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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 1
YVES MARKOWICZ
(maître de conférences)
Laboratoire Adaptation et Pathogénie des Micro-organismes
(CNRS UMR 5163)
Bâtiment J. Roget - 508F
Domaine de la Merci
La Tronche
Tél. : 0476 637484 - Fax : 0476 637497
Courriel : [email protected]
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Quelques livres à la B.U.
• Microbiologie (Prescott et al.)
• Microbe (Schaechter et al.)
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BACTERIENNES
BIO241
METABOLISME :
SPECIFICITES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 4
LA MORALE DU COURS
METABOLISME : SPECIFICITES MICROBIENNES
Comme les plantes, les bactéries sont capables de
synthétiser tout ce qui est nécessaire à leur croissance
à partir de nutriments plus ou moins complexes
(prototrophie)
Au sein de l’immense biodiversité des procaryotes,
on trouve des bactéries capables d’utiliser n’importe quels aliments
La grande majorité des bactéries disposent de
plusieurs catabolismes alternatifs : elles peuvent
s’adapter à d’importants changements environnementaux
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 5
LES CYCLES
BIOGEOCHIMIQUES
METABOLISME : SPECIFICITES MICROBIENNES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 6
LES CYCLES BIOGEOCHIMIQUES
QUAND PLUSIEURS METABOLISMES
CO-EXISTENT DANS UN ECOSYSTEME…
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LES CYCLES BIOGEOCHIMIQUES
CYCLE DE L’AZOTE
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LES CYCLES BIOGEOCHIMIQUES
CYCLE DU SOUFRE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 9
LES CYCLES BIOGEOCHIMIQUES
CYCLE DU CARBONE
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CATABOLISMES
LA COLONNE DE WINOGRADSKY
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CATABOLISMES
LA COLONNE DE WINOGRADSKY
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 12
L’USINE
MICROBIENNE
METABOLISME : SPECIFICITES MICROBIENNES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 13
LA PROBLEMATIQUE
L’USINE MICROBIENNE
les participants : matériaux (nutriments, substrats)
énergie (catabolisme)
plan de fabrication (génome)
la ligne de montage : approvisionnements
catabolisme
biosynthèses
polymérisations
assemblages
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 14
DEUX TYPES D’ENERGIE
LA LIGNE DE MONTAGE
(biosynthèses et) polymérisations
transports, assemblages
biosynthèses
ATP
NADPH + H+ (pouvoir réducteur)
phosphorylation au niveau du substrat
X~ P + ADP X + ATP
ADP + Pi ATPATPasephosphorylation oxydative
photophosphorylation
XH2 + NADP+ X + NADPH + H+oxydations
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 15
LA LIGNE DE MONTAGE
ATP ET NADPH + H+
moléculesATP / g cellules
moléculesNADPH + H+ / g cellules
Protéines 7.287 11.523
ARN 6.540 427
ADN 1.090 200
Lipides 2.578 5.270
Peptidoglycane 248 193
LPS 470 564
Glycogène 154 0
TOTAL 18.367 18.177
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 16
LA LIGNE DE MONTAGE
ATP ET NADPH + H+
moléculesATP / monomère
moléculesNADPH + H+ / monomère
Ala, Asp, Glu, Gln, Gly, Ser 0 1Arg 7 4Asn 3 1Cys 4 5His 6 1Ile 2 5Leu, Val 0 2Lys 2 4Met 7 8Phe, Tyr 1 2Pro 1 3Thr 2 3Trp 5 3ATP (dATP) 11 1 (2)CTP (dCTP) 13 0 (1)GTP (dGTP) 9 1 (2)UTP (dTTP) 7 (10,5) 1 (3)Acides gras – C16 7 14
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 17
LE CATABOLISME :
DOUZE METABOLITES PRECURSEURS
VIA LE METABOLISME CENTRAL
LA LIGNE DE MONTAGE
6 carbones : glucose ~ 6 P - fructose ~ 6 P
-cétoglutarate - pentose ~ 5 P 5 carbones :
succinyl-coA - oxaloacétateérythrose ~ 4 P - 4 carbones :
trioses ~ P -
phosphoénolpyruvate (PEP) - pyruvate
3 P ~ glycérate - 3 carbones :
acétyl-coA 2 carbones :
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 18
VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS
METABOLITES PRECURSEURS
glucose fructose ~ 6 P
trioses ~ Px 2
glucose ~ 6 P
ATP ADP
fructose ~ 1,6 bis P
ATP ADP
3 P ~ glycératex 2
2 (NADH + H+) 2 NAD+
2 ATP 2 ADP2 Pi
2 coA-SH 2 CO2
2 acétyl-coA
2 NAD+ 2 (NADH + H+)
2 pyruvate
2 ADP
2 ATP
2 PEP
2 H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 19
VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS
METABOLITES PRECURSEURS
glucose fructose ~ 6 P
trioses ~ Px 2
glucose ~ 6 P
ATP ADP
fructose ~ 1,6 bis P
ATP ADP
3 P ~ glycératex 2
2 (NADH + H+) 2 NAD+
2 ATP 2 ADP2 Pi
2 coA-SH 2 CO2
2 acétyl-coA
2 NAD+ 2 (NADH + H+)
2 pyruvate
2 ADP
2 ATP
2 PEP
2 H2O
2 ATP investis, puis remboursés
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 20
Glucose + 2 (ADP + Pi) + 2 NAD+
2 pyruvate + 2 H2O + 2 ATP + 2 (NADH + H+)
VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS :
BILAN
METABOLITES PRECURSEURS
+ 2 coA-SH
+ 2 NAD+
2 acétyl-coA
+ 2 CO2
+ 2 (NADH + H+)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 21
VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS :
BILAN
METABOLITES PRECURSEURS
Glucose + 2 (ADP + Pi) + 4 NAD+ + 2 coA-SH
2 acétyl-coA + 2 CO2 + 2 H2O
+ 2 ATP + 4 (NADH + H+)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 22
Glucose + < 2 (ADP + Pi) + < 4 NAD+ + < 2 coA-SH
< 2 acétyl-coA + < 2 CO2 + < 2 H2O
+ < 2 ATP + < 4 (NADH + H+)
VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS :
PAS DE BILAN !!!
METABOLITES PRECURSEURS
trioses ~ P
glucose ~ 6 P
fructose ~ 6 P
3 P ~ glycérate
+ < 1
+ < 1
+ < 1
+ < 1
+ < 1 PEP
+ < 1 pyruvate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 23
VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE
METABOLITES PRECURSEURS
xylulose ~ 5 P
glucose glucose ~ 6 P
ATP ADP
6 P ~ gluconate
H2O
NADP+ NADPH + H+
ribulose ~ 5 P
NADP+
NADPH+ H+
CO2
ribose ~ 5 P
3 P ~ glycéraldéhyde
sédoheptulose ~ 5 P
fructose ~ 6 P
3 P ~ glycéraldéhydeérythrose ~ 4 P
fructose ~ 6 P
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 24
VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE :
BILAN
METABOLITES PRECURSEURS
3 Glucose + 3 ATP + 6 NADP+ + 3 H2O
1
+ 2 + 3 CO2
+ 6 (NADPH + H+)
+ 3 ADP
fructose ~ 6 P
3 P ~ glycéraldéhyde
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 25
VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE :
PAS DE BILAN !!!
