Karamö, le prof virtuelLeçon 15 sur 23
Utilisation des nutriments : les fermentations
Je sais expliquer comment certaines cellules tirent de l'énergie du glucose sans dioxygène, écrire les équations des fermentations alcoolique et lactique, et les comparer à la respiration.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir une fermentation et la distinguer de la respiration
- Écrire et équilibrer les équations des fermentations alcoolique et lactique
- Comparer le bilan énergétique d'une fermentation et de la respiration
- Citer des applications des fermentations dans la vie courante en Guinée
Avant de commencer : La respiration cellulaire (leçon précédente) : équation bilan, glycolyse, ATP, mitochondrie.
1Je découvre
Au marché de Pita, Mariama achète du lait caillé (le kossam) chez une vendeuse peule. La vendeuse explique : « Le lait frais du matin, je le laisse reposer dans la calebasse. Le lendemain, il est épais et acide. » Plus loin, Sékou, boulanger, montre à son neveu la pâte à pain qui a doublé de volume pendant la nuit : « C'est la levure qui fait gonfler la pâte. »
De retour au lycée, Mariama raconte cela à son professeur de biologie, qui ajoute un troisième exemple : « Le jus de palme récolté le matin est sucré. Le soir, il est devenu du vin de palme, qui pétille et contient de l'alcool. »
Dans les trois cas, de petits êtres vivants invisibles à l'œil nu (levures, bactéries) transforment un sucre, dans un récipient où l'air ne circule presque pas. Or, dans la leçon précédente, tu as vu que la respiration a besoin de dioxygène.
Comment des cellules peuvent-elles utiliser le glucose et en tirer de l'énergie en l'absence de dioxygène, et que produisent-elles alors ?
2Je comprends
1. Qu'est-ce qu'une fermentation ?
Une fermentation est une dégradation incomplète d'un nutriment organique (le plus souvent le glucose), sans intervention du dioxygène, qui libère une petite quantité d'énergie et produit un déchet organique encore riche en énergie (alcool, acide lactique…).
Deux différences avec la respiration sont essentielles :
- la respiration est aérobie (elle utilise O2), la fermentation est anaérobie ;
- la respiration dégrade complètement le glucose en CO2 et H2O (molécules minérales), la fermentation s'arrête à une molécule organique.
Les fermentations sont réalisées surtout par des micro-organismes : levures (champignons unicellulaires) et bactéries. Mais certaines cellules de notre corps, comme les cellules musculaires, peuvent aussi fermenter.
2. L'expérience de Pasteur : respirer ou fermenter
Au XIXe siècle, Louis Pasteur montre que la levure de bière peut vivre avec ou sans dioxygène, mais pas de la même manière. On peut refaire l'expérience au laboratoire : on cultive la même quantité de levures dans deux flacons contenant la même solution de glucose.
- Flacon A, bien aéré : les levures consomment du O2, rejettent du CO2, se multiplient beaucoup ; le milieu ne contient pas d'alcool. Elles respirent.
- Flacon B, privé d'air : les levures ne consomment pas de O2, rejettent du CO2, se multiplient peu, consomment beaucoup plus de glucose ; le milieu contient de l'éthanol (alcool). Elles fermentent.
Au microscope électronique, les levures du flacon A ont de nombreuses mitochondries bien développées, riches en crêtes ; celles du flacon B ont des mitochondries peu nombreuses et peu développées.
La levure est un organisme aéro-anaérobie facultatif : elle respire quand il y a du dioxygène, elle fermente quand il n'y en a pas.
- Consomme du O₂
- Rejette du CO₂
- Pas d'alcool produit
- Forte multiplication des levures
- Peu de glucose consommé par levure formée
- Mitochondries nombreuses, riches en crêtes
- Ne consomme pas de O₂
- Rejette du CO₂
- Éthanol produit
- Faible multiplication
- Beaucoup de glucose consommé
- Mitochondries peu développées
3. La fermentation alcoolique
Elle est réalisée surtout par les levures. Le glucose est transformé en éthanol (alcool éthylique) et en dioxyde de carbone :
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + énergie (2 ATP)
Vérification de l'équilibre : carbone 6 = 4 + 2 ; hydrogène 12 = 2 × 6 ; oxygène 6 = 2 × 1 + 2 × 2. L'équation est équilibrée.
