Objectifs : Bilans moléculaires comparés des respirations et des fermentations
1. Comprendre les voies cataboliques de production d’énergie
L’élève doit être capable de :
distinguer les processus de respiration et de fermentation,
définir le catabolisme et son rôle dans la production d’ATP,
expliquer comment les cellules transforment le glucose en énergie utilisable.
2. Identifier les molécules clés impliquées
L’élève doit connaître le rôle :
du glucose comme substrat principal,
du NAD⁺ / NADH comme transporteur d’électrons,
de l’oxygène ou d’autres accepteurs finaux,
de l’ATP comme molécule énergétique.
3. Maîtriser les bilans moléculaires globaux
L’élève doit être capable d’écrire les équations générales :
de la respiration aérobie,
de la fermentation lactique,
de la fermentation alcoolique.
4. Comparer les rendements énergétiques
L’élève doit comprendre :
pourquoi la respiration a un rendement beaucoup plus élevé que la fermentation,
combien de molécules d’ATP sont produites selon la voie choisie par la cellule.
5. Relier les bilans moléculaires aux micro-organismes
L’élève doit savoir :
quels micro-organismes réalisent la respiration ou la fermentation,
ce qui détermine le choix de la voie métabolique (présence ou absence d’O₂),
les applications biotechnologiques associées.
6. Exploiter des documents scientifiques
L’élève doit être capable :
d’analyser des schémas, tableaux, bilans énergétiques,
d’interpréter des résultats expérimentaux sur la consommation de substrats ou la production de CO₂, éthanol, lactate…
7. Développer des compétences expérimentales
L’élève doit savoir :
mesurer la consommation de dioxygène,
mettre en évidence la production de CO₂ ou de métabolites fermentaires,
analyser la croissance cellulaire selon les conditions d’oxygénation.
Description du cours : Bilans moléculaires comparés des respirations et des fermentations
1. Introduction : deux voies essentielles du métabolisme énergétique
Dans les cellules, la dégradation du glucose permet de fournir de l’ATP, indispensable à toutes les fonctions vitales : synthèses, transports, division cellulaire, mouvements.
Deux grandes voies cataboliques permettent cette production d’énergie :
la respiration (présence d’O₂),
la fermentation (absence d’O₂).
En Terminale STL, comprendre ces voies est essentiel pour analyser les métabolismes microbien, végétal et cellulaire, ainsi que pour comprendre les biotechnologies basées sur la fermentation ou la production d’énergie.
2. La respiration cellulaire : un processus efficace en présence d’oxygène
2.1. Déroulement général
La respiration comprend plusieurs étapes :
Glycolyse (dans le cytoplasme)
Oxydation du pyruvate
Cycle de Krebs
Chaîne respiratoire (dans la membrane mitochondriale ou plasmique chez les bactéries)
Le dioxygène est l’accepteur final d’électrons, permettant la formation d’eau.
2.2. Bilan moléculaire global
Glucose + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ≈ 36 à 38 ATP
2.3. Rendement énergétique
La respiration est très rentable : elle récupère une grande partie de l’énergie contenue dans le glucose.
Elle est donc privilégiée par les cellules lorsque l’oxygène est disponible.
3. Les fermentations : une alternative en absence d’oxygène
Lorsque l’oxygène est absent ou insuffisant, les cellules ne peuvent pas utiliser la chaîne respiratoire. Elles basculent alors vers une voie moins rentable mais indispensable pour régénérer le NAD⁺, nécessaire à la glycolyse.
3.1. Fermentation lactique
Réalisation par : muscles, bactéries lactiques, certaines cellules animales.
Bilan global :
Glucose → 2 lactates + 2 ATP
3.2. Fermentation alcoolique
Réalisation par : levures (Saccharomyces), certains micro-organismes.
Bilan global :
Glucose → 2 éthanol + 2 CO₂ + 2 ATP
3.3. Points communs entre fermentations
production faible d’ATP,
pas d’utilisation d’O₂,
production d’un déchet organique (lactate, éthanol),
régénération du NAD⁺ pour permettre la poursuite de la glycolyse.
4. Comparaison des bilans moléculaires : respiration vs fermentations
4.1. Production d’ATP
| Voie | ATP produits |
|---|---|
| Respiration | 36–38 ATP |
| Fermentation lactique | 2 ATP |
| Fermentation alcoolique | 2 ATP |
La respiration est donc 18 à 19 fois plus rentable que la fermentation.
4.2. Produits finaux
Respiration : CO₂ + H₂O
Fermentation lactique : lactate
Fermentation alcoolique : éthanol + CO₂
4.3. Conditions environnementales
Respiration : O₂ indispensable
Fermentation : absence d’O₂, situations anaérobies
4.4. Intérêt biologique
La respiration permet une croissance rapide.
La fermentation permet la survie en milieu pauvre en oxygène.
5. Micro-organismes et biotechnologies
5.1. Applications des fermentations
fabrication du pain, bière, vin, fromages, yaourts, kéfir
production d’éthanol (biocarburants)
utilisation des bactéries lactiques en agroalimentaire
production de métabolites d’intérêt (acétate, butyrate)
5.2. Applications de la respiration
production de biomasse microbienne
cultures cellulaires aérées
études des chaînes respiratoires bactériennes
Les bilans moléculaires permettent de prévoir :
la quantité de CO₂ produite,
le rendement en produit fermentaire,
les conditions optimales pour une production industrielle.
6. Approches expérimentales en STL
Les élèves apprennent à :
mesurer la consommation d’O₂ avec une sonde oxymétrique,
détecter la production de CO₂,
analyser la production d’éthanol ou de lactate,
comparer la croissance de micro-organismes en conditions aérobies et anaérobies.