METABOLITES PRECURSEURS
3 Glucose + 3 ATP + < 6 NADP+ + < 3 H2O
< 1
+ < 2 + < 3 CO2
+ < 6 (NADPH + H+)
+ 3 ADP
fructose ~ 6 P
3 P ~ glycéraldéhyde
+ < 1
+ < 1
érythrose ~ 4 P
pentose ~ 5 P
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 26
CYCLE DE L’ACIDE CITRIQUE
METABOLITES PRECURSEURS
isocitrate
acétyl-coA
-cétoglutarateCO2
NAD+
NADH
succinate
GDP
GTP + Pisuccinyl-coACO2
coA-SHNAD+
NADH
fumarate
FADH2
FAD
malate
H2O
NADH + H+
NAD+
oxaloacétate citrate
coA-SH+ H+
H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 27
CYCLE DE L’ACIDE CITRIQUE :
BILAN
METABOLITES PRECURSEURS
2 acétyl-coA + 4 H2O + 2 (GDP + Pi) + 6 NAD+ + 2 FAD+
4 CO2 + 2 coA-SH
+ 2 GTP + 4 (NADH + H+)
+ 2 NADH + 2 (FADH + H+)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 28
2 acétyl-coA + < 4 H2O + < 2 (GDP + Pi) + < 6 NAD+ + < 2 FAD+
< 4 CO2 + < 2 coA-SH
+ < 2 GTP + < 4 (NADH + H+)
+ < 2 NADH + < 2 (FADH + H+)
CYCLE DE L’ACIDE CITRIQUE :
PAS DE BILAN !!!
METABOLITES PRECURSEURS
+ < 1 -cétoglutarate
+ < 1 succinyl-coA
+ < 1 oxaloacétate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 29
MORALITE
METABOLITES PRECURSEURS
catabolisme et biosynthèses sont interconnectés,
donc pas de bilans cataboliques (dans ce cours)
la cellule n’est pas un tube à essai !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 30
… ET ON LE PROUVE !
METABOLITES PRECURSEURS
Glucose :6 x 100= 600
Pyruvate :3 x 169= 507
(84,5%)
Fumarate : 4 x 100= 400 (66,7%)
Glutamate :0
Glucose :6 x 100= 600
Pyruvate :3 x 194= 582(97%)
Fumarate : 4 x 62= 248 (41,3%)
Glutamate :5 x 66 = 330
(55%)
40
58
2
6
2
1080 1
20
21
17
83
0
0
0
694 0
0
0
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 31
PEP, ,
acétyl-coA
PEP, pyruvate, acétyl-coA oxaloacétate, succinyl-coA -cétoglutarate
, , …trioses ~ P
glucose ~ 6 P fructose ~ 6 P
3 P ~ glycérate
érythrose ~ 4 P
pentose ~ 5 P
érythrose ~ 4 P
LES BIOSYNTHESES :
« BRIQUES ELEMENTAIRES »
LA LIGNE DE MONTAGE
sucres (25)
acides gras (8)
acides aminés (20)
nucléotides (8)
coenzymes, vitamines, …
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 32
POLYMERISATIONS
LA LIGNE DE MONTAGE
lipides = polymères d’acides gras
LPS = sucres + acides gras
peptidoglycane = sucres + acides aminés
protéines = polymères d’acides aminés
ADN, ARN = polymères de nucléotides
glycogène = polymère de sucres
…
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 33
LA LIGNE DE MONTAGE
ASSEMBLAGES
enveloppe = membrane plasmique [acides gras + protéines]
+ peptidoglycane (+ acides téichoïques)
(+ membrane externe [acides gras + protéines + LPS])
flagelles et pili = « polymères » de protéines
ribosomes = ARN + protéines
nucléoïde = ADN (+ ARN) + protéines
…
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 34
LA LIGNE DE MONTAGE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 35
APPROVISIONNEMENT
METABOLISME : SPECIFICITES MICROBIENNES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 36
APPROVISIONNEMENT
LES PROBLEMATIQUES
les bactéries vivent généralement dans un environnement
où les nutriments sont moins concentrés que dans le cytosol :
COMMENT CROITRE EXPONENTIELLEMENT
MALGRE LA CARENCE ?
les molécules importées ne doivent
pas pouvoir ressortir (avant d’avoir été métabolisées)
les molécules autres que nutriments ne doivent
pas pouvoir sortir (sauf excrétion ou sécrétion) !
la plupart des molécules
ne peuvent pas transiter à travers la membrane plasmique
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 37
APPROVISIONNEMENT
TRAVERSER LA MEMBRANE PLASMIQUE ?
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 38
DIFFERENTS
MODES D’APPROVISIONNEMENT
APPROVISIONNEMENT
diffusion simple (passive)
diffusion facilitée
transports actifs
v = f (C, P, A)
v = f (P,A) à faible C
v = f (P,A)
coût énergétique
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 39
APPROVISIONNEMENT
DIFFUSION SIMPLE :
GRATUIT… MAIS LIMITE !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 40
APPROVISIONNEMENT
DIFFUSION SIMPLE :
GRATUIT… MAIS LIMITE !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 41
APPROVISIONNEMENT
DIFFUSION FACILITEE :
GRATUIT ET (RELATIVEMENT) EFFICACE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 42
APPROVISIONNEMENT
DIFFUSION FACILITEE :
GRATUIT ET (RELATIVEMENT) EFFICACE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 43
APPROVISIONNEMENT
TRANSPORTS ACTIFS :
« PAYER » POUR CONTRER
LE GRADIENT DE CONCENTRATION
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 44
TRANSPORTS ACTIFS
UNIPORTS - SYMPORTS - ANTIPORTS :
ENERGIE = PROTONS (OU ION SODIUM)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 45
TRANSPORTS ACTIFS
UNIPORTS - SYMPORTS - ANTIPORTS :
ENERGIE = PROTONS (OU ION SODIUM)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 46
TRANSPORTS ACTIFS
UNIPORTS - SYMPORTS - ANTIPORTS :
ENERGIE = PROTONS (OU ION SODIUM)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 47
TRANSPORTS ACTIFS
TRANSPORTEURS ABC :
ENERGIE = ATP
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 48
TRANSPORTS ACTIFS
TRANSPORTEURS ABC :
ENERGIE = ATP
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 49
TRANSPORTS ACTIFS
TRANSLOCATIONS DE GROUPES :
COUTEUX… MAIS GRATUITS !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 50
TRANSPORTS ACTIFS
TRANSLOCATIONS DE GROUPES :
COUTEUX… MAIS GRATUITS !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 51
VOIE EMP ET PTS !!!
