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22.3 : Métabolisme procaryote

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    Compétences à développer

    • Identifier les macronutriments dont les procaryotes ont besoin et expliquer leur importance
    • Décrire la façon dont les procaryotes obtiennent de l'énergie et du carbone pour leurs processus vitaux
    • Décrire les rôles des procaryotes dans les cycles du carbone et de l'azote

    Les procaryotes sont des organismes métaboliquement divers. Il existe de nombreux environnements différents sur Terre avec diverses sources d'énergie et de carbone et des conditions variables. Les procaryotes ont pu vivre dans tous les environnements en utilisant toutes les sources d'énergie et de carbone disponibles. Les procaryotes occupent de nombreuses niches sur Terre, notamment en participant aux cycles des nutriments tels que les cycles de l'azote et du carbone, en décomposant des organismes morts et en prospérant au sein des organismes vivants, y compris les humains. Le très large éventail d'environnements que les procaryotes occupent est possible parce que leurs processus métaboliques sont variés.

    Besoins des procaryotes

    Les divers environnements et écosystèmes de la Terre présentent un large éventail de conditions en termes de température, de nutriments disponibles, d'acidité, de salinité et de sources d'énergie. Les procaryotes sont très bien équipés pour vivre d'une vaste gamme de nutriments et de maladies. Pour vivre, les procaryotes ont besoin d'une source d'énergie, d'une source de carbone et de certains nutriments supplémentaires.

    Macronutriments

    Les cellules sont essentiellement un assemblage bien organisé de macromolécules et d'eau. Rappelons que les macromolécules sont produites par la polymérisation d'unités plus petites appelées monomères. Pour que les cellules puissent fabriquer toutes les molécules nécessaires à la vie, elles ont besoin de certaines substances, appelées collectivement nutriments. Lorsque les procaryotes se développent dans la nature, ils tirent leurs nutriments de l'environnement. Les nutriments qui sont nécessaires en grandes quantités sont appelés macronutriments, tandis que ceux qui sont nécessaires en petites quantités ou à l'état de traces sont appelés micronutriments. Seuls quelques éléments sont considérés comme des macronutriments : carbone, hydrogène, oxygène, azote, phosphore et soufre. (L'acronyme CHONPS est un mnémotechnique permettant de mémoriser ces éléments.)

    Pourquoi ces macronutriments sont-ils nécessaires en grande quantité ? Ce sont les composants des composés organiques présents dans les cellules, y compris l'eau. Le carbone est l'élément principal de toutes les macromolécules : glucides, protéines, acides nucléiques, lipides et de nombreux autres composés. Le carbone représente environ 50 pour cent de la composition de la cellule. L'azote représente 12 % du poids sec total d'une cellule typique et est un composant des protéines, des acides nucléiques et d'autres constituants cellulaires. La majeure partie de l'azote disponible dans la nature est soit de l'azote atmosphérique (N 2), soit une autre forme inorganique. L'azote diatomique (N 2) ne peut toutefois être transformé en une forme organique que par certains organismes, appelés organismes fixateurs d'azote. L'hydrogène et l'oxygène font tous deux partie de nombreux composés organiques et de l'eau. Le phosphore est nécessaire à tous les organismes pour la synthèse des nucléotides et des phospholipides. Le soufre fait partie de la structure de certains acides aminés tels que la cystéine et la méthionine, et est également présent dans plusieurs vitamines et coenzymes. Les autres macronutriments importants sont le potassium (K), le magnésium (Mg), le calcium (Ca) et le sodium (Na). Bien que ces éléments soient nécessaires en plus petites quantités, ils sont très importants pour la structure et le fonctionnement de la cellule procaryote.

    Micronutriments

    En plus de ces macronutriments, les procaryotes ont besoin de divers éléments métalliques en petites quantités. Ils sont appelés micronutriments ou oligo-éléments. Par exemple, le fer est nécessaire au fonctionnement des cytochromes impliqués dans les réactions de transport d'électrons. Certains procaryotes ont besoin d'autres éléments, tels que le bore (B), le chrome (Cr) et le manganèse (Mn), principalement en tant que cofacteurs enzymatiques.

    Les moyens par lesquels les procaryotes obtiennent de l'énergie

    Les procaryotes peuvent utiliser différentes sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes (ou organismes phototrophes) tirent leur énergie de la lumière solaire. Les chimiotrophes (ou organismes chimiosynthétiques) tirent leur énergie de composés chimiques. Les chimiotrophes qui peuvent utiliser des composés organiques comme sources d'énergie sont appelés chimioorganotrophes. Ceux qui peuvent également utiliser des composés inorganiques comme sources d'énergie sont appelés chimolitotrophes.

