Respiration cellulaire
Autotrophes et hétérotrophes
Les organismes vivants ont besoin d’un apport continu d’énergie pour maintenir les fonctions cellulaires et organisationn…
Tout ce qui est vivant a besoin d’une source d’énergie pour alimenter ses activités. En fin de compte, cette source d’énergie est le soleil. Comment les organismes sur Terre ont-ils exploité cette énergie ? Tout commence avec les photosynthétiseurs. Ces organismes sont capables de prendre du dioxyde de carbone et de l’eau, puis d’utiliser l’énergie capturée du soleil sous forme de photons pour forcer ces molécules à se rassembler, produisant du glucose et de l’oxygène. Le glucose est la clé de la prochaine étape critique, que presque tous les organismes utilisent sous une forme ou une autre - la respiration cellulaire. La respiration cellulaire est assurée par des enzymes, soit dans la membrane cellulaire chez les procaryotes, soit dans les mitochondries chez les eucaryotes.
La réaction chimique commence par décomposer le glucose à l’aide d’oxygène pour créer à nouveau du dioxyde de carbone et de l’eau, mais dans le processus, l’énergie qui a été utilisée à l’origine pour fabriquer la molécule de glucose va à deux nouveaux endroits. L’une d’entre elles consiste à synthétiser des molécules d’ATP, ou d’adénosine triphosphate, une source d’énergie que les cellules peuvent facilement utiliser. Le reste est perdu sous forme de chaleur. Jusqu’à présent, nous avons parlé d’une sorte de respiration cellulaire qui utilise de l’oxygène, et c’est ce qu’on appelle la respiration aérobie, mais certains organismes et cellules sont capables de respirer en l’absence d’oxygène. C’est ce qu’on appelle la respiration anaérobie. Et au lieu de produire du CO2 et de l’eau, ce processus produit de l’éthanol comme sous-produit. La fermentation est un exemple de ce type de respiration. C’est ainsi que les levures sont capables de produire de l’alcool dans des récipients scellés. Nous pouvons utiliser un outil appelé respiromètre pour mesurer la respiration aérobie. Tout simplement, cet appareil mesure la quantité d’oxygène utilisée par un organisme, en l’occurrence les graines de plantes en germination. Les graines en germination respirent, ce qui signifie que nous pouvons nous attendre à ce qu’elles consomment de l’oxygène et libèrent du dioxyde de carbone. Ils n'ont pas encore leurs parties vertes, ils ne font donc pas de photosynthèse.
La mesure de la respiration dans un respiromètre utilise une méthode astucieuse basée sur la loi des gaz parfaits, P fois V est égal à n fois R fois T. P est la pression du système. V est le volume du gaz. n est le nombre de moles de gaz présentes. R est la constante des gaz parfaits... et T est la température absolue. En termes simples, cela signifie que vous pouvez déterminer combien de molécules de gaz sont présentes dans un échantillon en mesurant son volume, en supposant que vous connaissiez la pression et la température, car R est une constante.
Les respiromètres contiennent de l’hydroxyde de potassium, qui piège le dioxyde de carbone sous forme solide sous forme de carbonate de potassium. Ainsi, en raison de la respiration cellulaire, l’oxygène dans le tube scellé est utilisé par les graines et elles libèrent du dioxyde de carbone, qui à son tour est piégé sous forme de carbonate de potassium. Ainsi, au fur et à mesure que la respiration cellulaire progresse, le volume total de gaz à l’intérieur du système diminue. Nous pouvons quantifier cela en fixant le respiromètre à un appareil appelé manomètre. Ici, au fur et à mesure que les molécules d’oxygène sont consommées, la pression chute à l’intérieur de la chambre du respiromètre et un liquide coloré à l’intérieur d’un minuscule tube capillaire est tiré dans la direction de la diminution de la pression. Nous pouvons ensuite estimer la quantité de gaz restant dans le tube du respiromètre en lisant la valeur au niveau du manomètre. Ce système polyvalent peut être configuré avec de nombreuses variables différentes, comme différentes températures par exemple, et peut être utilisé pour tester le taux de respiration dans de nombreux types d’organismes vivants différents.
Dans ce laboratoire, vous utiliserez un respiromètre et un manomètre pour mesurer le taux de respiration des graines en germination.
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Tout ce qui est vivant a besoin d’une source d’énergie pour alimenter ses activités. En fin de compte, cette source d’énergie est le soleil. Comment les organismes sur Terre ont-ils exploité cette énergie ? Tout commence avec les photosynthétiseurs. Ces organismes sont capables de prendre du dioxyde de carbone et de l’eau, puis d’utiliser l’énergie capturée du soleil sous forme de photons pour forcer ces molécules à se rassembler, produisant du glucose et de l’oxygène. Le glucose est la clé de la prochaine étape critique, que presque tous les organismes utilisent sous une forme ou une autre - la respiration cellulaire. La respiration cellulaire est assurée par des enzymes, soit dans la membrane cellulaire chez les procaryotes, soit dans les mitochondries chez les eucaryotes.