METABOLITES PRECURSEURS
fructose ~ 6 P
trioses ~ Px 2
glucose ~ 6 P fructose ~ 1,6 bis P
ATP ADP
3 P ~ glycératex 2
2 (NADH + H+) 2 NAD+
2 ATP 2 ADP2 Pi
pyruvate
ADP
ATP
PEP
PEP
2 H2O
glucose
pyruvate
2 coA-SH 2 CO2
2 acétyl-coA
2 NAD+ 2 (NADH + H+)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 52
DES MODES D’APPROVISIONNEMENT
ADAPTES AUX MOLECULES
DESTINEES A ETRE CATABOLISEES
APPROVISIONNEMENT
un même sucre n’est pas transporté de la même façon
par toutes les bactéries
exemple : E. coli Lactobacillus
lactose symport PTS
glucose PTS transport actif
les métabolites préférentiels sont importésvia les transports les moins coûteux
les métabolites rares sont importés (et catabolisés)via des systèmes inductibles
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 53
CATABOLISMES
METABOLISME : SPECIFICITES MICROBIENNES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 54
PROTOTROPHES
VS.
AUXOTROPHES
CATABOLISMES
prototrophes : poussent sur milieu minimum
(synthétisent AA, bases azotées, vitamines)
auxotrophes : ne poussent pas sur milieu minimum
quelle que soit la source de carbone
(problème de biosynthèse)
sauf si on leur donneune source de carbone appropriée
(problème de catabolisme)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 55
UNE DIVERSITE CATABOLIQUE
TRES SUPERIEURE A CELLE
DU REGNE EUCARYOTE
CATABOLISMES
diversité des sources de carbone
diversité des sources d’énergie
diversité des sources d’électrons
TYPESTROPHIQUES
diversité des comportements vis-à-vis de l’oxygène
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 56
TYPES TROPHIQUES
CATABOLISMES
source de carbone :
source d’énergie :
source d’électrons :
hétérotrophes autre(s) que CO2
(différents niveaux rédox)
phototrophes lumière(photosynthèses)
chimiotrophes oxydation de composésorganiques / inorganiques
lithotrophes molécules inorganiques(réduites)
organotrophes molécules organiques(réduites)
autotrophes CO2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 57
5 TYPES NUTRITIONNELS MAJEURS
TYPES TROPHIQUES
photo-lithotrophes autotrophescyanobactéries, bactéries sulfureuses pourpres et vertes
chimio-organotrophes hétérotrophesflores animales, pathogènes, ...
photo-organotrophes hétérotrophesbactéries non sulfureuses pourpres et vertes
chimio-lithotrophes autotrophesbactéries oxydant le soufre, l’hydrogène ou le fer, bactéries nitrifiantes
chimio-lithotrophes hétérotrophes
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 58
HETEROTROPHES
Y’A PAS QUE LE GLUCOSE DANS LA VIE !
d’autres sucres
réserves intra-cellulaires
sucres simples
disaccharides
polysaccharides
protéines et acides aminés
lipides et acides gras
acides organiques, alcools,hydrocarbures aliphatiques, composés aromatiques, ...
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 59
HETEROTROPHES
LES REGLES DU JEU
quelle que soit la source de carbone, elle devra servir de précurseur pour la fabrication des 12 métabolistes précurseurs
selon le nombre de carbones du métabolite, ceux-ci seront injectés plus ou moins haut dans le métabolisme central
tout en haut, pas de problème plus bas…
il va falloir renvoyer des carbones en sens inverse !
si le métabolite est trop gros pour rentrer dans la cellule, il faudra le découper à l’extérieur
enzymes extracellulaires
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 60
HETEROTROPHES
CE QUE JE VOUS DEMANDE
être capable de proposer un site d’injection dans le métabolisme central pour les carbones en fonction du métabolite consommé
se rappeler que les réactions peuvent aller dans les deux sens
réactions réversibles réactions inverses
avoir en tête que tout métabolite carboné est (théoriquement) consommable par une bactérie à la surface de la planète
ne pas connaître les réactions par coeur !!!!!
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 61
SOURCES DE CARBONE
D’AUTRES SUCRES...
fructose Fru + Pi Fru ~ 6 P
sucres simples
réserves intra-cellulaires :
Gal + ATP Gal ~ P + ADP Gal ~ P + UTP UDP-Gal + PPi
UDP-Glc + Pi Glc ~ 1 P + UDP
UDP- galacturonate UDP-Glc Glc ~ 1 P
poly--hydroxybutyrate (PHB)
glycogène
fructose
galactose(épimérisation)
galacturonate(épimérisation)
Glcn + Pi Glcn-1 + Glc ~ 1 P
UDP-Gal UDP-Glc
HBn + 2 coA-SH HBn-1 + 2 acétyl-coA
galacturonate galacturonate ~ P
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 62
SOURCES DE CARBONE
... ET ENCORE D’AUTRES SUCRES
disaccharides :
saccharose
lactose
maltose
cellobiose
Sac + H2O Glc + Fru / Sac + Pi Glc ~ 1 P + Fru
Lac + H2O Glc + Gal
Mal + H2O 2 Glc / Mal + Pi Glc + Glc ~ 1 P
Cel + Pi Glc + Glc ~ 1 P
Glcn Mal (+ maltodextrines) amylases
Glcn Mal (+ maltodextrines) amylases
Glcn Cel cellulases
galacturonaten galactose pectinasesgalacturonaten galacturonate ~ 1 P
polysaccharides :
amidon
glycogène
cellulose
pectine
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 63
SOURCES DE CARBONE
PROTEINES ET ACIDES AMINES
protéines acides aminés protéases
acides aminés :
AA1 + -cétoacide2 -cétoacide1 + AA2
Asp + -cétoglutarate Glu + oxaloacétateVal + pyruvate Ala + 2-cétoisovalérate
AA -cétoacide + NH3
Ser pyruvate + NH3
Thr 2-cétobutyrate + NH3
Asp fumarate + NH3
AA + ½ O2 -cétoacide + NH3
AA + NAD+ + H2O -cétoacide + NADH +H+ + NH4+
transaminations :
désaminations :
oxydations :
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 64
SOURCES DE CARBONE
LIPIDES ET ACIDES GRAS
lipides :
glycérol + ATP + NAD+ dihydroxyacétone ~ P + ADP + NADH + H+
triglycérides glycérol lipases
triacylglycérols glycérol + acides gras lipases
acides gras : -oxydation
acyln + coA-SH acyln-coA (au cours du transport)
acyln-coA + coA-SH + H2O + FAD + NAD+
acyln-2-coA + acétyl-coA + FADH2 + NADH + H+
glycérol
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 65
BETA - OXYDATION
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 66
SOURCES DE CARBONE
ET ENCORE…
acides organiques
acétate + coA-SH + ATP acétyl-coA + AMP + PPi
propionate + coA-SH + ATP propionyl-coA + AMP + Ppi
propionyl-coA + H2O pyruvate + coA-SH
propionyl-coA + CO2 + ATP succinyl-coA
2 lactate propionate + acétate / lactate + acétate butyrate + CO2
propionate + 3 H2O acétate + CO2 + 3 H2 + H+
butyrate + 2 H2O 2 acétate + 2 H2 + H+
éthanol Gluconobacter, Acetobacter
éthanol + PQQ acétaldéhyde + PQQ-H2
acétaldéhyde + PQQ + H2O acétate + PQQ-H2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 67
SOURCES DE CARBONE
… MAIS AUSSI...
méthanol et méthane méthylotrophes
CH4 + NADH + H+ + O2 CH3OH + NAD+ + H2O
méthanol + PQQ CH2O + PQQ-H2
CH2O + NAD+ + H2O HCOOH (formate) + NADH + H+
formate + NAD+ CO2 + NADH + H+
hydrocarbures aliphatiques
XXX-CH3 + O2 + AH2 XXX-CH2OH + H2O + A
XXX-CH2OH + NAD+ XXX-CHO + NADH + H+
XXX-CHO + H2O + NAD+ XXX-COOH + NADH + H+
XXX-COOH -oxydation...(A + NADH + H+ AH2 + NAD+)
pseudomonades, nocardiformes, mycobactéries, ...
