L'organisation du métabolisme microbien Maîtrise BPE L'organisation du métabolisme microbien 2 aspects du métabolismes: Biosynthèse Métabolisme énergétique Biosynthèse Créer les structures fondamentales des cellules vivantes: Membranes lipides C, O, H, P Parois, Réserves glucides,… C, O, H Enzymes protéines C, O, H + N, S Matériel génétique acides nucléiques C, O, H + P Réactions endo-énergétiques: G>0 consommation d’ATP

Structures des membranes Ac. gras CH3 CH2 … CO O CH3 CH2 … CO O hydrophobe CH2 CH CH2 O P hydrophile glycerophosphate

Biosynthèse autotrophique ou hétérotrophique Corg. polymérique protéines ac. nucléiques lipides polysaccharides ATP Métabolites (monomères) ATP N,P,S inorg ATP NAD(P)H Hydrolyse Cycle de Calvin CO2 Corg polym. allochtone AUTOTROPHIE HETEROTROPHIE Voies de fixation (et de réduction) du C chez les autotrophes

Métabolime producteur d’énergie Fournir l’énergie (et le pouvoir réducteur) nécessaires à la biosynthèse et à la maintenance des structures Réactions exo-énergétiques: G<0 production d’ATP réactions rédox Etat rédox du milieu

V E = E°Redi/Oxi + RT/nF ln (Oxi/Redi) Etat rédox du milieu Redi  Oxi + n e- ½ H2  H+ + e- Électrode de référence E=0 à pH0 E = E°Redi/Oxi + RT/nF ln (Oxi/Redi) Tendance d’un couple redox à agir comme oxydant (à accepter des électrons) H2/H+ - 0.42 V CH4/CO2 - 0.27 HS-/SO4-- - 0.22 Fe++/Fe+++ + 0.11 NH4+/NO3- + 0.35 Mn++/MnO2 + 0.57 H2O/O2 + 0.82 NADH/NAD+ - 0.32 V

‘Titration’ rédox réducteur Eh = E°Redi/Oxi + RT/nF ln (Oxi/Redi) pour tous les Redi/Oxi HS-/SO4— Fe++/Fe+++ NH4+/NO3- Mn++/MnO2 H2O/O2 Mélange d’oxydants

Métabolisme hétérotrophe oxydation exoénergétique du substrat carboné phosphorylation au niveau du substrat pouvoir oxydant assuré par NAD(P)+ Corg ex: C6H12O6 NAD(P)+ pouvoir oxydant ATP régénération exoénergétique du pouvoir oxydant par transfert d'électrons vers un oxydant extérieur à travers une chaîne de cytochromes: Ensemble de molécules organisées au sein d’une structure membranaire de telle manière que leur conversion rédox s’accompagne de l’établissement d’un gradient de protons de part et d’autre de la membrane. Ce gradient permet d’effectuer un travail chimique, comme par exemple la phosphorylation de l’ADP par une ATPase membranaire. CH3 CO COOH En l’absence d’oxydant extérieur disponible, la régénération du pouvoir oxydant se fait par une phase de réduction du substrat carboné partiellement oxydé, de sorte qu’aucune modification d’état rédox de celui-ci ne se manifeste en bilan. CO2 NAD(P)H NAD(P)H CH3 CO SCoA cytochromes NAD(P)+ NAD(P)+ O2 NO3 Fe+++ SO4 NAD(P)+ Krebs ADP CO2 ATP CH3 CHOH COOH ATP Fermentation Respiration organotrophe

Synthèse d’ATP associée au transfert d’électrons

Métabolisme Chémolithotrophe Transfert d'électrons exoénergétique d'un substrat minéral réducteur vers un oxydant extérieur à travers une chaine de cytochrome (= respiration minérale). Exemples de substrats réducteurs inorganique: NH4+ nitrification Mn++, Fe++ mangano- et ferro oxydation HS- sulfo-oxydation H2 hydrogéno-oxydation CH4 oxydation du méthane Accepteurs d’électrons possibles: O2 respiration minérale aérobie NO3- ,NO2- dénitrification lithotrophique SO4-- sulfatoréduction lithotrophique CO2 méthanisation respirative (4H2+CO2  CH4 + 2H2O)  