Déroulement : la première étape est la même glycolyse que dans la respiration (dans le cytoplasme) : le glucose est coupé en deux molécules d'acide pyruvique, avec un gain de 2 ATP. Ensuite, sans dioxygène, l'acide pyruvique ne peut pas entrer dans le cycle de Krebs. Il perd une molécule de CO2 et devient de l'éthanol. Toute la fermentation se déroule dans le cytoplasme.
Applications
- fabrication du pain et des beignets : le CO2 produit par les levures forme des bulles qui font lever la pâte ; l'alcool s'évapore à la cuisson ;
- boissons fermentées comme le vin de palme : les levures présentes naturellement transforment le sucre de la sève en alcool.
4. La fermentation lactique
Elle est réalisée par des bactéries lactiques (lactobacilles, streptocoques lactiques) et par nos cellules musculaires en manque de dioxygène. Le glucose est transformé en acide lactique :
C6H12O6 → 2 CH3-CHOH-COOH + énergie (2 ATP)
La formule brute de l'acide lactique est C3H6O3 : deux molécules contiennent bien 6 C, 12 H et 6 O. Cette fermentation ne produit pas de CO2.
Là encore, la première étape est la glycolyse ; puis l'acide pyruvique reçoit de l'hydrogène et devient acide lactique, dans le cytoplasme.
Applications et exemples
- lait caillé et yaourt : les bactéries lactiques transforment le lactose du lait en acide lactique ; l'acidité fait coaguler les protéines du lait (la caséine), qui s'épaissit ;
- conservation de certains aliments : le milieu acide empêche le développement d'autres microbes ;
- dans le muscle : pendant un effort intense et court (un sprint de 100 m, porter une lourde charge de sacs de riz en courant), les muscles ne reçoivent pas assez de dioxygène. Ils complètent alors leur production d'ATP par fermentation lactique. L'acide lactique formé passe dans le sang ; il est ensuite en grande partie repris par le foie, qui le retransforme en glucose (c'est la néoglucogenèse vue dans une leçon précédente), ou oxydé quand le dioxygène revient.
5. Comparer fermentation et respiration
| Critère | Respiration | Fermentation alcoolique | Fermentation lactique |
|---|---|---|---|
| Dioxygène | nécessaire | non utilisé | non utilisé |
| Dégradation du glucose | complète | incomplète | incomplète |
| Produits | CO2 + H2O | éthanol + CO2 | acide lactique |
| Localisation | cytoplasme + mitochondrie | cytoplasme | cytoplasme |
| ATP par glucose | 36 à 38 | 2 | 2 |
| Exemples | la plupart des cellules | levures | bactéries lactiques, muscle |
Bilan énergétique : une fermentation fournit seulement 2 ATP par glucose, contre 36 à 38 pour la respiration, soit 18 à 19 fois moins. Pourquoi ? Parce que l'essentiel de l'énergie du glucose reste enfermé dans le déchet organique : l'éthanol, par exemple, brûle encore très bien (on l'utilise dans les lampes à alcool). C'est pour cette raison que les levures en anaérobiose consomment beaucoup plus de glucose et se multiplient beaucoup moins : pour obtenir la même énergie, il leur faut dégrader environ 18 fois plus de glucose.
- 1Glucose (6 C), dans le cytoplasme
- 2Glycolyse commune : 2 acides pyruviques + 2 ATP
- 3Avec O₂ : mitochondrie, cycle de Krebs, chaîne respiratoire → CO₂ + H₂O + 34 à 36 ATP de plus
- 4Sans O₂, levures : acide pyruvique → éthanol + CO₂ (aucun ATP de plus)
- 5Sans O₂, muscle et bactéries lactiques : acide pyruvique → acide lactique (aucun ATP de plus)
Méthode
Pour identifier le type de métabolisme dans un document expérimental :
- Je regarde si du O₂ est consommé : oui → respiration ; non → fermentation.