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 68
SOURCES DE CARBONE
… ET ENFIN
aromatiques
Pseudomonades (Ralstonia, Burkholderia, …)
(QUOIQUE...)
Phe Tyr homogentisate fumarate + acétoacétate
toluène catéchol
(id. pour Trp, benzène, naphtalène, phénol, …)
catéchol succinate + acétyl-coAou catéchol pyruvate + acétaldéhyde + formate
vanillate protocatéchuate(id. pour shikimate, benzoate, …)
protocatéchuate succinate + acétyl-coA + CO2
ou protocatéchuate 2 pyruvate + formate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 69
CATABOLISMES
LA VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS
N’EST PAS UNIVERSELLE !exemple : Zymomonas mobilis
comment fabriquer
, , PEP, pyruvate, acétyl-coA
et énergie ??
trioses ~ P 3 P ~ glycérate
glucose fructose ~ 6 Pglucose ~ 6 P
ATP ADP pas de PFK
(phosphofructokinase)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 70
UNE GLYCOLYSE ALTERNATIVE :
LA VOIE D’ENTNER-DOUDOROFF
(VOIE DU KDPG)
CATABOLISMES
pyruvate
ADP
ATP
glucose glucose ~ 6 P
ATP ADP
6 P ~ gluconate
H2O
NADP+ NADPH + H+
PEP
NADH NAD+
+ H+
ATP ADP + PiH2O
glycéraldéhyde~ 3 P
pyruvate
céto-désoxy-6 P ~ gluconate
(KDPG)
H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 71
LA VOIE D’ENTNER-DOUDOROFF
EST MOINS ENERGETIQUE
QUE LA VOIE EMP…
CATABOLISMES
Glucose + (ADP + Pi) + NAD+ + NADP+
2 pyruvate + H2O
+ ATP + NADH + H+ + NADPH + H+
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 72
LA VOIE D’ENTNER-DOUDOROFF
EST MOINS ENERGETIQUE
QUE LA VOIE EMP…
CATABOLISMES
Glucose + (ADP + Pi) + 3 NAD+ + NADP+ + 2 coA-SH
2 acétyl-coA + 2 CO2 + H2O
+ ATP + 3 (NADH + H+) + NADPH + H+
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 73
… ET N’EST PAS COMPATIBLE
AVEC L’IMPORT DE GLUCOSE
VIA LE PTS !
CATABOLISMES
glycéraldéhyde~ 3 P
pyruvate
6 P ~ gluconate
H2O
NADP+ NADPH + H+
céto-désoxy-6 P ~ gluconate
(KDPG)
H2O
PEP
NADH NAD+
+ H+
ATP ADP + PiH2O
glucose ~ 6 Pglucose
pyruvate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 74
CATABOLISME DES SUCRES :
DIFFERENTES STRATEGIES
CATABOLISMES
EMP KDPG PP
Escherichia coli anaérobie facultative M m m
Bacillus subtilis anaérobie facultative M m
Pseudomonas aeruginosa aérobie stricte M
Zymomonas mobilis anaérobie facultative - + -
Acetobacter xylinum aérobie stricte - - +
Leuconostoc mesenteroides anaérobie aérotolérante M M
Neisseria gonorrhoeae aérobie stricte M m
Vibrio cholerae anaérobie facultative m M
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 75
RE-OXYDER LES COENZYMES REDUITS :
SPECIFICITES BACTERIENNES
CATABOLISMES
système de transport (membranaire) des électrons (STE) :
un complexe, donc une sortie de protons, en moins
chez les bactéries, c’est moins énergétique !
2 ATP par NAD(P)H + H+ ré-oxydé - 1 ATP par FADH2 ré-oxydé
de nombreuses bactéries sont capables de
suppléer à l’absence d’oxygène en sortie du STE
respirations anaérobies (accepteur d’électrons alternatif)
fermentations (pas d’accepteur final d’électrons)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 76
BACTERIES ET OXYGENE
CATABOLISMES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 77
5 COMPORTEMENTS DIFFERENTS
BACTERIES ET OXYGENE
aérobie stricte
anaérobie stricte
anaérobie facultative
anaérobie aérotolérante
microaérophile
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 78
superoxyde dismutase (SOD)
2 O2- + 2 H+ H2O2 + O2
POURQUOI CES DIFFERENCES
DE COMPORTEMENT ?
BACTERIES ET OXYGENE
deux enzymes clés :
aucune des deux enzymes : anaérobie strictes
catalase
2 H2O2 H2O + O2
les deux enzymes : aérobie strictes
anaérobie facultatives
microaérophiles
seulement la SOD : anaérobie aérotolérantes
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 79
RESPIRATION AEROBIE
SYSTEME DE TRANSPORT DES ELECTRONS :
COMPOSITION
UQo
b562
ATPase
NADH
déshydrogénase
FMNFeS
transport
d’électronstransport d’électrons
et de protons
transport
de protons
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 80
FMNFeS
RESPIRATION AEROBIE
SYSTEME DE TRANSPORT DES ELECTRONS :
RE-OXYDATION DU NAD(P)H + H+ ≤ 2 ATP
UQ
NAD(P)H NAD(P)+
+ H+
2 H+
2 H+
b562
o
2 H+
H+
2 H+
+ ½ O2
H2O
2 (ADP + Pi) 2 ATP
ATPase
NADH
déshydrogénase
6 H+
6 H+
2 H+
e-
Page 81
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 81
UQ
SDH
RESPIRATION AEROBIE
SYSTEME DE TRANSPORT DES ELECTRONS :
RE-OXYDATION DU FADH2 1 ATP
o
FeS b562
ADP + Pi ATP
2 H+
e-
ATPase
NADH
déshydrogénase
3 H+
3 H+
FADH2 FAD
fumarate succinate
FMNFeS
2 H+
H+
2 H+
+ ½ O2
H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 82
RESPIRATION AEROBIE
SYSTEME DE TRANSPORT DES ELECTRONS :
SI L’OXYGENE EST LIMITANT ?