    Les moyens par lesquels les procaryotes obtiennent du carbone

    Les procaryotes peuvent non seulement utiliser différentes sources d'énergie, mais également différentes sources de composés carbonés. Rappelons que les organismes capables de fixer le carbone inorganique sont appelés autotrophes. Les procaryotes autotrophes synthétisent des molécules organiques à partir de dioxyde de carbone. En revanche, les procaryotes hétérotrophes obtiennent du carbone à partir de composés organiques. Pour rendre le tableau plus complexe, les termes qui décrivent la façon dont les procaryotes obtiennent de l'énergie et du carbone peuvent être combinés. Ainsi, les photoautotrophes utilisent l'énergie de la lumière solaire et le carbone du dioxyde de carbone et de l'eau, tandis que les chimiohétérotrophes obtiennent de l'énergie et du carbone à partir d'une source chimique organique. Les chimolitoautotrophes tirent leur énergie de composés inorganiques et construisent leurs molécules complexes à partir du dioxyde de carbone. \(\PageIndex{1}\)Le tableau résume les sources de carbone et d'énergie chez les procaryotes.

    Tableau\(\PageIndex{1}\) : Sources de carbone et d'énergie chez les procaryotes
    Sources d'énergie Sources de carbone
    Lumière Produits chimiques Dioxyde de carbone Composés organiques
    Phototrophes Chimiotrophes Autotrophes Hétérotrophes
      Produits chimiques organiques Produits chimiques inorganiques    
      Chimio-organotrophes Chimiolithotrophes    

    Rôle des procaryotes dans les écosystèmes

    Les procaryotes sont omniprésents : ils ne sont pas présents dans une niche ou un écosystème. Les procaryotes jouent de nombreux rôles dans les environnements qu'ils occupent. Les rôles qu'ils jouent dans les cycles du carbone et de l'azote sont essentiels à la vie sur Terre.

    Les procaryotes et le cycle du carbone

    Le carbone est l'un des macronutriments les plus importants, et les procaryotes jouent un rôle important dans le cycle du carbone (Figure\(\PageIndex{1}\)). Le carbone circule dans les principaux réservoirs de la Terre : le sol, l'atmosphère, les milieux aquatiques, les sédiments et les roches, ainsi que la biomasse. Le carbone se déplace par le biais du dioxyde de carbone, qui est retiré de l'atmosphère par les plantes terrestres et les procaryotes marins, et est renvoyé dans l'atmosphère par la respiration d'organismes chimioorganotrophes, notamment les procaryotes, les champignons et les animaux. Bien que le plus grand réservoir de carbone des écosystèmes terrestres se trouve dans les roches et les sédiments, ce carbone n'est pas facilement disponible.

    Une grande quantité de carbone disponible se trouve dans les plantes terrestres. Les plantes, qui sont productrices, utilisent le dioxyde de carbone de l'air pour synthétiser des composés carbonés. Dans le même ordre d'idées, une source très importante de composés carbonés est l'humus, qui est un mélange de matières organiques provenant de plantes mortes et de procaryotes qui ont résisté à la décomposition. Les consommateurs tels que les animaux utilisent des composés organiques produits par les producteurs et rejettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Ensuite, les bactéries et les champignons, collectivement appelés décomposeurs, procèdent à la dégradation (décomposition) des plantes et des animaux et de leurs composés organiques. La principale source de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est la décomposition microbienne des matières mortes (animaux morts, plantes et humus) qui sont respirées.

    Dans les environnements aqueux et leurs sédiments anoxiques, un autre cycle du carbone se produit. Dans ce cas, le cycle est basé sur des composés monocarbonés. Dans les sédiments anoxiques, les procaryotes, principalement des archées, produisent du méthane (CH 4). Ce méthane se déplace dans la zone située au-dessus des sédiments, qui est plus riche en oxygène et soutient des bactéries appelées oxydateurs de méthane qui oxydent le méthane en dioxyde de carbone, qui retourne ensuite dans l'atmosphère.

    Cette illustration montre le rôle des bactéries dans le cycle du carbone. Les bactéries décomposent le carbone organique, qui est libéré sous forme de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Les procaryotes jouent un rôle important dans le déplacement continu du carbone dans la biosphère. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

    Les procaryotes et le cycle de l'azote

    L'azote est un élément très important pour la vie car il fait partie des protéines et des acides nucléiques. C'est un macronutriment et, dans la nature, il est recyclé des composés organiques en ammoniac, en ions ammonium, en nitrate, en nitrite et en azote gazeux par une myriade de procédés, dont beaucoup ne sont effectués que par des procaryotes. Comme l'illustre la figure\(\PageIndex{2}\), les procaryotes jouent un rôle clé dans le cycle de l'azote. La plus grande réserve d'azote disponible dans l'écosystème terrestre est l'azote gazeux provenant de l'air, mais cet azote n'est pas utilisable par les plantes, qui sont des producteurs primaires. L'azote gazeux est transformé, ou « fixé », en des formes plus facilement disponibles, telles que l'ammoniac, par le processus de fixation de l'azote. L'ammoniac peut être utilisé par les plantes ou transformé en d'autres formes.