La réaction chimique commence par décomposer le glucose à l’aide d’oxygène pour créer à nouveau du dioxyde de carbone et de l’eau, mais dans le processus, l’énergie qui a été utilisée à l’origine pour fabriquer la molécule de glucose va à deux nouveaux endroits. L’une d’entre elles consiste à synthétiser des molécules d’ATP, ou d’adénosine triphosphate, une source d’énergie que les cellules peuvent facilement utiliser. Le reste est perdu sous forme de chaleur. Jusqu’à présent, nous avons parlé d’une sorte de respiration cellulaire qui utilise de l’oxygène, et c’est ce qu’on appelle la respiration aérobie, mais certains organismes et cellules sont capables de respirer en l’absence d’oxygène. C’est ce qu’on appelle la respiration anaérobie. Et au lieu de produire du CO2 et de l’eau, ce processus produit de l’éthanol comme sous-produit. La fermentation est un exemple de ce type de respiration. C’est ainsi que les levures sont capables de produire de l’alcool dans des récipients scellés. Nous pouvons utiliser un outil appelé respiromètre pour mesurer la respiration aérobie. Tout simplement, cet appareil mesure la quantité d’oxygène utilisée par un organisme, en l’occurrence les graines de plantes en germination. Les graines en germination respirent, ce qui signifie que nous pouvons nous attendre à ce qu’elles consomment de l’oxygène et libèrent du dioxyde de carbone. Ils n'ont pas encore leurs parties vertes, ils ne font donc pas de photosynthèse.
La mesure de la respiration dans un respiromètre utilise une méthode astucieuse basée sur la loi des gaz parfaits, P fois V est égal à n fois R fois T. P est la pression du système. V est le volume du gaz. n est le nombre de moles de gaz présentes. R est la constante des gaz parfaits... et T est la température absolue. En termes simples, cela signifie que vous pouvez déterminer combien de molécules de gaz sont présentes dans un échantillon en mesurant son volume, en supposant que vous connaissiez la pression et la température, car R est une constante.
Les respiromètres contiennent de l’hydroxyde de potassium, qui piège le dioxyde de carbone sous forme solide sous forme de carbonate de potassium. Ainsi, en raison de la respiration cellulaire, l’oxygène dans le tube scellé est utilisé par les graines et elles libèrent du dioxyde de carbone, qui à son tour est piégé sous forme de carbonate de potassium. Ainsi, au fur et à mesure que la respiration cellulaire progresse, le volume total de gaz à l’intérieur du système diminue. Nous pouvons quantifier cela en fixant le respiromètre à un appareil appelé manomètre. Ici, au fur et à mesure que les molécules d’oxygène sont consommées, la pression chute à l’intérieur de la chambre du respiromètre et un liquide coloré à l’intérieur d’un minuscule tube capillaire est tiré dans la direction de la diminution de la pression. Nous pouvons ensuite estimer la quantité de gaz restant dans le tube du respiromètre en lisant la valeur au niveau du manomètre. Ce système polyvalent peut être configuré avec de nombreuses variables différentes, comme différentes températures par exemple, et peut être utilisé pour tester le taux de respiration dans de nombreux types d’organismes vivants différents.
Dans ce laboratoire, vous utiliserez un respiromètre et un manomètre pour mesurer le taux de respiration des graines en germination.
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Q1: Why do organisms need cellular respiration?
Organisms need cellular respiration to harvest energy from glucose and other biomolecules for cellular functions like growth, repair, and movement. Cellular respiration breaks down glucose using oxygen to produce ATP, the energy currency cells can readily use. The process also releases heat as a byproduct, making energy available throughout the organism.
Q2: What is the difference between aerobic and anaerobic respiration?
Aerobic respiration requires oxygen and completely breaks down glucose into carbon dioxide and water, producing significant ATP. Anaerobic respiration occurs without oxygen and produces fewer ATP molecules. Fermentation, a type of anaerobic respiration, generates ethanol or lactic acid as byproducts instead of carbon dioxide and water.
Q3: How does a respirometer measure cellular respiration?
A respirometer measures oxygen consumption by organisms using the ideal gas law principle. Potassium hydroxide inside the respirometer traps carbon dioxide as potassium carbonate. As cells consume oxygen and release carbon dioxide, the total gas volume decreases, causing pressure to drop. A manometer attached to the respirometer detects this pressure change, allowing scientists to quantify oxygen used.
Q4: What role does the mitochondria play in cellular respiration?
In eukaryotes, the mitochondria is the primary site where cellular respiration occurs. Enzymes in the mitochondria carry out the breakdown of glucose through the Krebs cycle and oxidative phosphorylation, generating most of the ATP used by cells. Mitochondrial health directly affects an organism's energy production and overall cellular function.
Q5: How are photosynthesis and cellular respiration related?
Photosynthesis and cellular respiration are opposite processes. Photosynthesis produces glucose and oxygen from carbon dioxide and water using sunlight energy. Cellular respiration uses that glucose and oxygen to produce carbon dioxide, water, and ATP. The products of one process serve as reactants for the other, creating a continuous cycle of energy and matter in ecosystems.
Q6: Why do germinating seeds consume oxygen in a respirometer?
Germinating seeds are actively respiring because they lack green parts and cannot photosynthesize, so they depend entirely on stored energy. They break down glucose through cellular respiration to produce ATP for growth and development. This active respiration consumes oxygen and releases carbon dioxide, which is why oxygen levels decrease measurably in a sealed respirometer.
Q7: What does the ideal gas law tell us about gas molecules in a respirometer?
The ideal gas law states that the number of gas molecules in a container can be determined from pressure, volume, and temperature. In a respirometer, as organisms consume oxygen through respiration, the total number of gas molecules decreases, lowering pressure inside the sealed chamber. By measuring pressure changes, scientists can calculate exactly how much oxygen was consumed using this mathematical relationship.