UQ
b562
oNADH
déshydrogénase
FMNFeS
< 2 ATP par NAD(P)H + H+ ré-oxydé
b558+
b595
d
NAD(P)HNAD(P)+
+ H+
2 H+
e-
2 H+
2 H+
H+
H+
2 H+
+ ½ O2
H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 83
CATABOLISMES
SYSTEME DE TRANSPORT DES ELECTRONS :
S’IL N’Y A PAS D’OXYGENE ???
il y a un autre accepteur d’électrons utilisable
respiration anaérobie
il y n’a pas d’accepteur d’électrons (utilisable)
fermentation
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 84
RESPIRATIONS ANAEROBIE
LES RESPIRATIONS ANAEROBIES
CHEZ ESCHERICHIA COLI
pas d’oxygène mais du nitrate : respiration sur nitrate
même en présence d’oxygène : respiration sur nitrite
respiration sur sulfate
respirations « exotiques »
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 85
RESPIRATIONS ANAEROBIE
ESCHERICHIA COLI :
RESPIRATION SUR NITRATE
UQ
nitrate
réductase
b562
NADH
déshydrogénase
2 H+
+ NO3-
NO2- + H2O
FMNFeS
< 2 ATP par NAD(P)H + H+ ré-oxydé
Page 86
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 86
RESPIRATIONS ANAEROBIE
ESCHERICHIA COLI :
RESPIRATION SUR NITRITE
UQ
nitrite
réductase
b562
NADH
déshydrogénase
6 H+
+ NO2-
NH4+ + 2 OH-
FMNFeS
ASSIMILATION
< 2 ATP par NAD(P)H + H+ ré-oxydé
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 87
RESPIRATIONS ANAEROBIE
ESCHERICHIA COLI :
RESPIRATION SUR SULFATE
sulfate + ATP adénosine phosphosulfate (APS) + PPi
+ ATP
phospho-adénosine phosphosulfate (PAPS)
+ ADP
PAPS + H2O + 2 R-(SH)2 SO32- + RS2 + AMP-3’-phosphate
(thiorédoxine)
SO32- + 3 (NADPH + H+) S2- + 3 H2O + 3 NADP+
S2- + 2 H+ + o-acétyl-L-Ser acétate + L-Cys ASSIMILATION
Page 88
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 88
RESPIRATIONS ANAEROBIE
DES RESPIRATIONS « EXOTIQUES »
respiration sur fumarate :
fumarate + 2 H+ + 2 e- succinate (!)
respiration sur diméthylsulfoxyde :
respiration sur triméthylamine-N-oxyde :
TMAO + 2 H+ + 1 e- triméthylamine + H2O CH3
H3C - N - CH3
O-
- -
CH3
H3C - N - CH3
-
DMSO + 2 H+ + 2 e- diméthylsulfide + H2O
H3C - S - CH3
O
= H3C - S - CH3
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 89
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATIONS CHEZ ESCHERICHIA COLI
O2
O2 limitant
nitrate
DMSO
fumarate
TMAO
Page 90
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 90
RESPIRATIONS ANAEROBIE
D’AUTRES RESPIRATIONS ANAEROBIES
dénitrification (dissimilation) Pseudomonas stutzeri,
Bacillus licheniformis,
Paracoccus denitrificans
respiration sur sulfate (dissimilation)
respiration sur sulfure (dissimilation)
respiration sur fer
respiration sur carbonate
méthanogénèse
Desulfovibrio
Desulfuromonas
Bacillus, Pseudomonas
Clostridium, Acetobacterium
méthanogènes (Archaea)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 91
RESPIRATIONS ANAEROBIE
DENITRIFICATION
2 NO3- + 4 H+ + 4 e- 2 NO2
- + 2 H2O nitrate réductase
2 NO2- + 6 H+ + 4 e- N2O + 3 H2O nitrite réductase
N2O + 2 H+ + 2 e- N2 + H2O N2O réductase
X-Fe2+ − N+=Ol
-O− N=O
X-Fe2+ − N+=Ol
-O− N=O
X-Fe2+ − N− O-
ll-O − N− O-
X-Fe2+ − N− O-
ll-O − N− O-
NO2- + 2 H+ + X-Fe2+ X-Fe2+ − N≡O+ + H2O
NO2- + X-Fe2+ − N≡O+
+ 2 e-
+ 4 H+ + 2 e- N2O + 2 H2O + X-Fe2+
Page 92
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 92
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR SULFATE
(DESULFOVIBRIO)
SO42-
+ 8 H+
+ 8 e-
+ ATP
S2-
+ 2 H2O
+ AMP
+ 2 Pi
lactate
+ 2 ADP
+ 2 Pi
2 acétate
+ 2 CO2
+ 2 ATP
+ 8 H+
+ 8 e-
LITHOTROPHIE
Page 93
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 93
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR SOUFRE
(DESULFUROMONAS ACETOXIDANS)
oxydation de
molécules organiques
H+ + e-
---------------------
S0 + 2 H+ + 2 e-
H2S
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 94
Electrode-Reducing Microorganisms That Harvest Energy from Marine Sediments
Bond et al. (2002) Science 295:483-485
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR SOUFRE
(DESULFUROMONAS ACETOXIDANS)
Page 95
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 95
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR SOUFRE
ET CHATEAUX DE SABLE...
Page 96
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 96
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR FER
(SHEWANELLA)
Fe3+
+ e-
Fe2+
Fe3+
+ e-
Fe2+
Asv
+ H2S + e-
As2S3
Page 97
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 97
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR FER
(SHEWANELLA)
Page 98
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 98
RESPIRATIONS ANAEROBIE
RESPIRATION SUR CARBONATE
(ACETOGENES)
2 CO2 + 8 H+ + 8 e- CH3COOH + 2 H2O
(2 HCO3-)
4 H2
Clostridium aceticum
Desulfosporosinus orientis
LITHOTROPHIE
Page 99
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 99
RESPIRATIONS ANAEROBIE
METHANOGENESE
Page 100
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 100
RESPIRATIONS ANAEROBIE
METHANOGENESE
Page 101
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 101
RESPIRATIONS ANAEROBIE
POURQUOI L’OXYGENE EST-IL
L’ACCEPTEUR D’ELECTRONS PREFERENTIEL ?
les formes réduite (H2O) et oxydée (O2)
diffusent librement à travers l’enveloppe
la forme oxydée est (presque) toujours biodisponible
la forme réduite n’est pas toxique
le couple O2 / H2O a le potentiel rédox le plus élevé
(après le couple N2 / N2O)
Page 102
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 102
RESPIRATIONS ANAEROBIE
A PROPOS DE POTENTIELS REDOX...
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
SO42- HSO3
- - 516
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
FAD FADH2 - 220
HSO3- HS- - 116
fumarate2- succinate2- + 33
quinone quinone-H2 + 100
TMAO triméthylamine + 130
DMSO diméthylsulfate + 160
NO2- NO + 360
NO3- NO2
- + 421
½ O2 H2O + 815
Page 103
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 103
RESPIRATIONS ANAEROBIE
D’AUTRES POTENTIELS REDOX...
