Cours Métabolismes Microbiens 2024 - Isabelle BATISSON PDF

Les métabolismes microbiens Cours: Isabelle BATISSON Responsable du module : Hicham El Alaoui Comprendre le rôle des microorganismes dans le fonctionnement de l’environnement et le maintien d’écosystèmes sains ✓ Les micro-organismes jouent un rôle central dans...

Les métabolismes microbiens Cours: Isabelle BATISSON Responsable du module : Hicham El Alaoui Comprendre le rôle des microorganismes dans le fonctionnement de l’environnement et le maintien d’écosystèmes sains ✓ Les micro-organismes jouent un rôle central dans le fonctionnement des écosystèmes. ✓ Ils sont notamment impliqués dans les cycles biogéochimiques et dans la dégradation de matière organique complexe (ex: contaminants). ✓ De par leurs fonctions, les micro-organismes ont donc souvent un impact positif sur l’environnement. 2 I. Les conditions de développement des microorganismes 3  1.Les nutriments Les macronutriments C, N, H, O2, P, S, K, Ca2+, Mg2+, Fe Les micronutriments Manganèse, Zinc, Cobalt, Molybdate, Cuivre, Nickel Les facteurs de croissance Acides aminés, Bases azotées, Vitamines 4  2. Les facteurs physiques La température Psychrophile et Psychrotrophes, Mésophile, Thermophile, Thermophile extrême Le pH Acidophile, Basophile, Neutrophile L’O2 Anaérobie strict, Anaérobie facultative, Microaérophile, Aérobie facultative, Aérobie strict 5 II. Les microorganismes dans l’environnement Les cycles biogéochimiques 6  1. Le cycle du Carbone Le carbone est un des atomes les plus présents dans les organismes vivants. Le carbone est présent sous deux formes principales dans les écosystèmes: - dioxyde de carbone (CO2) - glucose (C6H12O6) 7  1.1. Les mécanismes de base Respiration cellulaire: Mécanisme par lequel les cellules brisent le glucose (C6H12O6) en CO2 et en H2O relâchant l’énergie qui est utilisée par cette cellule et l’organisme pour survivre. Réaction ayant lieu dans les mitochondries (eucaryotes) ou membrane plasmique (procaryotes) Mécanisme utilisé par TOUS les êtres vivants pour produire leur énergie. Équation: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Énergie 8  Photosynthèse: Processus chimique par lequel les organismes photosynthétiques, en utilisant l’énergie du soleil, transforment le CO2 en composés organiques (C6H12O6 = glucose). Cette réaction s’effectue dans les chloroplastes (eucaryotes) ou grâce à des bacteriochlorophylles (procaryotes). La lumière active une molécule : la (bactério)chlorophylle qui permet le déroulement de la réaction. Équation chimique: Chlorophylle CO2 + H2O (CH2O) + O2 (plante) Énergie Solaire Bacteriochlorophylle CO2 + 2RH2 (CH2O) + H2O + 2R (bactérie) Énergie Solaire RH2 : jamais H2O. Soit composé minéral photolithotrophe, soit composé organique photoorganotrophe. 9 1.2. Le cycle du Carbone 10  Le cycle du Carbone Cf plus loin dans le cours 11  1.3. Le cycle du carbone et l’homme En 1839 (avant la revolution industrielle), En 2021, concentration en CO2 dans concentration en CO2 dans l’atmosphère l’atmosphère = 420 ppmv soit 0,042 % = 283,4 ppmv (parties par million en (augmentation de 42% en 177 ans) volume) soit 0,0283% Atmosphère Atmosphère Combustion Photosynthèse Photosynthèse Respiration Respiration Plantes Plantes industries et les véhicules à moteur Animaux Animaux Décomposition Extraction Décomposition Combustible Matière Combustible Matière Fossile Organique Fossile Organique 12  1.4. Un déséquilibre du cycle du carbone: l’effet de serre L’effet de serre est un phénomène dans lequel les rayons du soleil restent emprisonnés dans l’atmosphère réchauffement climatique L’effet de serre est causé par : La déforestation: Diminution de la capacité à éliminer le CO2 La trop grande utilisation de la