- Je regarde si du CO₂ est rejeté : avec fermentation, CO₂ → fermentation alcoolique ; pas de CO₂ → fermentation lactique.
- Je cherche le produit organique formé : éthanol ou acide lactique.
- Je compare la quantité de glucose consommée et la multiplication des cellules : fermentation = beaucoup de glucose, peu de croissance.
Exemple
Une levure dispose de 10 molécules de glucose. Combien d'ATP obtient-elle si elle respire ? si elle fermente ? Combien de glucose lui faudrait-il en fermentation pour obtenir autant d'ATP qu'en respirant ? (Prendre 38 ATP pour la respiration.)
Respiration : 10 × 38 = 380 ATP.
Fermentation : 10 × 2 = 20 ATP.
Glucose nécessaire en fermentation pour 380 ATP : 380 ÷ 2 = 190 molécules, soit 19 fois plus.
Exemple
Un boulanger de Kankan utilise une pâte dans laquelle les levures fermentent 0,9 g de glucose. Calcule la masse d'éthanol et de CO₂ formés. (Masses molaires : glucose 180 g/mol ; éthanol 46 g/mol ; CO₂ 44 g/mol.)
Quantité de glucose : 0,9 ÷ 180 = 0,005 mol.
D'après l'équation, 1 mol de glucose donne 2 mol d'éthanol et 2 mol de CO₂ : on obtient 0,01 mol de chacun.
Éthanol : 0,01 × 46 = 0,46 g. CO₂ : 0,01 × 44 = 0,44 g.
Vérification (conservation de la masse) : 0,46 + 0,44 = 0,90 g.
3Je retiens
Je retiens
Une fermentation est une dégradation incomplète du glucose, sans dioxygène, qui produit peu d'énergie et un déchet organique.
Fermentation alcoolique (levures) : C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP.
Fermentation lactique (bactéries lactiques, muscle) : C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ (acide lactique) + 2 ATP.
Les fermentations se déroulent dans le cytoplasme ; elles commencent par la glycolyse, comme la respiration.
Rendement : 2 ATP par glucose (fermentation) contre 36 à 38 (respiration) ; l'énergie reste dans le déchet.
Applications : pain, lait caillé, yaourt, boissons fermentées, conservation des aliments.
4Erreurs fréquentes
- Dire que toutes les fermentations produisent du CO₂ : la fermentation lactique n'en produit pas.
- Croire que la fermentation produit plus d'énergie parce qu'elle consomme plus de glucose : chaque glucose fermenté ne donne que 2 ATP ; c'est justement pour cela qu'il en faut beaucoup.
- Placer la fermentation dans la mitochondrie : elle se déroule entièrement dans le cytoplasme.
- Oublier que la levure peut aussi respirer : c'est un organisme aéro-anaérobie facultatif.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la fermentation.
b) Écris l'équation de la fermentation alcoolique et celle de la fermentation lactique.
c) Nomme un micro-organisme responsable de chacune de ces fermentations.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Une fermentation est une dégradation incomplète d'un nutriment organique (le glucose), en l'absence de dioxygène, qui libère peu d'énergie et produit un déchet organique encore riche en énergie.
b) Alcoolique : C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + énergie. Lactique : C6H12O6 → 2 C3H6O3 + énergie.
c) Fermentation alcoolique : la levure (levure de bière ou de boulanger). Fermentation lactique : les bactéries lactiques (lactobacilles).
2Exercice 2
Pour chaque situation, indique s'il s'agit d'une respiration, d'une fermentation alcoolique ou d'une fermentation lactique, et justifie en une phrase.
a) Le lait laissé dans une calebasse devient épais et acide.
b) La pâte à pain gonfle et sent légèrement l'alcool.
c) Des graines de maïs en germination, dans un bocal aéré, troublent l'eau de chaux et consomment du dioxygène.
d) Un coureur fait un sprint de 200 m ; son sang contient ensuite plus d'acide lactique.