Métabolisme phototrophe Activation photochimique d'un centre rédox (photosystème) induisant un transfert d'électrons interne (photophosphorylation cyclique) ou un transfert d’électrons d'un donneur extérieur vers NADP+ (génération d'un pouvoir réducteur interne utile pour la biosynthèse). Photophosphorylation cyclique Photosynthèse anoxygénique Photosynthèse oxygénique E(V) PSI* PSI+ PSI* PSI+ -.5 PSI* PSI+ 2e- 2e- 2e- NAD(P)+ NAD(P)H HS- S° NAD(P)+ NAD(P)H 2e- PSII* PSII+ h h ATP 2e- ATP h h ATP PSI PSI+ PSI+ PSI PSI+ PSI +.5 H2O 1/2O2 2e- PSII+ PSII Transfert d'é interne, générateur d’un gradient protomotif Transfert d’électrons d'un réducteur extérieur vers NADP+ (génération d'un pouvoir réducteur interne utile pour la biosynthèse).

Photophosphorylation cyclique: mécanisme

Récapitulation Prod. d’énergie Chemoorganotrophie Chemolithotrophie Phototrophie oxydation d'un substrat organique oxydation d'un substrat minéral absorption de la lumière Sorgred  Sorgox + e Sminred  Sminox + e H2 CH4 HS- sulfo-oxydation NH4+ NO3- nitrification Mn++ Fe++ mangano/ferro oxyd transfert interne d'e nécessité d'un pouvoir oxydant nécessité d'un pouvoir oxydant  Fermentation Respirations organotrophes Respirations minérales régénération du pouvoir oxydant aux dépends de Sorg lui-même e + Sorgox  Sorgred' régénération de ce pouvoir aux dépends d'un oxydant extérieur e + Oxi  Redi O2 respiration aérobie MnO2, Fe2O3 Mn/Fe reduction NO3- denitrification SO4-- sulfatoréduction   Biosynthèse Hétérotrophie Autotrophie transformation de Corg sans changement rédox majeur Corg  Corg' fixation (= réduction) du CO2 : CO2 + e  Corg nécessité d'un pouvoir réducteur régénéré aux dépends d'un réducteur extérieur Sminred Sminox + e H2O CH4 HS- sulfo-oxydation NH4+ nitrification Mn++,Fe++ mangano/ferro oxyd  

Escaut

Equilibre fermentation-respiration Dans la plupart des milieux, les fermentations jouent un rôle significatif dans la dégradation de la matière organique, les produits de fermentation étant ensuite oxydés par les métabolismes respiratoires.  Dans certains cas, un déséquilibre temporaire ou permanent peut se produire entre la production et l'utilisation des produits de fermentation.  exemple de l'Estuaire de l'Escaut Accumulation temporaire d'acétate lors du passage à des conditions rédox ne permettant que la sulfato-réduction. CH3 COOH Transition brun- noir

Exemple des fermentations alimentaires Fermentation alcoolique: C6H12O6  2 CH3CH2OH + 2 CO2 Fermentation lactique: C6H12O6  2 CH3CHOH COOH

Dégradation de la MO en l’absence d’oxydants Corg ex: C6H12O6 NAD+ NADH ATP CH3 CO COOH H+ 4 H2 + CO2  CH4 + 2 H2O Méthanisation chémolithotrophe CH3COOH  CH4 + CO2 Méthanisation fermentative Méthanisation NADH H2 CO2 NAD+ CH3 CO SCoA NADH NAD+ ATP CO2 CH3 CHOH COOH lactate éthanol propionate succinate CH3 COOH acétate Fermentations classiques NAD+ NADH G = + 4.6 kcal + RT ln p H2 H2 H+

Histoire rédox de la planète Co-évolution des conditions redox sur la terre et des métabolismes Atmosphère primordiale des planètes Uranus Neptune Jupiter Saturne Mercure Vénus Terre Mars Atmosphère secondaire produite par dégazage du manteau. Echappement de l’H2. Dominée par CO2. Vénus: eau vaporisée et perdue. Mars: eau piègée sous forme de glace. Atmosphère primordiale, obtenue par capture initiale de la nébuleuse solaire additionnée de produit de dégazage du noyau (Fe°). Atmosphère très réductrice: H2, CH4, NH3, PH3   Terre: dégazage du manteau fournit atmosphère modérément réductrice: H2S, N2, CO2, H2O avec H2/H2O = 0.01; CO/CO2 = 0.03; NH3/N2 = 0.001 4.6 - 4 109 années BP L’atmosphère primitive s’appauvrit en CO2 par l’altération en milieu humide des roches silicatées: CaSiO3 + CO2  CaCO3 + SiO2 La température s’abaisse

