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8.11 : Pourquoi c'est important - Voies métaboliques - Biologie

8.11 : Pourquoi c'est important - Voies métaboliques - Biologie



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Pourquoi expliquer les voies métaboliques impliquées dans la capture et la libération d'énergie dans les cellules ?

Chaque fois que vous bougez, ou même que vous respirez, vous consommez de l'énergie. Deux de ces voies sont la photosynthèse et la respiration cellulaire.

Les plantes (et autres autotrophes) subissent une photosynthèse pour créer de l'énergie. Les humains (et autres hétérotrophes) d'autre part doivent consommer quelque chose qui a de l'énergie (comme des plantes ou d'autres animaux) - nous prenons cette énergie et la convertissons en une forme que notre corps peut utiliser. Ce processus est connu sous le nom de respiration cellulaire.

Regardez cette vidéo de 5 minutes pour un aperçu des raisons pour lesquelles même de petits changements dans le climat mondial peuvent avoir de grands impacts sur notre vie quotidienne à travers nos sources de nourriture.

Un élément YouTube a été exclu de cette version du texte. Vous pouvez le consulter en ligne ici : pb.libretexts.org/biom1/?p=238

  • Quel rôle l'agriculture joue-t-elle pour nous donner de l'énergie à utiliser au quotidien ?
  • Comment les plantes obtiennent-elles de l'énergie pour pousser, et comment en tirons-nous ensuite notre énergie ?

Ok, voyons d'où vient toute l'énergie pour rester éveillé pendant le cours de biologie !

Résultats d'apprentissage

  • Comprendre le rôle que joue le mouvement des électrons dans les échanges d'énergie dans les cellules
  • Identifier les composants de base et les étapes de la photosynthèse
  • Identifier les réactifs et les produits de la respiration cellulaire et où ces réactions se produisent dans une cellule
  • Illustrer les composants de base et les étapes de la fermentation

8.11 : Pourquoi c'est important - Voies métaboliques - Biologie

De nombreuses cellules sont incapables d'effectuer la respiration en raison d'une ou plusieurs des circonstances suivantes :

  1. La cellule manque d'une quantité suffisante de tout accepteur d'électrons final inorganique approprié pour effectuer la respiration cellulaire.
  2. La cellule manque de gènes pour fabriquer des complexes appropriés et des porteurs d'électrons dans le système de transport d'électrons.
  3. La cellule manque de gènes pour fabriquer une ou plusieurs enzymes dans le cycle de Krebs.

Alors que l'absence d'un accepteur final d'électrons inorganique approprié dépend de l'environnement, les deux autres conditions sont déterminées génétiquement. Ainsi, de nombreux procaryotes, y compris des membres du genre cliniquement important Streptocoque, sont en permanence incapables de respirer, même en présence d'oxygène. Inversement, de nombreux procaryotes sont facultatifs, ce qui signifie que, si les conditions environnementales changent pour fournir un accepteur d'électrons final inorganique approprié pour la respiration, les organismes contenant tous les gènes nécessaires pour le faire passeront à la respiration cellulaire pour le métabolisme du glucose, car la respiration permet un ATP beaucoup plus important. production par molécule de glucose.

Si la respiration ne se produit pas, le NADH doit être réoxydé en NAD + pour être réutilisé comme transporteur d'électrons pour la glycolyse, le seul mécanisme de la cellule pour produire de l'ATP, pour continuer. Certains systèmes vivants utilisent une molécule organique (généralement du pyruvate) comme accepteur final d'électrons via un processus appelé fermentation. La fermentation n'implique pas de système de transport d'électrons et ne produit pas directement d'ATP supplémentaire au-delà de celui produit lors de la glycolyse par phosphorylation au niveau du substrat. Les organismes effectuant la fermentation, appelés fermenteurs, produisent au maximum deux molécules d'ATP par glucose lors de la glycolyse. Le tableau 1 compare les accepteurs d'électrons finaux et les méthodes de synthèse d'ATP dans la respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation. Notez que le nombre de molécules d'ATP indiqué pour la glycolyse suppose la Sentier Embden-Meyerhof-Parnas. Le nombre de molécules d'ATP produites par phosphorylation au niveau du substrat (SLP) contre phosphorylation oxydative (OP) sont indiqués.

Les processus de fermentation microbienne ont été manipulés par les humains et sont largement utilisés dans la production de divers aliments et autres produits commerciaux, y compris des produits pharmaceutiques. La fermentation microbienne peut également être utile pour identifier les microbes à des fins de diagnostic.

