Le métabolisme des cellules : exercices corrigés de Seconde

On repère la structure : une voie métabolique est une suite de transformations qui convertissent un composé en un autre.⁵ Ici, cinq composés sont reliés par des transformations successives.

On compte les flèches : $A \to B$, $B \to C$, $C \to D$, $D \to E$, soit 4 réactions. Une enzyme par réaction donne donc $5 - 1 = 4$ enzymes.

Pour la question 2, on rappelle qu'une enzyme facilite une réaction chimique précise.⁵ Sans l'enzyme de $C \to D$, cette étape ne se fait plus (ou beaucoup trop lentement).

Les étapes en amont continuent : A est toujours transformé, B et C sont encore produits, mais C s'accumule. En aval, D et E ne sont plus fabriqués : la voie est interrompue à cet endroit.

On identifie la voie : $X \to Y \to Z$, avec une seule étape fonctionnelle, $X \to Y$.

Grâce à $E_1$, X est transformé en Y : la quantité de X diminue et celle de Y augmente.

La seconde étape ne peut pas se faire : Y n'est pas transformé en Z. La quantité de Z reste nulle (ou très faible) et Y s'accumule.

Pour la question 2, on s'appuie sur le fait qu'une enzyme facilite une réaction chimique spécifique.⁵ L'enzyme $E_1$ reconnaît X, pas Y : elle ne sert donc que pour la première étape.

On calcule la vitesse sans le composé : $v_1 = \dfrac{12\ \text{µmol}}{10\ \text{min}} = 1{,}2\ \text{µmol/min}$.

Une activité réduite de 40 % conserve 60 % de l'activité initiale. On calcule donc : $v_2 = 1{,}2 \times (1 - 0{,}4) = 0{,}72\ \text{µmol/min}$.

Pour la question 3, on rappelle que certaines enzymes sont régulées par des métabolites de la cellule ou par des signaux venus de l'extérieur : leur activité augmente ou diminue selon les besoins.⁵

Le composé ajouté joue ici le rôle d'un régulateur : il modifie la vitesse de la réaction sans changer l'enzyme elle-même.

On rappelle que l'ATP est présent en faible quantité à chaque instant, mais qu'il est consommé et régénéré en continu.⁵ L'énoncé donne une consommation de 60 kg par jour pour un stock de 0,05 kg.

Renouvellements par jour : $\dfrac{60}{0{,}05} = 1200$.

Renouvellements par heure : $\dfrac{1200}{24} = 50$.

Pour la question 3 : l'ATP transfère l'énergie entre les réactions qui en libèrent et celles qui en absorbent.⁵ Il joue le rôle d'une monnaie d'échange qui circule vite, pas d'une réserve : un petit stock suffit s'il est régénéré très rapidement.

On rappelle que le catabolisme dégrade des molécules et fournit à la cellule de l'énergie et des constituants de base.⁵

Nutriment dégradé : $100 \times 0{,}6 = 60$ unités.

ATP produit : $60 \times 3 = 180$ unités.

On rappelle que l'ATP couple les deux types de réactions : l'anabolisme consomme l'ATP que produit le catabolisme.⁵ ATP restant : $180 - 120 = 60$ unités.

Question 3 : le besoin (200) dépasserait la production (180). La cellule serait en déficit de 20 unités : elle devrait dégrader davantage de nutriment ou ralentir ses synthèses.

On rappelle qu'une plante est composée à la fois de cellules autotrophes et de cellules hétérotrophes.³

La cellule de feuille fabrique de la matière organique grâce à la photosynthèse : elle est autotrophe. La cellule de racine consomme de la matière organique sans la fabriquer par photosynthèse : elle est hétérotrophe.

La racine ne fabrique pas ses propres matières organiques. Elle dépend donc de celles qui sont produites ailleurs, dans les parties exposées à la lumière, et transportées jusqu'à elle.

Les voies métaboliques de la feuille et de la racine sont ainsi liées par des échanges de matière entre les différentes parties de la plante.³ Cet échange illustre l'interconnexion des voies métaboliques entre cellules autotrophes et hétérotrophes de l'organisme.³

Chaque étape reçoit ce que la précédente fournit. Le flux global est donc limité par l'étape de plus faible capacité : $\min(10 ; 4 ; 8) = 4\ \text{µmol/min}$, imposé par $E_2$.

Après régulation, la capacité de $E_2$ devient $4 \times 1{,}5 = 6\ \text{µmol/min}$. Les trois capacités sont alors 10, 6 et 8.

Le nouveau flux maximal est $\min(10 ; 6 ; 8) = 6\ \text{µmol/min}$.

On fait le lien avec le cours : l'effet des variations d'activité d'une enzyme sur l'activité globale de la voie se mesure par le flux de composés qui l'empruntent.⁵ Ici, $E_2$ exerce un contrôle fort, car sa modification change directement le flux global.

Question 3 : $E_1$ a déjà une capacité (10) supérieure à celle de $E_2$ (4). Même plus rapide, elle ne ferait que livrer plus vite un composé que $E_2$ ne peut pas traiter : le flux resterait à 4 µmol/min.

On repère l'erreur : l'élève sépare la forme et le fonctionnement. Or les caractéristiques structurelles et métaboliques d'une cellule spécialisée vont de pair.²

On rappelle que le métabolisme dépend de l'équipement spécialisé de chaque cellule, c'est-à-dire de ses organites et de ses enzymes.¹

On rédige : « Chaque type de cellule possède un équipement particulier. Les organites présents et les enzymes disponibles déterminent les voies métaboliques que la cellule peut réaliser. Une cellule musculaire et une cellule de la peau ne réalisent donc pas toutes les mêmes réactions. Cette différence de métabolisme accompagne leur différence de structure et de fonction, et permet à l'organisme pluricellulaire de fonctionner comme un tout. »

On vérifie que la réponse contient bien les mots-clés : métabolisme, organites, enzymes, cellule spécialisée.