La consommation de la matière oranique et flux d'énergie

L’ATP est un intermédiaire métabolique indispensable pour toutes activités cellulaires. Les cellules vivantes régénèrent leur ATP par oxydation des molécules organiques en adoptant des voies métaboliques différentes.
Afin d’expliquer la différence de la taille des colonies chez deux souches de levure de boulangerie P et G (Saccharomyces cerevisiae) et sa relation avec la voie métabolique adoptée on propose les données suivantes:
Dans deux boîtes de Pétri identiques, on cultive les deux souches de levures sur un milieu gélosé complet contenant notamment 5 % de glucose et abondamment oxygéné. Les cultures sont placées à une température constante. Le document 1 montre l’aspect des colonies des levures au début et à la fin de cette culture.

1. sachant qu’une colonie est le résultat de la multiplication des cellules :
a. Comparez les résultats à la fin de culture (document 1) pour les deux souches de levures P et G. 
b. Proposez une hypothèse pour expliquer la différence observée au niveau des colonies des souches P et G.

Pour expliquer la différence observée et sa relation avec le métabolisme cellulaire, on cultive les deux souches P et G sur un milieu gélosé dépourvu de glucose et abondamment oxygéné placé à une température constante, puis on mesure la variation de la concentration de dioxygène avant et après l’ajout de la même quantité de glucose dans le milieu de culture.
Les résultats obtenus sont représentés dans le document 2. Une observation des deux souches de levures au microscope électronique à la fin de cette expérience a permis d’obtenir les résultats présentés par le
document 3.


2. En exploitant les résultats présentés par les documents 2 et 3, déduisez la voie métabolique adoptée par chacune des deux souches de levure P et G. 

Pour comparer l’activité métabolique adoptée par chaque souche de levure, on applique le triphényl- tétralozium sur chaque colonie des deux souches G et P. Parallèlement, on a mesuré la quantité d’ATP produite par les souches G et P et calculé le rendement énergétique respectif pour chacune de deux souches.
Le document 4 présente les résultats obtenus.
Le document 5 représente les deux voies métaboliques utilisées par les souches P et G pour produire l’ATP.

Remarque : Le triphényl-tétralozium est utilisé par les levures comme accepteur final des électrons de la chaîne respiratoire des mitochondries à la place du dioxygène. Dans ces conditions, il est réduit en un composé de couleur rouge : le formazan.

*bilan de consommation d’une molécule de Krebs pyruvate au niveau de la mitochondrie.
Au niveau de la mitochondrie, l’oxydation de 1NADH,H+ donne 3ATP et l’oxydation de 1FDH2 donne 2ATP.

3. En utilisant les données des documents 4 et 5 expliquez la différence du rendement énergétique observée chez les deux souches P et G. 
4. En mettant en lien la taille des colonies, la structure cellulaire et la voie métabolique adoptée, vérifiez votre hypothèse.

1 – a- il y a une multiplication des deux souches P et G et la formation de colonies ;
– La taille des colonies de la souche G est plus grande que celle des colonies de la
souche P.

1 – b –  Une hypothèse logique qui relie la taille des colonies avec la voie métabolique adoptée, par exemple :
La souche G adopte une voie métabolique aérobie ce qui lui permet de former des colonies de grande taille alors que la souche P adopte une voie métabolique anaérobie et par conséquence ces colonies restent de petite taille.

2 – Exploitation du document 2 :
Pour la souche G : diminution de la concentration en O2 après l’ajout du glucose au milieu de culture ;
Pour la souche P : une très faible diminution de la concentration en O2 après l’ajout du glucose au milieu de culture ;
Exploitation du document 3 :
la souche G : possède des mitochondries développées (avec des crêtes), de grande taille et nombreuses ;
la souche P : possède des mitochondries non développées (sans crêtes), de petite taille et peu nombreuse ;

Déduction : 
Les cellules de la souche G adoptent la voie de la respiration
Les cellules de la souche P adoptent la voie de la fermentation 

3 – La coloration rouge de la colonie de la souche G est due au fait que ses cellules ont réduit l’accepteur final des électrons au niveau de la chaîne respiratoire, car elles adoptent la voie respiratoire.
– Par respiration, la souche G produit, à partir de l’oxydation d’une molécule de glucose, 4ATP, 10NADH,H+

et 2FADH2 → bilan énergétique 38 ATP → rendement énergétique important 40%; 
– Les colonies de la souche P non colorées en rouge indiquent qu’elles n’ont pas réduit l’accepteur final des électrons car elles adoptent la voie de fermentation alcoolique.
– Par fermentation, la souche P produit, à partir de l’oxydation d’une molécule de glucose, 2ATP, → bilan énergétique 2 ATP → rendement énergétique faible 2%;

4 – vérification de l’hypothèse :
– la souche G possède des mitochondries développées et nombreuse ce qu’elle rend capable d’oxyder le glucose par la voie de respiration à fort rendement énergétique ce qui lui a permet de former de colonies de grande taille ;
– la souche P adopte la voie de fermentation alcoolique à faible rendement énergétique, pour libérer l’énergie emmagasinée dans le glucose, ce qui explique la taille petite des colonies.