La fermentation par certaines bactéries, comme celles du yaourt et d'autres produits alimentaires aigres, et par les animaux dans les muscles pendant l'épuisement de l'oxygène, est fermentation lactique. La réaction chimique de la fermentation lactique est la suivante :

Bactéries de plusieurs genres gram-positifs, y compris Lactobacilles, Leuconostoc, et Streptocoque, sont collectivement connus sous le nom de bactéries lactiques (BL), et diverses souches sont importantes dans la production alimentaire. Pendant yaourt et du fromage production, l'environnement très acide généré par la fermentation lactique dénature les protéines contenues dans le lait, provoquant sa solidification. Lorsque l'acide lactique est le seul produit de fermentation, le processus est dit fermentation homolactique tel est le cas pour Lactobacillus delbrueckii et S. thermophiles utilisé dans la production de yaourt. Cependant, de nombreuses bactéries agissent fermentation hétérolactique, produisant un mélange d'acide lactique, d'éthanol et/ou d'acide acétique, et de CO2 en conséquence, en raison de leur utilisation de la voie ramifiée des pentoses phosphates au lieu de la voie EMP pour la glycolyse. Un important fermenteur hétérolactique est Leuconostoc mesenteroides, qui est utilisé pour acidifier des légumes comme les concombres et le chou, produisant respectivement des cornichons et de la choucroute.

Les bactéries lactiques sont également importantes sur le plan médical. La production d'environnements à faible pH dans le corps inhibe l'établissement et la croissance d'agents pathogènes dans ces zones. Par exemple, le microbiote vaginal est composé en grande partie de bactéries lactiques, mais lorsque ces bactéries sont réduites, les levures peuvent proliférer, provoquant une infection à levures. De plus, les bactéries lactiques sont importantes pour maintenir la santé du tractus gastro-intestinal et, en tant que telles, sont le principal composant des probiotiques.

Un autre processus de fermentation familier est fermentation alcoolique, qui produit de l'éthanol. La réaction de fermentation de l'éthanol est illustrée à la figure 1. Dans la première réaction, l'enzyme pyruvate décarboxylase élimine un groupe carboxyle du pyruvate, libérant du CO2 gaz tout en produisant l'acétaldéhyde, une molécule à deux carbones. La deuxième réaction, catalysée par l'enzyme alcool déshydrogénase, transfère un électron du NADH à l'acétaldéhyde, produisant de l'éthanol et du NAD + . La fermentation éthanolique du pyruvate par la levure Saccharomyces cerevisiae est utilisé dans la production de boissons alcoolisées et fait également augmenter les produits de panification en raison du CO2 production. En dehors de l'industrie alimentaire, la fermentation éthanolique des produits végétaux est importante dans biocarburant production.

Figure 1. Les réactions chimiques de la fermentation alcoolique sont présentées ici. La fermentation à l'éthanol est importante dans la production de boissons alcoolisées et de pain.

Au-delà de la fermentation lactique et de la fermentation alcoolique, de nombreuses autres méthodes de fermentation interviennent chez les procaryotes, toutes dans le but d'assurer un apport adéquat en NAD+ pour la glycolyse (tableau 2). Sans ces voies, la glycolyse ne se produirait pas et aucun ATP ne serait récolté à partir de la dégradation du glucose. Il convient de noter que la plupart des formes de fermentation en plus fermentation homolactique produire du gaz, généralement du CO2 et/ou de l'hydrogène gazeux. Bon nombre de ces différents types de voies de fermentation sont également utilisés dans la production alimentaire et chacun entraîne la production de différents acides organiques, contribuant à la saveur unique d'un produit alimentaire fermenté particulier. L'acide propionique produit pendant fermentation acide propionique contribue à la saveur distinctive du fromage suisse, par exemple.

Plusieurs produits de fermentation sont importants commercialement en dehors de l'industrie alimentaire. Par exemple, les solvants chimiques tels que acétone et butanol sont produits pendant fermentation acétone-butanol-éthanol. Les composés pharmaceutiques organiques complexes utilisés dans les antibiotiques (par exemple, la pénicilline), les vaccins et les vitamines sont produits par fermentation acide mixte. Les produits de fermentation sont utilisés en laboratoire pour différencier diverses bactéries à des fins de diagnostic. Par exemple, les bactéries entériques sont connues pour leur capacité à effectuer une fermentation acide mixte, réduisant le pH, ce qui peut être détecté à l'aide d'un indicateur de pH. De même, la production bactérienne d'acétoïne lors de la fermentation du butanediol peut également être détectée. La production de gaz à partir de la fermentation peut également être observée dans un tube de Durham inversé qui piège le gaz produit dans un bouillon de culture.