combustion fossile : Augmentation directe de la quantité de CO2 rejetée dans l’atmosphère Acidification des océans par dissolution du CO2 atmosphérique pouvant compromettre la survie de nombreux organismes marins 13  2. Le cycle de l’Azote Où retrouve t’on de l’azote? Dans l’air que nous respirons (≈80% de l’atmosphère terrestre) Dans les nutriments indispensables pour les végétaux manque d’azote suffisamment d’azote Dans les acides nucléiques (bases azotées) les protéines (ac.a.) 14  Attention!!! L’azote ne peut pas être utilisé tel quel par les êtres vivants… Formes d’assimilation majoritaires : ▪ Nitrates (NO3-) ▪ Ions ammoniums (NH4+) Changements microorganismes Plusieurs conversions sont nécessaires. 15  2.1. Les conversions de l’azote Première conversion : La décomposition de l’azote = Ammonification Processus fait par les microorganismes-décomposeurs qui convertissent la matière organique en ammoniac NH3, puis en ammonium NH4. NH3 + H2O NH4+ + OH- 16 L’ammonification ◼ Sources d’azote organique très diverses ◼ Microorganismes très variés ◼ Les réactions : ❑ Hydrolyse des polymères (protéines acides aminés) ❑ Désamination aérobie NH3 Désamination directe Désamidation (sur chaine latérale) Fonction amide 17 Le cycle de l’Azote Anammox 18 (anaerobic ammonium oxidation)  Deuxième conversion : La nitrification de l’azote Ajout d’oxygène Processus fait par les bactéries qui oxydent l’ammonium et forment des nitrites. Puis d’autres bactéries oxydent les nitrites et forment des nitrates. NH4+ NO2- NO3- 19 Le cycle de l’Azote Anammox 20 (anaerobic ammonium oxidation)  Troisième conversion : L’absorption de l’azote = assimilation ◼ L'assimilation se fait par la consommation de ❑ ammonium : les micro-organismes, ❑ nitrate : les végétaux et quelques micro-organismes Les animaux Cycle Les animaux herbivores mangent carnivores mangent ces végétaux et les herbivores et obtiennent l’azote obtiennent l’azote dont ils ont besoin. dont ils ont besoin. 21 Le cycle de l’Azote Anammox 22 (anaerobic ammonium oxidation)  Quatrième conversion: La dénitrification de l’azote Processus catabolique fait par les bactéries qui utilisent les nitrates comme oxydant en anaérobiose et forment du N2 qui retournera dans l’atmosphère. NO3- N2 23 Le cycle de l’Azote Anammox 24 (anaerobic ammonium oxidation) La dénitrification NO3- Processus respiratoire anaérobie (1) ◼ (1) Nitrate réductase dissimilatrice: NO2- inhibée en présence d’O2 (2) ◼ (2) Nitrite réductase NO ◼ (3) Oxyde nitrique réductase (3) N2O ◼ (4) Oxyde nitreux réductase (4) N2 Libération de l’azote assimilable ATP 25 Cinquième conversion : Réduction catabolique Processus qui convertit le nitrate en ammoniac. NO3- NH4+ 26 Le cycle de l’Azote Desulfovibrio Anammox 27 (anaerobic ammonium oxidation) Sixième conversion : La fixation de l’azote Processus qui convertit le diazote gazeux de l’atmosphère en ammoniac. N2 NH3 28  Qui fixe l’azote? Les bactéries libres ou symbiotiques Source d’énergie aérobiose genre Phototrophes Cyanobactéries (Hétérocyste) + (exemple : Anabaena, Nostoc) Bactéries sulfureuses - Chimioorganotrophes Bacillus, Klebsiella pneumoniae + Azotobacteriaceae (oxydation H2 par O2) Rhizobiaceae (nodule) Clostridium - Chimiolithotrophes Thiobacillus - Nitrogénase : complexe enzymatique très sensible à O2 Très sensible à O2 N2 + 8H+ + 16 ATP --> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16Pi 29 16 ATP / molécule N2 fixée  Fixation symbiotique de l’azote Bactérie dans les cellules de plante 30 Le cycle de l’Azote Anammox 31 (anaerobic ammonium oxidation)  Septième conversion : Anammox (oxydation anaérobie de l'ammonium) Processus d’oxydation de l’ammonium par le nitrite pour produire de l’azote atmosphérique NH4 + NO2 + - N2 + 2H2O 32 Le