Fiche de révision : Métabolismes énergétiques microbiens

📋 Plan du Cours

1. Anabolisme et catabolisme
2. Diversité des types trophiques
3. Conservation et synthèse de l’énergie
4. Glycolyse et régulation
5. Voies alternatives d’oxydation du glucose
6. Cycle de Krebs et voie des pentoses
7. Principes des fermentations
8. Fermentations lactique et alcoolique
9. Fermentations bactériennes spécialisées
10. Acétogenèse et voie de Wood

📖 1. Anabolisme et catabolisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Anabolisme : Ensemble des réactions de biosynthèse des cellules.
• Catabolisme : Ensemble des réactions conduisant à la production d’énergie utilisable par les cellules, généralement sous forme d’ATP.

★ À maîtriser

📌 Les prototrophes poussent sur milieu minimum en synthétisant notamment leurs acides aminés, bases azotées et vitamines, tandis que les auxotrophes ne poussent pas sur ce milieu en raison d’une déficience de biosynthèse.

Compléments

• La diversité catabolique des microorganismes dépasse largement celle du règne eucaryote et concerne les sources de carbone, d’énergie et d’électrons ainsi que les comportements vis-à-vis de l’oxygène.

💡 Astuce mémo

Anabolisme construit ; catabolisme fournit l’énergie.

📖 2. Diversité des types trophiques

★ À maîtriser

• Les autotrophes utilisent le CO₂ comme source de carbone, tandis que les hétérotrophes utilisent d’autres composés carbonés.

• Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière, tandis que les chimiotrophes la tirent de l’oxydation de composés organiques ou inorganiques.

• Les lithotrophes utilisent des molécules inorganiques réduites comme source d’électrons, tandis que les organotrophes utilisent des molécules organiques réduites.

• Les cinq types nutritionnels majeurs sont :

  • photo-litho-autotrophes
  • photo-organo-hétérotrophes
  • chimio-organo-hétérotrophes
  • chimio-litho-hétérotrophes
  • chimio-litho-autotrophes

Compléments

• Les cyanobactéries et les bactéries sulfureuses pourpres et vertes sont des exemples de photo-litho-autotrophes.

• Les bactéries non sulfureuses pourpres et vertes sont des exemples de photo-organo-hétérotrophes.

• Les microbiotes animaux sont des exemples de chimio-organo-hétérotrophes.

• Les bactéries oxydant le soufre et les bactéries nitrifiantes sont citées comme exemples de chimio-lithotrophes, hétérotrophes ou autotrophes selon leur source de carbone.

• Les substrats organiques utilisables comprennent : sucres simples, disaccharides, polysaccharides, protéines, acides aminés, lipides et acides gras, acides organiques, alcools, hydrocarbures aliphatiques et composés aromatiques

📖 3. Conservation et synthèse de l’énergie

★ À maîtriser

📌 La phosphorylation liée au substrat transfère à l’ADP une liaison énergétique provenant d’un composé organique, tandis que les phosphorylations oxydative et photochimique couplent la synthèse d’ATP à un transport membranaire d’électrons.

📌 La phosphorylation oxydative couple le transport membranaire d’électrons à l’oxydation d’un composé organique ou inorganique, tandis que la photophosphorylation utilise la lumière.

• Le NADPH + H⁺ fournit le pouvoir réducteur utilisé dans les biosynthèses.

Compléments

• L’ATP fournit de l’énergie aux biosynthèses, aux polymérisations, aux transports et aux assemblages cellulaires.

📖 4. Glycolyse et régulation

🔑 Notions clés & Définitions

• Voie d’Embden-Meyerhof-Parnas : Voie qui transforme un glucose en deux pyruvates avec un gain net de 2 ATP et 2 NADH + H⁺.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le bilan global de la glycolyse est $\text{glucose} + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{NAD}^+ \rightarrow 2\,\text{pyruvates} + 2\,\text{ATP} + 2\,\text{NADH} + 2\,\text{H}^+$.

Compléments

• 🔄 La glycolyse comprend les étapes suivantes :

  1. activation du glucose
  2. clivage de l’hexose
  3. oxydation des trioses
  4. transfert énergétique

• La glycolyse est une voie à double sens dans le schéma présenté.

• Quand la concentration intracellulaire d’AMP est élevée, associée à une faible concentration d’ATP, la kinase favorise la glycolyse ; quand l’AMP est faible et l’ATP élevé, la phosphatase favorise le retour vers le glucose.

📖 5. Voies alternatives d’oxydation du glucose

★ À maîtriser

• La voie des pentoses phosphates et la voie d’Entner-Doudoroff sont deux voies alternatives à la glycolyse reliées au métabolisme du glucose par le 6-phosphogluconate.

• La voie d’Entner-Doudoroff passe par le KDPG, qui est clivé en pyruvate et glycéraldéhyde-3-phosphate.

Compléments

📌 Dans la voie de Warburg et Christian, le glucose est d’abord activé puis oxydé, tandis que dans la voie de la notatine il est d’abord oxydé puis activé.

• Dans l’entrée cytoplasmique du glucose, son transport ou sa phosphorylation peut faire intervenir l’ATP ou le système PTS selon l’espèce.

• Dans l’oxydation périphérique présentée pour les bactéries Gram négatif, le glucose est converti en gluconate puis en 6-phosphogluconate, avec transfert d’électrons vers l’ubiquinone.

• La voie des pentoses phosphates comprend notamment la production de ribulose-5-phosphate, de NADPH et de CO₂ à partir du 6-phosphogluconate.