Les microbes peuvent également être différenciés selon les substrats qu'ils peuvent fermenter. Par exemple, E. coli peut fermenter le lactose, formant du gaz, alors que certains de ses proches parents gram-négatifs ne le peuvent pas. La capacité à fermenter l'alcool de sucre sorbitol est utilisée pour identifier la souche pathogène entérohémorragique O157:H7 de E. coli car contrairement à d'autres E. coli souches, il est incapable de fermenter le sorbitol. Enfin, la fermentation du mannitol différencie la fermentation du mannitol Staphylococcus aureus d'autres staphylocoques ne fermentant pas le mannitol.

Tableau 2. Voies de fermentation courantes
Sentier Produits finaux Exemple de microbes Produits commerciaux
Acétone-butanol-éthanol Acétone, butanol, éthanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Solvants commerciaux, alternative à l'essence
De l'alcool Éthanol, CO2 Candida, Saccharomyces Pain à la bière
Butanediol Acide formique et lactique éthanol acétoïne 2,3 butanediol CO2 gaz hydrogène Klebsiella, Enterobacter Vin de chardonnay
Acide butyrique Acide butyrique, CO2, gaz hydrogène Clostridium butyricum Le beurre
Acide lactique Acide lactique Streptocoque, Lactobacille Choucroute, yaourt, fromage
Acide mélangé Acides acétique, formique, lactique et succinique éthanol, CO2, gaz hydrogène Escherichia, Shigella Vinaigre, cosmétiques, produits pharmaceutiques
L'acide propionique Acide acétique, acide propionique, CO2 Propionibacterium, Bifidobacterium fromage suisse

Pensez-y

  • Quand un microbe métaboliquement polyvalent effectuerait-il la fermentation plutôt que la respiration cellulaire ?

Identification des bactéries à l'aide de panels de test API

L'identification d'un isolat microbien est essentielle pour le bon diagnostic et le traitement approprié des patients. Les scientifiques ont développé des techniques qui identifient les bactéries en fonction de leurs caractéristiques biochimiques. En règle générale, ils examinent soit l'utilisation de sources de carbone spécifiques comme substrats pour la fermentation ou d'autres réactions métaboliques, soit ils identifient les produits de fermentation ou les enzymes spécifiques présentes dans les réactions. Dans le passé, les microbiologistes utilisaient des tubes à essai et des plaques individuels pour effectuer des tests biochimiques. Cependant, les scientifiques, en particulier ceux des laboratoires cliniques, utilisent désormais plus fréquemment des panneaux multitests jetables en plastique qui contiennent un certain nombre de tubes de réaction miniatures, chacun comprenant généralement un substrat et un indicateur de pH spécifiques. Après inoculation du panel de test avec un petit échantillon du microbe en question et incubation, les scientifiques peuvent comparer les résultats à une base de données qui comprend les résultats attendus pour des réactions biochimiques spécifiques pour des microbes connus, permettant ainsi une identification rapide d'un échantillon de microbe. Ces panels de test ont permis aux scientifiques de réduire les coûts tout en améliorant l'efficacité et la reproductibilité en effectuant un plus grand nombre de tests simultanément.

De nombreux panels de tests biochimiques miniaturisés commerciaux couvrent un certain nombre de groupes de bactéries et de levures cliniquement importants. L'un des panels de test les plus anciens et les plus populaires est le panel d'indice de profil analytique (API) inventé dans les années 1970. Une fois qu'une caractérisation de base en laboratoire d'une souche donnée a été effectuée, telle que la détermination de la morphologie Gram de la souche, une bandelette de test appropriée contenant 10 à 20 tests biochimiques différents pour différencier les souches au sein de ce groupe microbien peut être utilisée. Actuellement, les divers Bandes API peut être utilisé pour identifier rapidement et facilement plus de 600 espèces de bactéries, aérobies et anaérobies, et environ 100 types de levures différents. Sur la base des couleurs des réactions lorsque des produits finaux métaboliques sont présents, en raison de la présence d'indicateurs de pH, un profil métabolique est créé à partir des résultats (Figure 2). Les microbiologistes peuvent ensuite comparer le profil de l'échantillon à la base de données pour identifier le microbe spécifique.

