-chimiques (via l'ATP synthase) qui permettent la production d'ATP.
L'ATP est donc synthétisée en quantité variable selon le métabolite initial et la voie métabolique.
Précisions et limites :
Les acquis de spécialité de terminale sont remobilisés. Le fonctionnement des translocateurs de protons de la chaîne respiratoire n'est pas attendu.
La liste des transporteurs d'électrons n'est pas exigible.
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- Réaliser des colorations de tissus afin d'identifier différentes réserves cellulaires au microscope optique.
- Illustrer la notion de carrefour métabolique à partir de l'exemple de l'acétyl coenzyme A.
- Construire un bilan de matière et d'énergie de la glycolyse.
- Construire un bilan de matière et d'énergie du cycle de Krebs.
- Schématiser l'organisation fonctionnelle de la chaîne respiratoire.
- Expliquer le modèle de la chaîne respiratoire en utilisant les variations de potentiel d'oxydoréduction (∆E') et d'enthalpie libre de réaction (∆rG').
- Comparer les chaînes de transfert d'électrons des chloroplastes et des mitochondries.
- Comparer le bilan énergétique de la respiration cellulaire avec pour substrat initial le glucose et un acide gras.
- Comparer le bilan de production d'ATP de la fermentation et de la respiration.
Liens :
Nutrition d'un organisme végétal (SV-B-2)
Rôle énergétique des biomolécules (SV-D-2)
Enzymes et couplages (SV-E-3)
Expression génétique, traduction, adressage (SV-F-2) |
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SV-E-3 Les enzymes et la catalyse des réactions |
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SV-F Génomique structurale et fonctionnelle (BCPST 1 et BCPST 2) |
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SV-G Reproduction (BCPST 2) |
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SV-H Mécanismes du développement : exemple du développement du membre des Tétrapodes (BCPST 2) |
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SV-I Communications intercellulaires et intégration d'une fonction à l'organisme (BCPST 2) |
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SV-J Populations et écosystèmes (BCPST 1) |
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SV-K Évolution et phylogénie (BCPST 1 et BCPST 2) |
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