cycle de l’Azote Anammox 33 (anaerobic ammonium oxidation) 2.2. Quelques exemples de procaryotes dans le cycle de l’azote 34 Le cycle de l’Azote aquatique 35  2.3. Le cycle de l’azote sans et avec l’aire industrielle SANS AVEC La concentration de l’azote En 2021, la concentration de l’azote (protoxyde d’azote N2O) de (protoxyde d’azote N2O) de l’atmosphère l’atmosphère est restée stable à due à l’activité humaine (depuis l’aire 0,27 ppm pendant au moins les industrielle) a augmenté à 0,33 ppm 10 000 dernières années jusqu’à (une augmentation de 24%) l’aire industrielle. 36 ppm: partie par million = 10-6 soit 0,00027% et 0,0003%) 2.4. Un déséquilibre du cycle de l’azote L'utilisation d'engrais artificiels sur les récoltes augmente la quantité d'azote. De grandes quantités de légumineuses étant cultivées plus d’azote au sol. 37  Effets d’une surcharge d’azote Dans le sol : augmentation de l'acidité qui nuit aux racines, empêche la croissance et cause le changement de couleur des feuilles (jaune) Dans l’air : cause des précipitations acides (dues au dioxyde d’azote = NO2) qui peuvent nuire aux plantes, et acidifier les lacs impact sur la faune. Dans l’eau : Eutrophisation (accumulation d'aliments dans un écosystème aquatique) ✓ favorise les espèces à croissance rapide (phytoplancton,…) augmente la turbidité et la sédimentation, ce qui prive le fond et la colonne d'eau de lumière ✓ développement des bactéries augmentation de la dégradation des substrats organiques ✓ décomposition de la MO un déclin dans les niveaux d'oxygène (anoxie). ✓ moins d'oxygène provoque la mort de nombreuses espèces 38 3. Le cycle du soufre 39  3.1. Différentes étapes du cycle du soufre A/ L’oxydation du sulfure d’hydrogène H2S Microorganismes photosynthétiques (Bactéries sulfureuses pourpres et vertes: ex Chromatium); anaérobiose 2H2S + CO2 → CH2O + H2O +2S 40 Le cycle du soufre 41  Le cycle du soufre A/ L’oxydation du sulfure d’hydrogène H2S Microorganismes photosynthétiques (Bactéries sulfureuses pourpres et vertes: ex Chromatium); anaérobiose 2H2S + CO2 → CH2O + H2O +2S Chimiotrophes (ex Thiobacillus) ; aérobiose 2H2S + O2 → 2S + 2H2O 42 Le cycle du soufre 43  Le cycle du soufre A/ L’oxydation du sulfure d’hydrogène H2S Microorganismes photosynthétiques (Bactéries sulfureuses pourpres et vertes: ex Chromatium); anaérobiose 2H2S + CO2 → CH2O + H2O +2S Chimiotrophes (ex Thiobacillus) ; aérobiose 2H2S + O2 → 2S + 2H2O B/ L’oxydation du soufre élémentaire S0 en sulfates SO42- 2S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO42− Thiobacillus 44 Le cycle du soufre 45  Le cycle du soufre A/ L’oxydation du sulfure d’hydrogène H2S Microorganismes photosynthétiques (Bactéries sulfureuses pourpres et vertes: ex Chromatium); anaérobiose →lumineuse 2H2S + CO2 Énergie CH2O + H2O +2S Chimiotrophes (ex Thiobacillus) ; aérobiose 2H2S + O2 → 2S + 2H2O B/ L’oxydation du soufre élémentaire S0 en sulfates SO42- 2S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO42− Thiobacillus 2S + 5H2O + 3CO2 → 2H2SO42− + 3(CH2O) Bactéries sulfureuses pourpres Énergie lumineuse et vertes C/ La réduction des sulfates SO42- Respiration anaérobie (Desulfovibrio) SO42− + 4 H2 + 2 H+ → H2S + 4 H2O 46 Le cycle du soufre 47  Le cycle du soufre A/ L’oxydation du sulfure d’hydrogène H2S Microorganismes photosynthétiques (Bactéries sulfureuses pourpres et vertes: ex Chromatium); anaérobiose 2H2S + CO2 → CH2O + H2O +2S Chimiotrophes (ex Thiobacillus) ; aérobiose 2H2S + O2 → 2S + 2H2O B/ L’oxydation du soufre élémentaire S0 en sulfates SO42- 2S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO42− Thiobacillus C/ La réduction des sulfates SO42- Respiration anaérobie (Desulfovibrio) SO42− + 4 H2 + 2 H+ → H2S + 4 H2O D/ La minéralisation