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a) Fermentation lactique : l'acidité vient de l'acide lactique produit par les bactéries lactiques à partir du sucre du lait.
b) Fermentation alcoolique : le gonflement est dû au CO₂ et l'odeur à l'éthanol, les deux produits de la fermentation des levures.
c) Respiration : il y a consommation de dioxygène et rejet de CO₂.
d) Fermentation lactique dans les muscles : pendant l'effort intense, le dioxygène manque et le glucose est transformé en acide lactique.
3Exercice 3
Vérifie que l'équation de la fermentation alcoolique est équilibrée, puis calcule la masse de CO₂ dégagée par la fermentation complète de 360 g de glucose. (Masses molaires : glucose 180 g/mol ; CO₂ 44 g/mol.)
Voir le corrigéCacher le corrigé
Équilibre : C : 6 = 2 × 2 + 2 × 1 ; H : 12 = 2 × 6 ; O : 6 = 2 × 1 + 2 × 2. L'équation est équilibrée.
Quantité de glucose : 360 ÷ 180 = 2 mol. D'après l'équation, 1 mol de glucose donne 2 mol de CO₂, donc 2 mol en donnent 4 mol.
Masse de CO₂ : 4 × 44 = 176 g.
4Exercice 4
On compare deux cultures de levures ayant reçu chacune 20 g de glucose. Après 48 heures, la culture aérée a produit 2 g de levures nouvelles et a consommé 4 g de glucose ; la culture privée d'air a produit 0,5 g de levures et a consommé 20 g de glucose.
a) Calcule, pour chaque culture, la masse de glucose consommée pour produire 1 g de levures.
b) Interprète la différence.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Culture aérée : 4 ÷ 2 = 2 g de glucose par gramme de levures. Culture privée d'air : 20 ÷ 0,5 = 40 g de glucose par gramme de levures.
b) Sans air, il faut 40 ÷ 2 = 20 fois plus de glucose pour produire la même masse de levures. En milieu aéré, les levures respirent : elles dégradent complètement le glucose et en tirent beaucoup d'énergie (36 à 38 ATP), qu'elles utilisent pour se multiplier. Sans air, elles fermentent : chaque glucose ne fournit que 2 ATP, l'essentiel de l'énergie restant dans l'éthanol ; elles doivent donc consommer beaucoup de glucose et se multiplient peu.
5Exercice 5
(Type examen) Le document suivant indique ce que l'on mesure dans le muscle d'un athlète.
Au repos : consommation de O₂ faible, acide lactique dans le sang 0,1 g/L.
Pendant une course rapide de 1 minute : consommation de O₂ maximale, acide lactique dans le sang 1,2 g/L.
Vingt minutes après la course : consommation de O₂ encore légèrement supérieure au repos, acide lactique 0,2 g/L.
a) Calcule de combien de fois le taux d'acide lactique a augmenté pendant la course.
b) Explique l'origine de l'acide lactique pendant la course. Écris l'équation correspondante.
c) Explique pourquoi le taux d'acide lactique diminue après la course, et pourquoi la consommation de O₂ reste un peu élevée.
d) Pourquoi l'énergie fournie par cette voie ne permet-elle pas de courir longtemps à grande vitesse ?
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a) 1,20,1 = 12 : le taux a été multiplié par 12.
b) Pendant la course rapide, les besoins en énergie du muscle dépassent ce que le dioxygène apporté permet de produire par respiration. Les cellules musculaires complètent leur production d'ATP par fermentation lactique : C6H12O6 → 2 C3H6O3 + énergie. L'acide lactique formé passe dans le sang.
c) Après la course, l'acide lactique est progressivement éliminé : il est repris par le foie, qui le retransforme en glucose, ou oxydé par respiration dans les cellules. Ces transformations et la reconstitution des réserves consomment de l'énergie, donc du dioxygène : la consommation de O₂ reste un peu supérieure au repos.
d) La fermentation lactique ne fournit que 2 ATP par glucose : elle épuise vite les réserves de glucose du muscle, et l'acide lactique s'accumule. Elle ne peut donc soutenir un effort intense que pendant peu de temps.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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