📖 6. Cycle de Krebs et voie des pentoses

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle de Krebs : Voie finale commune de l’oxydation des acides aminés, des acides gras et des glucides en conditions aérobies.

★ À maîtriser

• Le cycle de Krebs produit des coenzymes réduits et du GTP lors de l’oxydation du pyruvate jusqu’au CO₂.

• La voie des pentoses phosphates produit du NADPH + H⁺ utilisé dans les biosynthèses, notamment la synthèse des acides gras.

• La voie des pentoses phosphates produit du ribose-5-phosphate, utilisé dans la synthèse des nucléotides.

Compléments

• La voie des pentoses phosphates est indépendante de la présence d’oxygène et est présente chez tous les eucaryotes et la quasi-totalité des bactéries.

• La voie des pentoses phosphates produit de l’érythrose-4-phosphate, précurseur de la phénylalanine, de la tyrosine et du tryptophane.

📖 7. Principes des fermentations

🔑 Notions clés & Définitions

• Fermentation : Catabolisme anaérobie dans lequel un composé organique sert à la fois de donneur et d’accepteur d’électrons et produit de l’ATP par phosphorylation au niveau du substrat.

★ À maîtriser

• En fermentation, les seuls ATP produits proviennent de phosphorylations au niveau du substrat.

• La fermentation réoxyde les transporteurs d’électrons réduits en transférant leurs électrons à un composé organique intermédiaire, qui devient un produit de fermentation réduit.

Compléments

📌 Un métabolisme fermentaire ne signifie pas obligatoirement que l’organisme vit en anaérobiose.

• Les fermentations présentent un équilibre entre oxydations et réductions, assimilent seulement une partie du carbone et produisent moins de 3 ATP par glucose consommé.

• Les produits fermentaires non utilisés par le microorganisme producteur peuvent être utilisés par d’autres microorganismes ou dans l’industrie.

💡 Astuce mémo

Sans accepteur externe d’électrons, la fermentation réoxyde les coenzymes et permet au catabolisme de continuer.

📖 8. Fermentations lactique et alcoolique

★ À maîtriser

• La fermentation homolactique convertit le pyruvate en lactate en réoxydant le NADH en NAD⁺.

• La fermentation alcoolique des levures décarboxyle le pyruvate en acétaldéhyde, puis réduit l’acétaldéhyde en éthanol en réoxydant le NADH en NAD⁺.

• La fermentation alcoolique par Saccharomyces cerevisiae produit 2 éthanols, 2 CO₂ et un gain net de 2 ATP par glucose.

Compléments

• Les bactéries homolactiques citées comprennent :
  • Lactobacillus brevis
  • Lactobacillus bulgaricus
  • Lactobacillus casei
  • Lactobacillus delbrueckii
  • Streptococcus

💡 Astuce mémo

Homolactique : pyruvate → lactate ; alcoolique : pyruvate → acétaldéhyde → éthanol + CO₂.

📖 9. Fermentations bactériennes spécialisées

🔑 Notions clés & Définitions

• Clostridies : Bacilles sporulés à Gram positif et anaérobies stricts.

★ À maîtriser

• La fermentation butanediolique produit notamment de l’acétoïne et du 2,3-butanediol, avec moins de production d’acides que la fermentation acide-mixte lorsque le pH baisse.

• La fermentation propionique des Propionibacteriaceae produit de l’acide propionique, de l’acide acétique et du CO₂ à partir du glucose et du lactose.

Compléments

• La fermentation acide-mixte est présentée chez des entérobactéries comme Escherichia, Shigella, Salmonella, Klebsiella, Yersinia et Proteus.

• Le test au rouge de méthyle est jaune à pH supérieur à 4,5 et rouge à pH inférieur à 4,5.

• 🔄 Le test de Voges-Proskauer procède ainsi : alcalinisation du milieu avec KOH, oxydation de l’acétoïne en diacétyle, réaction du diacétyle avec l’alpha-naphtol et la créatine pour former un complexe rose-rouge

• Le bilan présenté pour la fermentation propionique est de 2 acides propioniques, 1 acétate, 1 CO₂ et 1 ATP pour 3/2 glucose.

• La réaction phosphoroclastique des Clostridies est constante, dépend du phosphate inorganique et produit de l’acétate, du CO₂ et de l’H₂ à partir du glucose.

• Les fermentations clostridiennes présentées comprennent :

  • fermentation butyrique
  • fermentation acétono-butylique
  • fermentation isopropylique

• La toxine botulinique de type A, produite par Clostridium botulinum, bloque la libération d’acétylcholine à la jonction neuromusculaire et entraîne une paralysie.

• La toxine botulinique peut être ingérée avec des aliments contaminés ou, plus rarement, pénétrer par des blessures cutanées souillées par la bactérie.

📖 10. Acétogenèse et voie de Wood

★ À maîtriser

📌 Les hétéro-acétogènes produisent de l’acétate à partir de sucres et comprennent des métabolismes fermentaires, tandis que les homo-acétogènes peuvent produire de l’acétate à partir de CO₂.

• La voie de Wood-Ljungdahl des homo-acétogènes autotrophes réduit le CO₂ en acétate et est présentée comme une respiration anaérobie.

Compléments

• Dans la voie de Wood, le CO₂ est réduit en formate, le formate est activé par l’ATP puis transformé en intermédiaires liés au tétrahydrofolate avant la formation d’acétyl-CoA et d’acétate.

• Le bilan présenté pour les acétogènes hétérotrophes est de 3 acétates et 4 ATP produits à partir d’un glucose.

📊 Tableaux de synthèse

Types trophiques selon leurs sources