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
2 H+ H2 - 410
ferrédoxine oxydée ferrédoxine réduite - 432
HS2O3- H2S + HSO3
- - 412
CO2 acétate- - 290
S0 HS- - 270
CO2 CH4 - 240
acétaldéhyde éthanol - 197
pyruvate lactate- - 185
HSO3- S0 - 38
Fe3+ Fe2+ + 771
N2O N2 + 1360
Page 104
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 104
+815
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
SO42- SO3
2- + H2O - 516
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
FAD FADH2 - 220
HSO3- HS- - 116
fumarate2- succinate2- + 33
TMNO triméthylamine + 130
DMSO diméthylsulfate + 160
NO2- NO + 360
NO3- NO2
- + 421
½ O2 H2O + 815
815
- (- 320)
=
1135
- 320
RESPIRATIONS ANAEROBIE
POURQUOI RESPIRER L’OXYGENE
EST PLUS ENERGETIQUE
Page 105
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 105
815
- (- 220)
=
1035
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
SO42- SO3
2- + H2O - 516
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
FAD FADH2 - 220
HSO3- HS- - 116
fumarate2- succinate2- + 33
TMNO triméthylamine + 130
DMSO diméthylsulfate + 160
NO2- NO + 360
NO3- NO2
- + 421
½ O2 H2O + 815+ 815
RESPIRATIONS ANAEROBIE
POURQUOI RESPIRER L’OXYGENE
EST PLUS ENERGETIQUE
- 220
Page 106
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 106
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
SO42- SO3
2- + H2O - 516
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
FAD FADH2 - 220
HSO3- HS- - 116
fumarate2- succinate2- + 33
TMNO triméthylamine + 130
DMSO diméthylsulfate + 160
NO2- NO + 360
NO3- NO2
- + 421
½ O2 H2O + 815
- 320
421
- (- 320)
=
741
+ 421
RESPIRATIONS ANAEROBIE
POURQUOI RESPIRER L’OXYGENE
EST PLUS ENERGETIQUE- 836 !
+ 204
Page 107
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 107
CATABOLISMES
ET S’IL N’Y A
AUCUN ACCEPTEUR D’ELECTRONS ??
les coenzymes réduits ne peuvent plus être ré-oxydéset s’accumulent dans le cytoplasme : il faut arrêter d’en produire !
blocage du cycle de Krebs : inhibitions allostériques successives
effets allostériques au niveau du couple PEP / pyruvate
PEP carboxylase (acétyl-coA : effecteur positif)
activation / répression de régulateurs de l’expression des gènes
-cétoglutarate déshydrogénase (NADH + H+, succinyl-coA)
citrate synthase (NADH + H+, -cétoglutarate)
pyruvate déshydrogénase (acétyl-coA, NADH + H+ : effecteurs négatifs)
Page 108
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 108
CATABOLISMES
VOIES ANAPLEROTIQUES :
PEP CARBOXYLASE
PEP
ATP
ADP
citrateH2Ooxaloacétate
acétyl-coA coA-SH+ H+
Pi
CO2 + H2O
PC-cétoglutarate
et le
succinyl-coA ???
pyruvate
NADH+ H+
NAD+
coA-SH
CO2
PDH
isocitrate
CO2
NAD+
NADHCO2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 109
CATABOLISMES
-cétoglutarate
acétyl-coA
succinyl-coA
GDP
GTP + Pi
coA-SH
NADH + H+
NAD+
VOIES ANAPLEROTIQUES :
LE SHUNT DU GLYOXYLATE
succinate
glyoxylatemalate
fumarate
H2O
FADH2
FAD
H2Ooxaloacétate
acétyl-coA coA-SH+ H+
isocitrate
CO2
NAD+
NADH
citrate
Page 110
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 110
CATABOLISMES
QUID DES COENZYMES REDUITS PRODUITS
(AU COURS DE LA GLYCOLYSE) ?
utilisation de pyruvate ou de ses dérivés
Xox + NADH + H+ → Xréd + NAD+
le seul ATP produit l’est
par phosphorylation au niveau du substrat
substrats destinés à être réduits (via la ré-oxydation des coenzymes)
= FERMENTATIONS
Page 111
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 111
CATABOLISMES
PHOSPHORYLATIONS AU NIVEAU DU SUBSTRAT
X~ P + ADP X + ATP
1,3-bisphosphoglycérate + ADP + ATP (glycolyse)
PEP + ADP pyruvate + ATP (glycolyse)
3 P ~ glycérate
acétyl-phosphate + ADP acétate + ATP (acétogenèse)
butyryl-phosphate + ADP butyrate + ATP (fermentation butyrique)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 112
FERMENTATIONS
FERMENTATIONS
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 113
mais… s’il n’y a pas d’accepteur d’électrons disponible :alternative à l’arrêt total du catabolisme !
FERMENTATIONS
FERMENTATIONS :
QUELQUES GENERALITES
strict équilibre entre oxydations et réductions
mais… le carbone n’est que (très) partiellement assimilé
et l’essentiel du carbone se trouve dans des produits non utilisés...sauf par les hommes !!!
faible rendement en ATP (YATP) : < 3 ATP par glucose consommé
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 114
FERMENTATIONS
PETITS RAPPELS :
QU’Y A-T-IL A RE-OXYDER ? REDUIRE ?
glucose + 1 H2O + 1 ATP + 2 NADP+
(1/3 pyruvate + 2/3 fructose ~ 6 P + 1 CO2
+ 1 ATP + 2 (NADPH + H+)
glycolyse (voie EMP) :
voie des pentoses phosphates :
voie d’Entner-Doudoroff :
glucose + 2 (ADP + Pi) + 2 NAD+
2 pyruvate + 2 H2O + 2 ATP + 2 (NADH + H+)
glucose + 1 (ADP + Pi) + NAD+ + NADP+
2 pyruvate + ATP + 1 (NADH + H+) + 1 (NADPH + H+)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 115
FERMENTATIONS
FERMENTATIONS ALCOOLIQUES :
SACCHAROMYCES CEREVISIAEglucose
trioses ~ Px 2
2 ATP 2 ADP
fructose ~ 1,6 bis P
2 pyruvate
2 ADP
2 ATP
2 Pi
2 PEP
2 (NADH + H+) 2 NAD+
2 H2O
2 éthanol
2 CO2
2 acétaldéhyde
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 116
FERMENTATIONS
FERMENTATION HOMOLACTIQUE
glucose
trioses ~ Px 2
fructose ~ 1,6 bis P
2 ATP 2 ADP
2 pyruvate
2 ADP
2 ATP
2 Pi
2 PEP
2 (NADH + H+) 2 NAD+
2 H2O
2 lactate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 117
FERMENTATIONS
FERMENTATIONS ALCOOLIQUES :
ZYMOMONAS MOBILIS
glucose
Pi
PEP
NADH + H+ NAD+
pyruvate
ADP
ATP
éthanol+ CO2
éthanol+ CO2
NADH + H+
NAD+
???
