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8 : Métabolisme microbien

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    Tout au long de l'histoire de la Terre, le métabolisme microbien a joué un rôle moteur dans le développement et le maintien de la biosphère de la planète. Les organismes eucaryotes tels que les plantes et les animaux dépendent généralement de molécules organiques pour leur énergie, leur croissance et leur reproduction. Les procaryotes, quant à eux, peuvent métaboliser un large éventail de matières organiques et inorganiques, allant de molécules organiques complexes comme la cellulose à des molécules et ions inorganiques tels que l'azote atmosphérique (N 2), l'hydrogène moléculaire (H 2), le sulfure (S 2−) et les ions manganèse (II) (Mn 2+), fer ferreux (Fe 2+) et fer ferrique (Fe 3+), pour n'en nommer que quelques-uns. En métabolisant ces substances, les microbes les transforment chimiquement en d'autres formes. Dans certains cas, le métabolisme microbien produit des substances chimiques qui peuvent être nocives pour d'autres organismes ; dans d'autres, il produit des substances essentielles au métabolisme et à la survie d'autres formes de vie (Figure\(\PageIndex{1}\)).

    Voie navigable orange et brune. Gros plan des racines recouvertes de petits nodules.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Les procaryotes présentent une grande diversité métabolique qui a des conséquences importantes sur les autres formes de vie. Le drainage minier acide (à gauche) constitue un grave problème environnemental dû à l'introduction d'eau et d'oxygène dans les bactéries oxydant les sulfures lors des processus miniers. Ces bactéries produisent de grandes quantités d'acide sulfurique en tant que sous-produit de leur métabolisme, ce qui crée un environnement à faible pH qui peut tuer de nombreuses plantes et animaux aquatiques. D'autre part, certains procaryotes sont essentiels à d'autres formes de vie. Les nodules racinaires de nombreuses plantes (à droite) abritent des bactéries fixatrices d'azote qui transforment l'azote atmosphérique en ammoniac, fournissant ainsi une source d'azote utilisable à ces plantes. (crédit à gauche : modification des travaux par D. Hardesty, USGS Columbia Environment Research Center ; crédit à droite : modification des travaux par Celmow SR, Clairmont L, Madsen LH et Guinel FC)

    • 8.1 : Énergie, matière et enzymes
      Les processus cellulaires tels que la construction ou la dégradation de molécules complexes se produisent par une série de réactions chimiques interconnectées par étapes appelées voies métaboliques. Le terme anabolisme fait référence aux voies métaboliques endergoniques impliquées dans la biosynthèse, convertissant des éléments de construction moléculaires simples en molécules plus complexes, et alimentées par l'utilisation de l'énergie cellulaire.
    • 8.2 : Catabolisme des glucides
      La glycolyse est la première étape de la dégradation du glucose, entraînant la formation d'ATP, produit par phosphorylation au niveau du substrat, du NADH et de deux molécules de pyruvate. La glycolyse n'utilise pas d'oxygène et ne dépend pas de l'oxygène. Après glycolyse, un pyruvate à trois carbones est décarboxylé pour former un groupe acétyle à deux carbones, couplé à la formation de NADH. Le groupe acétyle est lié à un gros composé porteur appelé coenzyme A.
    • 8.3 : Respiration cellulaire
      La respiration cellulaire commence lorsque des électrons sont transférés du NADH et du FADH₂, par le biais d'une série de réactions chimiques vers un accepteur d'électrons inorganique final (soit de l'oxygène dans la respiration aérobie, soit des molécules inorganiques non oxygénées dans la respiration anaérobie). Ces transferts d'électrons ont lieu sur la partie interne de la membrane cellulaire des cellules procaryotes ou dans des complexes protéiques spécialisés de la membrane interne des mitochondries des cellules eucaryotes.
    • 8.4 : Fermentation
      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, soit seulement deux molécules d'ATP par molécule de glucose pendant la glycolyse. Les procédés de fermentation microbienne ont été utilisés pour la production d'aliments et de produits pharmaceutiques et pour l'identification de microbes.
    • 8.5 : Catabolisme des lipides et des protéines
      Collectivement, les microbes ont la capacité de dégrader une grande variété de sources de carbone en plus des glucides, y compris les lipides et les protéines. Les voies cataboliques de toutes ces molécules finissent par se connecter à la glycolyse et au cycle de Krebs. Plusieurs types de lipides peuvent être dégradés par des microbes. Les triglycérides sont dégradés par les lipases extracellulaires, libérant des acides gras du squelette du glycérol. Les phospholipides sont dégradés par les phospholipases, libérant des acides gras et des groupes de tête phosphorylés.
    • 8.6 : La photosynthèse et l'importance de la lumière
      Les organismes hétérotrophes, qu'il s'agisse d'E. coli ou d'humains, dépendent de l'énergie chimique présente principalement dans les molécules de glucides. Bon nombre de ces glucides sont produits par photosynthèse, le processus biochimique par lequel les organismes phototrophes convertissent l'énergie solaire (lumière du soleil) en énergie chimique. Bien que la photosynthèse soit le plus souvent associée aux plantes, la photosynthèse microbienne est également un important fournisseur d'énergie chimique, alimentant de nombreux écosystèmes divers.
    • 8.7 : Cycles biogéochimiques
      L'énergie circule de manière directionnelle à travers les écosystèmes, entrant sous forme de lumière solaire pour les phototrophes ou de molécules inorganiques pour les chimioautotrophes. Les six éléments les plus courants associés aux molécules organiques, à savoir le carbone, l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, le phosphore et le soufre, prennent diverses formes chimiques et peuvent exister pendant de longues périodes dans l'atmosphère, sur terre, dans l'eau ou sous la surface de la Terre.
    • 8.E : Métabolisme microbien (exercices)

    Vignette : Le cycle de Krebs, également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique, est résumé ici. Notez que l'acétyle à deux carbones entrant produit les principales sorties par tour de deux molécules de CO 2, de trois de NADH, d'une FADH 2 et d'une ATP (ou GTP) produites par phosphorylation au niveau du substrat. Deux tours du cycle de Krebs sont nécessaires pour traiter tout le carbone d'une molécule de glucose. (CC BY 4.0 ; OpenStax)