I. Donnez :

1. deux caractéristiques structurales de la membrane interne mitochondriale. (0.5 pt)
2. deux caractéristiques de la fermentation. (0.5 pt)
II. Recopiez, sur votre feuille de rédaction, la lettre qui correspond à chaque proposition, et écrivez devant chacune d’elles « vrai » ou « faux » :

a Le cycle de Krebs produit trois molécules de NADH,H+ à partir d’une molécule d’acide pyruvique.

b Le bilan global de la glycolyse est de quatre molécules d’ATP.
c La fermentation lactique produit de l’acide lactique et du dioxyde de carbone.
d La longueur des myofilaments reste constante au cours de la contraction du sarcomère.

III.Recopiez, sur votre feuille de rédaction, les couples (1, ….) ; (2, ….) ; (3, ….) ; (4, ….) et reliez chaque molécule à son action, en adressant à chaque numéro du groupe 1 la lettre correspondante du groupe 2.

Groupe 1 : Molécules                        Groupe 2 : Action
1. ATP                                                 a. phosphoryle l’ADP
2. Ca2+                                              b. se fixe à la tête de myosine
3. Myosine                                        c. se fixe à la Troponine
4. ATP synthase                              d. se lie à l’Actine

I – 1 – Deux caractéristiques structurales de la membrane interne mitochondriale. 
Par exemple : Riche en protéines ; presente des extensions au niveau de la membre interne (les crêtes) ; présence des sphères pédonculées et des complexes de la chaine respiratoire.
 2 – Deux caractéristiques de la fermentation.
Par exemple :-Se déroule en absence d’O2  ; produit des résidus organiques ; se déroule au niveau du hyaloplasme.

II – (a- vrai) ; (b- faux) ; (c- faux) ; (d- vrai)

III – (1, b) ; (2, c) ; (3, d) ; (4, a)

Des Ievures sont cultivées dans un milieu oxygéné contenant une faible quantité de glucose radioactif (G) marqué au 14C. On effectue des prélèvements aux temps t0 à t4 et on remarque l’apparition de
nouvelles molécules radioactives : de l’acide pyruvique (P), des molécules du cycle de Krebs (K) et du CO2.

Le tableau suivant montre localisation des molécules radioactives en fonction du temps.

choisir  la ou les bonnes réponses.

Cette expérience montre que :

a- Le CO2 provient des réactions dans le hyaloplasme
b – Le CO2 provient de réactions dans la mitochondrie
c – Le glucose est directement dégradé dans la mitochondrie
d- Le glucose est oxydé en pyruvate

les bonnes réponses sont : 

b – Le CO2 provient de réactions dans les mitochondries
d- Le glucose est oxydé en pyruvate

A- Dans le muscle vivant, il est possible de suivre l’évolution des quantités de trois composés phosphatés : l’ATP (adénosine triphosphate), la phosphocréatine et le phosphate inorganique
(Pi). La technique utilisée permet de détecter les atomes de phosphore. Ainsi, l’ATP qui en possède trois présente trois pics.
On considère un muscle avant tout effort (a), on lui fait subir un effort intense pendant deux minutes (b) suivi d’une période de récupération de quatre minutes(c). L’amplitude des pics obtenus par cette technique est proportionnelle à la quantité des composés phosphatés étudiés (voir document 1)

1) Décrivez l’évolution de la concentration d’ATP dans le muscle au cours de l’expérience.

2) Comparez l’évolution de la quantité de phosphocréatine et de Pi au cours de l’expérience. 

3) Etablissez la relation entre les variations de ces trois composés phosphatés durant cette expérience.

B- Au cours de toute activité musculaire, l’énergie nécessaire à la contraction musculaire est fournie par un ensemble de réactions métaboliques.

Afin de déterminer la nature des différentes voies métaboliques productrices d’énergie et leur ordre d’intervention au cours d’un exercice musculaire d’intensité modérée, une course de 800 mètres par
exemple, on effectue les mesures traduites par les trois courbes du document 2.

4) A partir de l’exploitation du document 2, donnez l’ordre chronologique des réactions métaboliques et leurs caractéristiques respectives.

D’aprés Bac sn 2014

A.
1) Le document 1 montre que la concentration de l’ATP reste constante au cours de cette expérience. En effet l’amplitude des pics de ce composé est la même pendant cette expérience.

2) Avant l’effort la quantité de phosphocréatine est plus importante que celle de Pi.

 Pendant la récupération, la quantité de Pi diminue alors que celle de phosphocréatine augmente. En effet ces composés retrouvent leurs valeurs initiales lors de la phase de récupération.

3) L’ATP est la source d’énergie directement utilisée par le muscle en activité. La constance de sa quantité s’explique par sa régénération rapide grâce à l’hydrolyse de la phosphocréatine. Cette hydrolyse est à l’origine de la baisse du taux de ce composé pendant l’effort, pendant que le taux de Pi, (résultant de l’hydrolyse), augmente.
Pendant la phase de récupération, on assiste à une régénération de la phosphocréatine aux dépens du Pi. Chacun d’eux revient à son taux initial.

B.
4) Le document 2 montre que durant l’activité musculaire, l’énergie nécessaire provient des réactions métaboliques, chronologiques, suivantes :

 Il y a d’abord la voie de la créatine phosphate qui permet une importante production d’énergie mais de façon brève.

 Ensuite nous avons la voie de la glycolyse anaérobie qui permet une plus faible production d’énergie que la première voie, mais qui est plus durable que celle-ci.

 Enfin, nous avons la voie de l’oxydation aérobie qui produit une plus faible quantité d’énergie que les deux premières voies mais qui se poursuit durant toute la durée de l’exercice

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