glycéraldéhyde~ 3 P
pyruvate
céto-désoxy-6 P ~ gluconate
(KDPG)
H2O
6 P ~ gluconate
ATP ADP
H2O
NADP+ NADPH + H+
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 118
FERMENTATIONS
INTERCONVERSION NADH - NADPH :
LES TRANSHYDROGENASES
NADPH
+H+
NADP+
glucose
H2O
6 P ~ gluconate
NAD+
NADH
+ H+
pyruvate
éthanol
CO2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 119
FERMENTATIONS
FERMENTATION HETEROLACTIQUE
xylulose ~ 5 P
glucose
pyruvate
ADP
ATPNADH+ H+ NAD+
Pi
PEP
H2O
lactate
acétyl-coA
coA-SHacétyl ~ P
3 P ~ glycéraldéhyde Pi
acétaldéhyde
NADH+ H+
NAD+
éthanol
NADH+ H+NAD+
6 P ~ gluconate
ATP ADP
H2O
NADP+ NADPH + H+
ribulose ~ 5 P
NADP+
NADPH+ H+
CO2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 120
FERMENTATIONS
D’AUTRES FERMENTATIONS...
fermentation du diacétyle Lactococcus lactis
3 citrate lactate + 3 acétate + diacétyle + 5 CO2
fermentation propionique Propionibacterium
3 lactate 2 propionate + acétate + CO2
fermentation butyrique Clostridium butyricum
glucose butyrate + 2 CO2 + 2 H2
fermentation acéto-butanolique Clostridium acetobutylicum
glucose acétone + butanol + 5 CO2 + 4 H2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 121
CO2 + XH2 formate + X CO2 + XH2 [CO] + X + H2OCO2
glucose + 4 ADP + 4 Pi 3 acétate + 4 ATP
FERMENTATIONS
… ET LA FERMENTATION ACETIQUE !
(CLOSTRIDIUM - ACETOBACTERIUM)
glucose + 2 ADP + 2 Pi 2 pyruvate + 2 ATP + 2 (NADH + H+)
2 pyruvate + 2 coA-SH + 2 Fd 2 acétyl-coA + 2 CO2 + 2 FdH2
2 acétyl-coA + 2 ADP + 2 Pi 2 acétate + 2 coA-SH + 2 ATP
CO2
formate + ATP + THF 10-formyl-THF + ADP + Pi10-formyl-THF 5,10-méthényl-THF + H2O
5,10-méthényl-THF + NADH + H+ 5,10-méthylène-THF + NAD+
5,10-méthylène-THF + FdH2 5-méthyl-THF + Fd
5-méthyl-THF + E-B12 5-méthyl-E-B12 + THF 5-méthyl-E-B12 + [CO] + coA-SH acétyl-coA
acétyl-coA + ADP + Pi acétate + coA-SH + ATP
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 122
FERMENTATIONS
ESCHERICHIA COLI :
FERMENTATION ACIDE-MIXTE
lactate
succinate
éthanolacétate
CO2
H2
formate
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 123
FERMENTATIONS
KLEBSIELLA AEROGENES :
FERMENTATION BUTANE-DIOL
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 124
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
acétaldéhyde éthanol - 200
pyruvate lactate - 190
fumarate succinate + 31
ENCORE LES POTENTIELS REDOX…
FERMENTATIONS
- 190
- 320- 190
- (- 320)
=
+ 130
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 125
CATABOLISMES
ET SI L’ORIGINE DES ELECTRONS
N’ETAIT PAS ORGANIQUE !?
LITHOTROPHIE
+ O2
H2O
chaîne respiratoire
inorganiqueréd inorganiqueox + e- + H+
gradient de protons
ATP !
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 126
SOURCES D’ELECTRONS
INORGANIQUES
LITHOTROPHIE
H2 2 H+ + 2 e- Pseudomonas saccharophilaRalstonia eutropha
CO + H2O CO2 + 2 H+ + 2 e- Pseudomonas carboxydovorans
2 Fe2+ 2 Fe3+ + 2 e- Thiobacillus ferrooxidans
nitrification
oxydation du soufre
2 H+ + 2 e- + ½ O2 H2O
2 H+ + 2 e- + ½ O2 H2O
2 H+ + 2 e- + ½ O2 H2O
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 127
NITRIFICATION
LITHOTROPHIE
oxydation de l’ammoniaque Nitrosomonas
NH4+ + 1½ O2 NO2
- + 2 H+ + H2O
NH3 + O2 + XH2 NH2OH + X + H2O
NH2OH [NOH] + 2 H+ + 2 e-
[NOH] + X + ½ O2 + H+ + 2 e- NO2- + XH2
NO2- + ½ O2 NO3
-
oxydation du nitrite Nitrobacter
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 128
OXYDATION DU SOUFRE
LITHOTROPHIE
S2- + 2 O2 SO42- Thiobacillus
S2- [S] + 2 e-
[S] + 3 H2O SO32- + 6 H+ + 4 e-
SO32- + H2O SO4
2- + 2 H+ + 2 e-
S2- + 4 H2O SO42- + 8 H+ + 8 e-
S0 + 4 H2O SO42- + 8 H+ + 6 e-
6 H+ + 6 e- + 1½ O2 3 H2O
S2O32- + 5 H2O 2 SO4
2- + 10 H+ + 8 e-
8 H+ + 8 e- + 2 O2 4 H2O
8 H+ + 8 e- + 2 O2 4 H2O
S0 + H2O + 1½ O2 H2SO4 (S0 [S]) Thiobacillus
S2O32- + H2O + 2 O2 H2SO4 + SO4
2- Thiobacillus
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 129
OXYDATION DU SOUFRE
ET
PHOSPHORYLATION AU NIVEAU DU SUBTRAT
LITHOTROPHIE
S2- + 3 H2O + AMP + Pi SO42- + ADP + 6 H+ + 8 e-
SO42- + 1½ O2 3 H2O
S2- [S] + 2 e-
[S] + 3 H2O SO32- + 6 H+ + 4 e-
SO32- + AMP APS + 2 e-
APS + Pi SO42- + ADP
S2- + 1½ O2 + AMP + Pi SO42- + ADP + 2 e-
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 130
L’OXYDATION DU SOUFRE ET DU FER,
BASE DE LA LIXIVIATION
LITHOTROPHIE
2 FeS2 + 7½ O2 + H2O
Fe2(SO4)3 + H2SO4
2 CuFeS2 + 8½ O2 + H2SO4
Fe2(SO4)3 + 2 CuSO4 + H2O
UO2 + Fe2(SO4)3
(UO2)SO4 + 2 FeSO4
BIOX® : la lixiviation au service de l’extraction d’or
(bioleaching)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 131
forme oxydée forme réduite E’0 (mV)
SO42- SO3
2- + H2O - 516
2 H+ H2 - 410
NAD(P)+ NAD(P)H + H+ - 320
FAD FADH2 - 220
SO32- S0 - 38
NO2- NH4
+ + 440
NO3- NO2
- + 421
Fe3+ Fe2+ + 771
½ O2 H2O + 815
POTENTIELS REDOX :
GROS PROBLEME !!!