Décomposition des protéines soufrées libération H2S 48 Le cycle du soufre 49 3.2. Un déséquilibre du cycle du soufre Soufre en excès dans l’atmosphère Pluie acide (H2SO3) Impact sur les végétaux 50  4. Le cycle du phosphore ▪ Le phosphore présent dans : ADN Membrane cellulaire Squelette/dent (phosphate de calcium) ▪ Phosphore principalement sous forme d’ions phosphates (PO43-) dans le cycle ▪ Le phosphore n’entre pas dans l’atmosphère ( ≠ N, C, S) 51 4.1. Différentes étapes du cycle du phosphore Phosphore principalement trouvé dans les roches Libéré par érosion Utilisation du phosphore par les plantes et les animaux sous forme d’ions phosphates (PO43-) inorganiques Phosphore organique 52 Le cycle du phosphore phosphate inorganique Océan 53 ion hydrogénophosphate HPO42– ion dihydrogénophosphate H PO –  Le cycle du phosphore Retour du phosphore au sol (excrément, décomposition organismes morts) Lessivage du phosphore vers les océans squelette phytoplacton et nourriture pour organismes marins 54  Le cycle du phosphore phosphate inorganique Océan 55 ion hydrogénophosphate HPO42– ion dihydrogénophosphate H2PO4–  Le cycle du phosphore Dépôt au fond des océans (organismes morts, particules) Enfouissement et formation de roches sédimentaires Mouvements tectoniques roches ramenées à la surface Nouveau cycle 56 Le cycle du phosphore phosphate inorganique Océan 57 ion hydrogénophosphate HPO42– ion dihydrogénophosphate H PO –  4.2. Un déséquilibre du cycle du Phopsphore Exploitation de mines d’apatite source de phosphore pour engrais artificiel Epandage engrais riche en phosphates, rejet de savons phosphatés eutrophisation des eaux 58 Le cycle du phosphore phosphate inorganique Océan 59 ion hydrogénophosphate HPO42– ion dihydrogénophosphate H PO – 60 III. Le métabolisme énergétique 61  1. Quelques définitions Métabolisme ▪ L’ensemble de toutes les réactions chimiques se déroulant dans la cellule Catabolisme ▪ Fragmentation des molécules plus grosses et plus complexes en molécules plus petites et plus simples avec libération d’énergie ▪ Une partie de cette énergie est captée et rendue disponible pour un travail; le reste est libéré sous forme de chaleur. Anabolisme ▪ Synthèse de molécules complexes à partir de précurseurs plus simples avec consommation d’énergie. 62 2. Rôles du métabolisme ? NUTRIMENTS Métabolisme énergétique 63 2. Rôles du métabolisme ? NUTRIMENTS ATP Mouvements Mouvements moléculaires cellulaires Divisions cellulaires Anabolisme : molécules néosynthétisées Production de biomasse Production de métabolites 64 3. Le cycle de l’énergie 65  4. Vue d’ensemble du métabolisme L’anabolisme a besoin d’une source d’électrons, stockés sous forme de pouvoir réducteur. Le pouvoir réducteur est nécessaire parce que l’anabolisme est un processus réducteur; il ajoute des électrons aux petites molécules qui sont utilisées pour construire les macromolécules L’anabolisme a besoin d’une source d’électrons, stockés sous forme de pouvoir réducteur. L’anabolisme est un processus réducteur; il ajoute des électrons aux petites molécules qui sont utilisées pour construire les macromolécules. 66  4.1. Les réactions d’oxydo-réduction et les transporteurs d’électrons ❑ Les processus métaboliques impliquent des réactions d’oxydo-réduction (transfert d’électrons). ❑ Transfert d’électrons d’un donneur à un receveur ❑ Accepteur + né Donneur Une oxydation est une perte d’électrons. Une réduction est un gain d’électrons. ❑ Peut ultimement générer une libération d’énergie, qui peut être conservée et utilisée sous la forme d’ATP. 67  Les réactions d’oxydo-réduction et les transporteurs d’électrons Le potentiel de réduction standard (E0) mesure la tendance à perdre des électrons et se mesure en Volts. Plus cette valeur est négative et meilleure sera la capacité de donner des électrons. À l’inverse, plus la valeur est élevée et meilleure sera la capacité à recevoir des électrons. Exemple: NAD+ + 2H+ + 2é NADH + H+ E0’= -0,32 V ½02 + 2H+ + 2é H20 E0’= +0,82 V Déplacement spontané des e- de donneurs à potentiel plus négatif vers des accepteurs à potentiel supérieur 68 4.2. Les sources d’énergie NUTRIMENTS PHOTONS Energie chimique Energie lumineuse CAPTURE + TRANSFORMATION Energie CHIMIQUE ATP, GTP,... 