    Une autre source d'ammoniac est l'ammonification, le processus par lequel de l'ammoniac est libéré lors de la décomposition de composés organiques contenant de l'azote. L'ammoniac rejeté dans l'atmosphère ne représente toutefois que 15 % de l'azote total libéré ; le reste se présente sous forme de N 2 et de N 2 O. L'ammoniac est catabolisé de façon anaérobie par certains procaryotes, ce qui donne du N 2 comme produit final. La nitrification est la conversion de l'ammonium en nitrite et en nitrate. La nitrification des sols est réalisée par des bactéries appartenant aux genres Nitrosomas, Nitrobacter et Nitrospira. La bactérie effectue le processus inverse, à savoir la réduction des nitrates présents dans les sols en composés gazeux tels que le N 2 O, le NO et le N 2, un processus appelé dénitrification.

    Connexion artistique

    Cette illustration montre le rôle des bactéries dans le cycle de l'azote. Les bactéries fixatrices d'azote présentes dans les nodules racinaires des légumineuses transforment l'azote gazeux, ou N2, en azote organique présent dans les plantes. Les bactéries du sol fixatrices d'azote produisent de l'ion ammonium, ou NH4+. Les décomposeurs, y compris les bactéries et les champignons, décomposent la matière organique et libèrent également du NH4+. La nitrification est le processus par lequel les bactéries nitrifiantes produisent des nitrites (NO2-) et des nitrates (NO3-). Les nitrates sont assimilés par les plantes, puis les animaux, puis les décomposeurs. Les bactéries dénitrifiantes transforment les nitrates en azote gazeux, complétant ainsi le cycle.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : Les procaryotes jouent un rôle clé dans le cycle de l'azote. (source : Agence de protection de l'environnement)

    Laquelle des affirmations suivantes concernant le cycle de l'azote est fausse ?

    1. Des bactéries fixatrices d'azote existent sur les nodules racinaires des légumineuses et dans le sol.
    2. Les bactéries dénitrifiantes transforment les nitrates (\(\ce{NO_3^-}\)) en azote gazeux (\(\ce{N_2}\)).
    3. L'ammonification est le processus par lequel l'ion ammonium (\(\ce{NH_4^+}\)) est libéré par les composés organiques en décomposition.
    4. La nitrification est le processus par lequel les nitrites (\(\ce{NO_2^-}\)) sont convertis en ions ammonium (\(\ce{NH_4^+}\)).

    Résumé

    Les procaryotes sont les organismes les plus diversifiés sur le plan métabolique ; ils prospèrent dans de nombreux environnements différents avec diverses sources d'énergie et de carbone, une température, un pH, une pression et une disponibilité en eau variables. Les nutriments requis en grandes quantités sont appelés macronutriments, tandis que ceux requis en quantités infimes sont appelés micronutriments ou oligo-éléments. Les macronutriments incluent C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca et Na. En plus de ces macronutriments, les procaryotes ont besoin de divers éléments métalliques pour leur croissance et leur fonction enzymatique. Les procaryotes utilisent différentes sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil, tandis que les chimiotrophes tirent leur énergie de composés chimiques.

    Les procaryotes jouent un rôle dans les cycles du carbone et de l'azote. Le carbone est renvoyé dans l'atmosphère par la respiration des animaux et d'autres organismes chimioorganotrophes. Les consommateurs utilisent des composés organiques produits par les producteurs et rejettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. La principale source de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est la décomposition microbienne des matières mortes. L'azote est recyclé dans la nature à partir de composés organiques en ammoniac, en ions ammonium, en nitrite, en nitrate et en azote gazeux. L'azote gazeux est transformé en ammoniac par fixation de l'azote. L'ammoniac est catabolisé en anaérobiose par certains procaryotes, ce qui donne du N 2 comme produit final. La nitrification est la conversion de l'ammonium en nitrite. La nitrification des sols est réalisée par des bactéries. La dénitrification est également réalisée par des bactéries et transforme les nitrates des sols en composés azotés gazeux, tels que le N 2 O, le NO et le N 2.

    Connexions artistiques

    Figure\(\PageIndex{2}\) : Laquelle des affirmations suivantes concernant le cycle de l'azote est fausse ?

    1. Des bactéries fixatrices d'azote existent sur les nodules racinaires des légumineuses et dans le sol.
    2. Les bactéries dénitrifiantes transforment les nitrates (NO 3 -) en azote gazeux (N 2).
    3. L'ammonification est le processus par lequel l'ion ammonium (NH 4 +) est libéré par les composés organiques en décomposition.
    4. La nitrification est le processus par lequel les nitrites (NO 2 -) sont convertis en ions ammonium (NH 4 +).
    Réponse

    D

    Lexique

    ammonification
    processus par lequel de l'ammoniac est libéré lors de la décomposition de composés organiques contenant de l'azote
    chimiotrophe
    organisme qui obtient de l'énergie à partir de composés chimiques
    décomposeur
    organisme qui effectue la décomposition d'organismes morts
    dénitrification
    transformation des nitrates du sol en composés azotés gazeux tels que le N 2 O, le NO et le N 2
    nitrification
    conversion de l'ammonium en nitrites et en nitrates dans les sols
    fixation de l'azote
    processus par lequel l'azote gazeux est transformé, ou « fixé », en des formes plus facilement disponibles, telles que l'ammoniac