LITHOTROPHIE
+815
+ 421815
- 421
=
394
-320
- 320
- 421
=
- 741
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 132
LITHOTROPHIE
AUTOTROPHIE : « FIXER » LE CARBONE
pour transformer CO2 en carbone organique (trioses), il faut :
énergie
pouvoir réducteur (réduire CO2)
enzymes : cycle de Calvin OU… cycle TCA inversé !
l’énergie mise en jeu peut être d’origine
chimique (chimiolithotrophes autotrophes)
lumineuse (photolithotrophes autotrophes, photohétérotrophes organotrophes)
le pouvoir réducteur est d’origine
minérale (chimio- et photolithotrophes autotrophes)
organique (photohétérotrophes organotrophes)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 133
utilisation de l’énergie produitepour réduire (fixer) CO2 (ou autre source de carbone)
captage de l’énergie lumineuse (photons)par une antenne collectrice (spectre variable)
CATABOLISMES
UTILISATION DE L’ENERGIE LUMINEUSE :
LES PHOTOSYNTHESES
DEUX PHASES DISTINCTES
lumineuse !
obscure !?
+ conversion de l’énergie lumineuse (photons)en énergie chimique (ATP, NADH + H+)
et synthétiser les constituants cellulaires
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 134
PHOTOSYNTHESES
UNE PHASE LUMINEUSE PRIMITIVE
CHEZ LES HALOBACTERIES
ADP + Pi ATP
ATPase
bactériorhodopsine
3 H+
3 H+
H+
H+
h
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 135
PHOTOSYNTHESES
DES BACTERIES FRANCHEMENT ROUGES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 136
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES PHOTOSYNTHETIQUES :
PRINCIPES GENERAUX
l’ATP est généré presque exclusivement parphotophosphorylation
le pouvoir réducteur provient de sources d’électrons variables
bactéries sulfureuses
bactéries non sulfureuses
cyanobactéries (H2O)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 137
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES PHOTOSYNTHETIQUES :
PRINCIPES GENERAUX
localisation des photosystèmes :
bactéries pourpres : « tubes » invaginés
bactéries vertes : chlorosomes
cyanobactéries : phycobilisomes (+ pseudo-thylacoïdes)
membrane plasmique, éventuellement invaginée,voire structures membranaires intracytoplasmiques
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 138
Après excitation du photosystème par les photons,les électrons activés sont injectés dans le STE,ce qui entraîne le pompage de protons vers le périplasme(alternance transporteurs d’électrons / transporteurs de protons et d’électrons)
PHOTOSYNTHESES
PHOTOPHOSPHORYLATIONS
CYCLIQUE ET NON-CYCLIQUE
A la sortie du STE, les électrons sont dirigés vers un accepteur :
A la sortie du STE, les électrons sont réinjectés dans le STE :
(le donneur primaire d’électrons est également l’accepteur final…
photophosphorylation non-cyclique(photosynthèse oxygénique uniquement)
photophosphorylation cyclique
les électrons tournent en rond !)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 139
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES POURPRES :
PHOTOSYSTEME II
antenne collectrice : caroténoïdes 400/550 nmbactériochlorophylle a 850/910 nm
ou bactériochlorophylle b 1020/1035 nm
centre réactionnel : 2 x 2 bactériochlorophylles P870
2 x bactériophéophytine
STE : complexe fer-quinonecytochromes b et c1 (centre Fe/S)
cytochrome c2 + ubiquinone
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 140
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES POURPRES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 141
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES POURPRES
UQ b + c1
centre
réactionnel
c2
Fe-Q
2 H+
h
NAD+
+ 2 H+ NADH + H+
XH2
X + 2 H+2 H+
c2
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 142
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES POURPRES :
SOURCES D’ELECTRONS
bactéries pourpres sulfureuses Thiocapsa, Chromatium
XH2 = H2 2 H+ + 2 e-
H2S 2 H+ + S2-
S0 (accumulation intracellulaire)composés organiques (AA, sucres, acides, …)…
bactéries pourpres non sulfureuses Rhodopseudomonas
XH2 = H2
(H2S)composés organiques (AA, sucres, acides, …)…
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 143
PHOTOSYNTHESES
LES BACTERIES POURPRES SONT AUSSI
CHIMIOTROPHES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 144
PHOTOSYNTHESES
LES BACTERIES POURPRES SONT AUSSI
CHIMIOTROPHES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 145
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES VERTES :
PHOTOSYSTEME I
antenne collectrice : caroténoïdes 400/550 nmbactériochlorophylle a 805/810 nm
et bactériochlorophylle c 745/760 nmou bactériochlorophylle d 725/745 nmou bactériochlorophylle e 715/725 nm
STE : ferrédoxinecytochromes b + protéine Fe/Scytochrome c553 + ménaquinone
centre réactionnel : 2 x 2 bactériochlorophylles P840
2 x protéine Fe/S
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 146
centre
réactionnelb + Fe/S
c553
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
MQ
Fdh
XH2
X + 2 H+
NAD+
+ 2 H+ NADH + H+
c553
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 147
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
Page 148
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 148
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 149
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES BACTERIES VERTES :
SOURCES D’ELECTRONS
bactéries vertes sulfureuses Chlorobium
XH2 = H2S 2 H+ + S2-
S0 (accumulation extracellulaire)…
bactéries vertes non sulfureuses Chloroflexus
XH2 = H2
(H2S)composé organique (AA, sucre, acide, …)
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 150
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES CYANOBACTERIES :
PHOTOSYSTEMES I ET II
antenne collectrice : caroténoïdes 400/550 nmchlorophylle a 665 (+ 430) nmphycobilines = phycoérythrine 550 nm
= phycocyanine 620/640 nm
centres réactionnels : PSII chlorophylle P680
PSI chlorophylle P700
STE : plastoquinonecytochromes b6 et f
plastocyanine
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 151
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES CYANOBACTERIES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 152
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES CYANOBACTERIES
Page 153
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 153
PHOTOSYNTHESES
LA PHASE LUMINEUSE
CHEZ LES CYANOBACTERIES
Page 154
Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 154
PHOTOSYNTHESES
PHASE OBSCURE CHEZ LES CYANOBACTERIES
ET LES BACTERIES POURPRES
réduction du CO2 via le cycle de Benson et Calvin
(rôle essentiel de la RubisCO)
nécessite CO2, ATP et NADPH + H+
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 155
PHOTOSYNTHESES
PHASE OBSCURE CHEZ LES CYANOBACTERIES
ET LES BACTERIES POURPRES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 156
PHOTOSYNTHESES
PHASE OBSCURE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
la réduction du CO2 fait intervenir le cycle de l’acide citrique…
qui tourne à l’envers !
nécessite CO2 et ferrédoxine réduite
cycle réducteur des acides tricarboxyliques
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 157
PHOTOSYNTHESES
PHASE OBSCURE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 158
PHOTOSYNTHESES
PHASE OBSCURE
CHEZ LES BACTERIES VERTES
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 159
CYCLE DE L’AZOTE
LITHOTROPHIE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 160
CYCLE DE L’AZOTE
LITHOTROPHIE
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Mars/Avril 2010 Yves Markowicz - LAPM (CNRS UMR 5163) - Université J. Fourier 161
LITHOTROPHIE
CYCLE DU SOUFRE