69  4.3. Les types trophiques se définissent à partir de la nature des sources d'énergie NUTRIMENTS PHOTONS Energie chimique Energie lumineuse CAPTURE + TRANSFORMATION Organismes Organismes CHIMIOTROPHES PHOTOTROPHES Energie CHIMIQUE ATP, GTP,... Déjà vu 70  Rappel: Schéma bilan de la photosynthèse Pouvoir réducteur pour fixation CO2 par cycle Calvin 71 Source d’énergie Chimio Photo Source d’électrons litho Litho Organo Organo Source de carbone autotrophe autotrophe hétérotrophe hétérotrophe 72  IV. Les chimiotrophes Energie libérée lors de réactions chimiques d'oxydo-réduction NUTRIMENTS : ce sont des réducteurs ATP Réducteur 1 Oxydant 1 XH2 X T TH2 Réducteur 2 Oxydant 2 YH2 Y (+/-ATP) T : coenzyme oxydé 73 1. Les chimiotrophes : Nature du réducteur 1 Réducteur 1 Donneur = XH2 d'électrons 2H+ + 2e- Oxydant 1 X minéral organique chimio chimio lithotrophe organotrophe 74  Source de = Réducteur 1 carbone X- Oxydant 1 X' organique minéral hétérotrophe autotrophe 75  Source de Donneur = Réducteur 1 = carbonne d'électrons XH2 2H+ + 2e- Oxydant 1 X organique minéral Chimiolithotrophe minéral organique autotrophe hétérotrophe autotrophe chimio chimio lithotrophe organotrophe Chimioorganotrophe hétérotrophe 76  Les chimiotrophes Définition du type trophique ATP Réducteur 1 Oxydant 1 XH2 X T TH2 Réducteur 2 Oxydant 2 YH2 Y T : coenzyme oxydé (ATP) 77  2. Les chimioorganotrophes : Nature de l’oxydant 2 minéral Oxydant 2 = organique = extracellulaire Y intracellulaire (O2, NO3-,...) 2H+ + 2e- Réducteur 2 YH2 RESPIRATION FERMENTATION 78  3. Le métabolisme chez les chimioorganotrophes Fermentation ⚫ Le substrat énergétique est dégradé en utilisant des accepteurs d’électrons endogènes. ⚫ S’effectue en conditions anaérobies. ⚫ Libère une quantité d’énergie limitée. Respiration aérobie ⚫ Le substrat énergétique est dégradé en utilisant l’oxygène comme accepteur d’électrons exogène. ⚫ S’effectue en conditions aérobies. ⚫ Génère une grande quantité d’énergie, principalement grâce à l’activité de la chaîne de transfert d’électrons. Respiration anaérobie ⚫ Le substrat énergétique est dégradé en utilisant des molécules autres que l’oxygène comme accepteurs d’électrons exogènes. ⚫ S’effectue en conditions anaérobies. ⚫ Peut produire une grande quantité d’énergie (dépendant du potentiel de réduction de la source d’énergie et des accepteurs d’électrons), principalement 79 grâce à l’activité de la chaîne de transfert d’électrons. 4. L’énergie chez les chimioorganotrophes Respiration: Les électrons traversent un système de transfert des électrons. Cela génère une force proton-motrice (FPM) qui est utilisée pour synthétiser de l’ATP par un mécanisme appelé phosphorylation oxydative. Fermentation: Des molécules endogènes agissent comme accepteurs d’électrons. Le flux d’électrons n’est pas couplé à une synthèse d’ATP, et cette dernière n’est formée que par phosphorylation au niveau du substrat. 