La vie apparaît en conditions réductrices! 4.2 – 4 109 années BP formation photochimique abiotique de molécules organiques (exp. de Miller en atm. très réductrice) ou apports météoritiques? 3.8 - 3.2 109 années BP métabolismes fermentatifs métabolismes phototrophes anoxygeniques (PSI) 3.2-3 109 années BP déplétion des réducteurs inorganiques, accumulation de matière organique respirations anaérobies; cycle du soufre 3 -2.6 109 années BP photosynthèse oxygénique oxydation progressive de la biosphère et accumulation de matière organique Apparition d’une atmosphère d’O2  multiplication des métabolismes hétérotrophes (La matière organique devient thermodynamiquement plus instable). respirations aérobies; cycle de l’azote  apparition d’une couche protectrice d’O3 faisant écran aux UV dans la gamme 200-300 nm développement de la vie sur terre Les organismes autotrophes titrent les réducteurs inorganiques du milieu !!!

Titration rédox de la planète H2O/O2 Mn++/MnO2 Fe++/Fe+++ HS-/SO4— Corganique 1020 mol Sédiments 11 Corg dissous 0.001 Biomasse 0.0006 (atm CO2 0.0006 NH4+/N2 = S du Corg accumulé 2.5 109 années BP Corg 25 1020 equ présent Corg 45 1020 equ 2 109 années BP Mais subsistance de ‘niches’ réductrices !

Subsistance de ‘niches’ réductrices en milieu confiné Exemple: sédiments Apports de matière organique sédimentée et enfouie Profondeur, cm

Cycles biogéochimiques L’organisation interne du métabolisme vivant garde le souvenir de son apparition en conditions réductrices Les cycles biogéochimiques se sont mis en place au fur et à mesure de l’oxydation du milieu

CH4 méthane CO2 dioxyde CaCO3 HCO3- CHOH carbonate matière organique   CH4 méthane oxydation chemolithotrophe méthanisation combustions comb. fossiles CO2 dioxyde     fixation autotrophe atmosphère biosphère / hydrosphère   CaCO3 HCO3- carbonate   CHOH matière organique respiration organotrophe   Milieu réducteur Milieu oxydant   +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 État d’oxydation du carbone cyC

H2S SO2 R-SH protéines HS- S° sulfure SO3-- SO4-- soufre sulfite   H2S SO2 oxydation atmosphérique   déposition atm. combustions comb. fossiles atmosphère   biosphère / hydrosphère R-SH protéines Absorption autotrophe Ammonificaton hétérotrophe   HS- sulfure SO4-- sulfate   SO3-- sulfite sulfooxydation S° soufre sulfatoréduction   Milieu réducteur Milieu oxydant   +6 +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 État d’oxydation du soufre Cy S

NO2 dioxyde d’N NO monoxyd.d’N N2 azote atm N2O oxyde nitreux NO3-   NO2 dioxyde d’N   Combustions à haute T°C Oxydation précipitation NO monoxyd.d’N atmosphère N2 azote atm   Fixation d’N2   Dénitrification biosphère / hydrosphère   N2O oxyde nitreux NO3- nitrate   NO2- nitrite Nitrification Nitrification. R-NH2 protéines Absorption autotrophe Ammonificaton hétérotrophe   NH4+ ammonium Milieu réducteur Milieu oxydant   +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3   État d’oxydation de l’azote CyN

R-OPO32-matière organique   PH3 phosphine ?   atmosphère biosphère / hydrosphère   R-OPO32-matière organique prélèvement autotrophe organotrophie PO43- ortho-phosphate   Milieu réducteur Milieu oxydant   +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -3 État d’oxydation du phosphore CyP

Voies de fixation (et de réduction) du C chez les autotrophes Voie du ribulose 1.5 diphosphate (cycle de Calvin) : plantes en C3 et la plupart des bactéries autotrophes 6 ATP 6 NADPH 3 CO2 1 triose P 5 triose P biosynthèse 3 ribulose 1.5 PP 3 ATP Voie du phosphoénol-pyruvate (cycle de Hatch-Slack): plantes en C4 Voie de l’acétyl-CoA et du pyruvate : bact. méthanogènes et sulfato-réductrices