Figure 2. La bandelette de test API 20NE est utilisée pour identifier des souches spécifiques de bactéries gram-négatives en dehors des entérobactéries. Voici un résultat de bandelette de test API 20NE pour Photobacterium damselae ssp. piscicide.

Focus clinique : Alex, partie 2

Cet exemple continue l'histoire d'Alex qui a commencé dans Energy Matter and Enzymes.

De nombreux symptômes d'Alex correspondent à plusieurs infections différentes, notamment la grippe et la pneumonie. Cependant, ses réflexes lents ainsi que sa sensibilité à la lumière et sa raideur de la nuque suggèrent une possible implication du système nerveux central, indiquant peut-être méningite. La méningite est une infection du liquide céphalo-rachidien (LCR) autour du cerveau et de la moelle épinière qui provoque une inflammation des méninges, les couches protectrices recouvrant le cerveau. La méningite peut être causée par des virus, des bactéries ou des champignons. Bien que toutes les formes de méningite soient graves, la méningite bactérienne est particulièrement grave. La méningite bactérienne peut être causée par plusieurs bactéries différentes, mais la bactérie Neisseria meningitidis, un diplocoque Gram négatif en forme de haricot, est une cause fréquente et entraîne la mort en 1 à 2 jours chez 5 à 10 % des patients.

Compte tenu de la gravité potentielle de l'état d'Alex, son médecin a conseillé à ses parents de l'emmener à l'hôpital de Banjul, la capitale gambienne, et de le faire tester et traiter pour une éventuelle méningite. Après 3 heures de route jusqu'à l'hôpital, Alex a été immédiatement admis. Les médecins ont prélevé un échantillon de sang et effectué une ponction lombaire pour tester son LCR. Ils l'ont aussi immédiatement mis sous traitement à l'antibiotique ceftriaxone, le médicament de choix pour le traitement de la méningite causée par N. meningitidis, sans attendre les résultats des tests de laboratoire.

  • Comment les tests biochimiques peuvent-ils être utilisés pour confirmer l'identité de N. meningitidis?
  • Pourquoi les médecins d'Alex ont-ils décidé d'administrer des antibiotiques sans attendre les résultats des tests ?

Nous reviendrons sur l'exemple d'Alex dans les pages suivantes.

Concepts clés et résumé

  • La fermentation utilise une molécule organique comme accepteur d'électrons final pour régénérer le NAD + à partir du NADH afin que la glycolyse puisse se poursuivre.
  • La fermentation n'implique pas de système de transport d'électrons et aucun ATP n'est produit directement par le processus de fermentation. Les fermenteurs produisent très peu d'ATP - seulement deux molécules d'ATP par molécule de glucose pendant la glycolyse.
  • Des procédés de fermentation microbienne ont été utilisés pour la production d'aliments et de produits pharmaceutiques, et pour l'identification de microbes.
  • Au cours de la fermentation lactique, le pyruvate accepte les électrons du NADH et est réduit en acide lactique. Microbes performants fermentation homolactique produire uniquement de l'acide lactique en tant que produit de fermentation fermentation hétérolactique produire un mélange d'acide lactique, d'éthanol et/ou d'acide acétique et de CO2.
  • La production d'acide lactique par le microbiote normal empêche la croissance d'agents pathogènes dans certaines régions du corps et est importante pour la santé du tractus gastro-intestinal.
  • Lors de la fermentation éthanolique, le pyruvate est d'abord décarboxylé (libérant du CO2) en acétaldéhyde, qui accepte ensuite les électrons du NADH, réduisant l'acétaldéhyde en éthanol. La fermentation éthanolique est utilisée pour la production de boissons alcoolisées, pour la fabrication de produits panifiés et pour la production de biocarburants.
  • Les produits de fermentation des voies (par exemple, la fermentation de l'acide propionique) confèrent des saveurs distinctives aux produits alimentaires. La fermentation est utilisée pour produire des solvants chimiques (fermentation acétone-butanol-éthanol) et pharmaceutiques (fermentation acide mixte).
  • Des types spécifiques de microbes peuvent être distingués par leurs voies de fermentation et leurs produits. Les microbes peuvent également être différenciés selon les substrats qu'ils sont capables de fermenter.

Choix multiple

Lequel des éléments suivants est le but de la fermentation ?

  1. faire de l'ATP
  2. faire des intermédiaires de molécules de carbone pour l'anabolisme
  3. faire du NADH
  4. faire NAD +

Quelle molécule sert généralement d'accepteur d'électrons final pendant la fermentation ?