80  L’énergie chez les chimioorganotrophes Phosphorylation oxydative: Mode de synthèse de l’ATP qui est alimenté par des réactions d’oxydo- réduction transférant des électrons des nutriments jusqu’à l’O2 ou un autre accepteur dans la respiration cellulaire (dans la membrane interne de la mitochondrie chez eucaryote ou membrane plasmique chez procaryotes) Phosphorylation au niveau du substrat: Mode de synthèse de l’ATP dans lequel un enzyme transfère directement un groupement phosphate d’un substrat à l’ADP. 81 L’énergie chez les chimioorganotrophes 82  5. Les chimioorganotrophes : les respirations O2 NO3- SO42- Oxydant 2 2H+ + 2e- Y Chaînes de transporteurs d'e- et d'H+ Chaîne respiratoire Réducteur 2 YH2 H2O N2, NH4 H2S RESPIRATIONS aérobie nitrate sulfate anaérobie 83 5.1. La respiration aérobie chez les chimioorganotrophes Catabolisme des divers nutriments Différentes sources d’énergie sont dirigées vers des voies cataboliques communes. 84 5.1. La respiration aérobie chez les chimioorganotrophes 5.1.1. Dégradation des composés complexes Grosses molécules organiques nutritives (protéines, polysaccharides et lipides) Petites molécules plus simples Les petites molécules sont dégradées en pyruvate et/ou Acétyl-CoA. Ces molécules sont oxydées et dégradées par le cycle des acides tricarboxyliques. 85  5.1.1.1. Les polymères de réserve Utilisés comme source d’énergie en absence de nutriments externes. A/ Glycogène et amidon. ⚫ Clivés par phosphorolyse. (glucose)n + Pi (glucose)n-1 + glucose-1-P ⚫ Le glucose-1-P peut entrer dans le cycle de la glycolyse. 86 B/ Poly-ß-hydroxybutyrate (PHB). ⚫ Oxydation en acétoacétate. ⚫ L’acétoacétate est converti en acétyl-CoA qui peut être oxydé dans le cycle des acides tricarboxyliques. 87 Oxydation terminale Oxydation subterminale Cétone Alcool IIaire Alcool Iaire Aldéhyde Acide carboxylique Acétylester Alcool Iaire 88  5.1.1.2. Les protéines et acides aminés A/ Protéines ⚫ protéases et peptidases : hydrolyse des protéines et libération d’acides aminés. B/ Acides aminés Retire le groupe aminé d’un acide aminé = Déamination oxydative * oxydation par les déhydrogénases liées au cytochrome via la chaine respiratoire L’acide cétonique peut entrer dans le cycle de Krebs 89 * oxydation par les déhydrogénases liées au NAD(P)+ Glutamate déhydrogénase * Transamination 90  5.1.1.3. Les glucides Monosaccharides ⚫ Converti en d’autres sucres (i.e. glucose, fructose, mannose) qui entrent dans la voie de la glycolyse après phosphorylation par l’ATP. ⚫ Disaccharides et polysaccharides ⚫ Clivés par hydrolyse ou phosphorolyse. (lyse d'une molécule organique par ajout d'un phosphate inorganique) 91 5.2. Mécanismes de la respiration aérobie chez les chimioorganotrophes 92 Exemple de la dégradation du glucose Glucose (C6H12O6) ATP CO2 Réducteur1 XH2 Oxydant1 X glycolyse+cycle de Krebs T TH2 Réducteur 2 membrane cytoplasmique Oxydant 2 H2O, (H2O2) Chaînes respiratoires O2 T : coenzyme oxydé ATP 93 La respiration se divise en trois grandes phases: 1. La glycolyse 2. Le cycle de l’acide citrique (ou de Krebs) 3. La phosphorylation oxydative : transport des électrons et chimiosmose 94  Glycolyse et cycle de l’acide citrique : « Déshabillage » de la molécule de glucose et extraction des électrons riches en énergie. Phosphorylation oxydative : Utilisation de l'énergie des électrons extraits pour former de l’ATP La dégradation du glucose en pyruvate : trois voies métaboliques ❑ Voie d’Embden-Meyerhof (glycolyse) ❑ Voie des pentoses phosphates ❑ Voie d’Entner-Doudoroff 95 A. La glycolyse 96 La glycolyse 97 La glycolyse 98 La glycolyse Investissement (-2 ATP) Libération d’énergie (+ 4 ATP et 2 NADH) 99 B. La voie des pentoses phosphates 100 C. La voie d’Entner-Doudoroff 101 D. Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) 102  Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) Sir Hans Krebs (1900-1981) Prix Nobel 1953 pour la découverte dans les années 30 du cycle qui porte son nom. Le pyruvate contient encore de nombreux électrons riches en énergie. Ils sont extraits dans cette phase. Le pyruvate entre dans le cycle de l’acide citrique qui se déroule dans le cytosol (procayotes) ou les mitochondries (eucaryotes). Commun chez les bactéries aérobies, les protozoaires libres, les champignons. 103  Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) NADH: nicotinamide adénine dinucléotide FAD: flavine adénine dinucléotide Première étape : le pyruvate entre dans la mitochondrie et est transformé en acétyl CoA (eucaryote) sinon, déjà dans104 cytosol (procaryotes)  Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) 2 pyruvates + 2 NAD+ + 2 Coenzyme A → 2 NADH +2 H+ + 2CO2 + 2Acétyl-CoA (3C) (2C) Entrée dans le cycle de Krebs 105 Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) 106 Le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) Le pyruvate perd 2 H et 1 C (et 2 O) Le produit à 2C qui en résulte se combine à une coenzyme A (CoA) pour former de l'acétyl coenzyme A (ACoA) L'ACoA (C2) se combine à un produit à 4C (oxaloacétate) pour former un produit à 6C (acide citrique) Le citrate à 6C formé perd 2 C et des H pour redonner le produit de départ à 4C et le cycle recommence. Des H (et leurs électrons) sont transférés au NAD ou au FAD 1 ATP a été formé 107 D-1. Bilan du cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) Pour 1 acetyl-CoA oxydée, le cycle de Krebs produit: ▪ 2 molécules de CO2 ▪ 3 molécules de NADH ▪ 1 FADH2 ▪ 1 ATP Entrée: Sortie: 2 acétyl-CoA, 4 CO2, 6 NAD, 6 NADH, 2 FAD, 2 FADH2 , 2 ADP 2 ATP 108 D-2. Rôle du cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs) Asparagine Phenylalanine Fumarate Tyrosine Valine Isoleucine Méthionine Histidine Proline 109 Arginine D-3. Bilan de la dégradation du glucose en fin de cycle de Krebs Le glucose a complètement été démoli en CO2 et H 4 ATP produits pour chaque glucose (2 dans la glycolyse et 2 dans le cycle de Krebs) L’énergie du glucose est maintenant contenue dans les électrons des hydrogènes transportés par le NADH et le FADH; ces électrons sont encore à des niveaux énergétiques élevés. Chaîne de Glycolyse: transport – 2 NADH d’électrons Étape charnière: (NADH et FADH2) – 2 NADH Cycle de Krebs: – 6 NADH – 2 FADH 110 E. La phosphorylation oxydative: transport des électrons et chimiosmose eucaryote 111 112 E.1. Exemple de chaîne respiratoire chez les bactéries 113  Les transporteurs d’électrons sont couplés à des transporteurs actifs d’ions H+. L'énergie provenant des électrons transférés sert à actionner ces transporteurs qui "pompent" des ions H+ dans l'espace intermembranaire. Accumulation d'ions H+ dans l'espace intermembranaire Gradient de concentration : l'espace Intermembranaire devient plus concentré en ions H+ (plus acide). Gradient électrique : un côté de la membrane devient positif (accumulation d'ions +) et l'autre, négatif (déficit en ions + par 114 rapport aux ions -). E.2. La chimiosmose 115 La chimiosmose Gradient électrochimique les ions H+ ont tendance à diffuser vers la matrice (= force protomotrice). Ils le font en passant par des ATP synthases permet la formation d'ATP à partir d'ADP et Pi. 116 E.3. Rendement maximum théorique en ATP de la respiration aérobie 1 NADH → ~ 3 ATP 1 FADH 2 → ~ 2 ATP 117  5.3. Les chimiotrophes : la respiration anaérobie ⚫ Accepteurs d’électrons exogènes autres que l’O2. 118  5.3.1. Des exemples de respiration anaérobie * Méthanogénèse cf plus loin dans le cours * Dénitrification ⚫ Utilisation du nitrate comme accepteur final d’électrons. N03- + 2e- + 2H+ NO2- + H20 ⚫ Réduction du nitrate en azote gazeux. 2N03- + 10e- + 12H+ N2 + 6H20 Différents Intermédiaires : N03- NO2- NO N20 N2 119 5.3.2. Bilan de la respiration anaérobie La respiration anaérobie n’est pas aussi efficace que la respiration aérobie moins d’ATP produit lors de la phosphorylation oxydative lorsque l’accepteur final est le nitrate, le sulfate ou le CO2. 