Quel produit de fermentation est important pour faire lever le pain ?

Lequel des produits suivants n'est pas un produit de fermentation commercialement important ?

Remplir les trous

Le microbe responsable de la fermentation de l'éthanol dans le but de produire des boissons alcoolisées est le ________.

________ entraîne la production d'un mélange de produits de fermentation, comprenant de l'acide lactique, de l'éthanol et/ou de l'acide acétique, et du CO2.

Les organismes en fermentation fabriquent de l'ATP par le processus de ________.

Correspondant à

Faites correspondre la voie de fermentation avec le bon produit commercial qu'il est utilisé pour produire :


Des biologistes de Dresde font briller le sperme vivant

Comment les insectes femelles parviennent-elles à garder le sperme frais pendant des mois après l'accouplement ? C'est une question centrale des biologistes du sperme de la Chaire de zoologie appliquée dirigée par le professeur Dr. Klaus Reinhardt. Les scientifiques ont maintenant présenté leurs premiers résultats prometteurs dans la revue Rapports scientifiques.

La Dre Cornelia Wetzker a emprunté une technique innovante sans marquage à la recherche sur le cancer afin d'étudier le métabolisme des tissus biologiques vivants. Cela implique la mesure de la décroissance de la fluorescence intrinsèque de la coenzyme métabolique NADH - une affaire de nanosecondes, nécessitant un microscope spécialisé. Cette mesure, également appelée durée de vie de fluorescence, sert de signature spécifique à la cellule et caractérise les voies métaboliques spécifiques du tissu. Les cellules cancéreuses ont une durée de vie de fluorescence NADH plus courte, sont donc plus glycolytiques et peuvent donc être distinguées des cellules saines.

Avec cette méthode, le Dr Cornelia Wetzker a maintenant réussi à examiner le métabolisme des tissus intacts de la mouche des fruits à l'extérieur du corps. Elle a analysé le métabolisme du sperme dans les organes de stockage des animaux mâles et femelles ainsi que d'autres tissus de l'insecte. Les spermatozoïdes ont été étudiés dans des organes fermés encore intacts qui, chez le mâle, servent de stockage avant et chez les femelles après l'accouplement. L'équipe a ainsi découvert que les spermatozoïdes avaient un métabolisme hautement glycolytique similaire à celui des cellules cancéreuses. D'autres cellules, telles que les cellules intestinales, glandulaires et adipeuses, étaient dans un état beaucoup plus oxydatif.

En utilisant cette méthode, les biologistes ont trouvé un premier indice à leur question initiale de savoir comment les spermatozoïdes restent frais dans le corps des femelles d'insectes. Ils ont découvert que la durée de vie de fluorescence d'une autre coenzyme métabolique autofluorescente appelée FAD diffère entre les spermatozoïdes du corps masculin et féminin.

En ce qui concerne l'application clinique de cette technique, la microscopie d'imagerie par fluorescence à vie (FLIM) s'avère très prometteuse. « L'analyse de signature de durée de vie de fluorescence pourrait même être automatisée à l'aide de réseaux de neurones », soupçonne le Dr Cornelia Wetzker. "Et puisque la méthode n'est pas dangereuse, il n'y a aucune raison pour qu'elle ne soit pas utilisée sur des humains ou des animaux vivants", ajoute le professeur Klaus Reinhardt.

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Conclusion

Au cours de l'évolution, les ours bruns se sont adaptés à un mode de vie comprenant hyperphagie et obésité à l'automne et immobilisation pendant jusqu'à six mois d'hibernation en hiver. Les ours ont développé une plasticité métabolique circulaire permettant à ces animaux d'éviter les maladies non transmissibles telles que le syndrome métabolique, le diabète et les maladies cardiovasculaires, et ils ne sont pas sujets à l'ostéoporose ou à la sarcopénie. Il est probable que les ours détiennent des clés pour mieux comprendre et peut-être traiter les maladies liées au mode de vie chez l'homme. Parce que l'hibernation n'est pas génétiquement définie mais probablement confinée à des protéines exprimées différemment, une voie à suivre consiste à rechercher des peptides et des protéines régulés à la hausse et à la baisse pour identifier les biomarqueurs responsables de l'induction et du maintien d'une physiologie saine pendant l'hibernation.


Voir la vidéo: Proteiinisynteesi yleisesti (Août 2022).