120 5.4. Les chimiolithotrophes : oxydation des molécules inorganiques ⚫ Limité à un petit groupe de bactéries. ⚫ Les électrons sont libérés de la source d’énergie transfert à un accepteur d’électron terminal via la chaîne de transfert des électrons. ⚫ L’ATP est synthétisé par phosphorylation oxydative. 121 5.4.1. Chimiolithotrophes représentatifs et leurs sources d’énergie Source de carbone: CO2 3 groupes: ❑ Bactéries nitrifiantes (nitrobactéries) ❑ Bactéries oxydant le soufre (sulfobactéries) et la Fe2+ ❑ Bactéries oxydant le H2 (hydrogénobactéries) 122 5.4.1.1. Les chimiolithotrophes : exemple des bactéries nitrifiantes A. Rappel cycle N Bactérie nitreuse 1,5 E libérée = -352 Kj Bactérie nitratante E libérée = -80 Kj 123  B. La nitrification autotrophe 1. La nitrosation NH4+/NH2OH E0= +0,89V NAD+/NADH E0= -0,32V 124  2. La nitratation NO3-/ NO2- E0= +0,42V NAD+/NADH E0= -0,32V ½ O2/H2O E0= +0,82V 125  La nitratation flux inverse d’électrons 126 5.4.1.2. La chimiolithotrophie chez les Archées 2- 127 A. Les archées méthanogènes 128 Methanobacteriales Methanopyrales Methanococcales Methanocellales Methanomicrobiales Methanomassiliicoccales Methanosarcinales 129  B. Production de méthane Méthanogénèse 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O hydrogénotrophe ∆G° = -135 kJ/mol CH4 CH3OH + H2 → CH4 + H2O (méthanol) méthylotrophe ∆G° = -113 kJ/mol CH4 CH3COOH → CH4 + CO2 (acide acétique) acétoclaste ∆G° = - 33 KJ/mol CH4 130 131  C. Le méthane C.1. METHANE Méthane (CH4) : alcane le plus simple (forme de carbone la plus réduite) Méthane : composant principal du gaz naturel (environ 87% en volume) Méthane : important gaz à effet de serre CH4 atmosphérique: persistant Période de perturbation = 12 ans [CH4] atm actuelle= 1800 ppb ↗ 157% depuis 1750 132 C.2. SOURCES DE METHANE 133  D. Principales reactions participant à la production de méthane Acétate produit par les fermentations et aussitôt consommé par la méthanogénèse 134 E. Systèmes biologiques coopératifs conduisant à la méthanogénèse NO3- NRB NRB NO3- Fe(III) FRB FRB Fe(III) SO42- SRB SRB SO42- 135 F. La méthanogénèse MCR « enzyme clé de la méthanogénèse » 136  G. L’oxydation du méthane Methanotrophes Oxydation aérobie 60% Oxydation anaérobie 0 100 200 300 400 500 600 0 1 2 3 4 5 CH4 0 -5 -10 -15 Data from- Institut de Physique du Globe (IPGP)-Paris -20 Lacs d’eau douce -25 Oxydation biologique= ↘30 à 99 % CH4 -30 -35 CH4 (mM) -40 -45 O2 (µM) -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90 137 -95  G-1. L’oxydation aérobie du méthane BACTERIA- GRAM NEGATIVE- AEROBIE STRICTE → Gamma-Proteobacteria (Type I) – AEROBIC METHANE OXIDATION Methylococcaceae (Methylobacter, Methylosarcina, …)) monooxygenase MMO Methane → Alpha-Proteobacteria (Type II) – Methylocystaceae , Beijenrinckiaceae (Methylocystis, Methylosinosus, Methylocella, etc. ) → Crenothrix polyspora, Clonothrix fusca - Gamma- Proteobacteria CH3OH → Verrucomicrobia – (Methylacidiphilum) 138 G-1.1. La voie du ribulose monophosphate Biosynthèse 139 G-1.2. La voie de la sérine Biosynthèse CO2 140 G-1.3. Conséquences de l’oxydation aérobie du méthane 141  G-2. L’oxydation anaérobie du méthane (AOM) Découverte en 1990 ANME= ANaerobic MEthanotrophs 142 Anaerobic Oxidation of methane (AOM) CH4+SO42-+Ca2+ →CaCO3+H2S+H2O ANME-1 Desulfosarcina/Desulfococcus ANME-2 Desulfosarcina/Desulfococcus ANME-3 Desulfobulbus 143  Anaerobic Oxidation of methane (AOM) ARCHAEA BACTERIA 144  Anaerobic Oxidation of methane (AOM) 145 Anaerobic Oxidation of methane (AOM) CH4+4MnO2+7H+ →HCO3-+4Mn2++5H2O CH4+8Fe(OH)3+15H+ →HCO3-+8Fe2++21H2O Marine benthic group-D (MBG-D) 146 G.3. Bilan de Production biologique du méthane 147