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Les organismes vivants ont besoin d’un apport continu d’énergie pour maintenir les fonctions cellulaires et organisationnelles telles que la croissance, la réparation, le mouvement, la défense et la reproduction. Les cellules ne peuvent utiliser que de l’énergie chimique pour alimenter leurs fonctions, elles doivent donc récolter de l’énergie à partir de liaisons chimiques de biomolécules, telles que les sucres et les lipides. Les organismes autotrophes, à savoir les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques et chimiosynthétiques, convertissent les matériaux inorganiques en ces biomolécules en exploitant l’énergie de l’environnement, par exemple de la lumière du soleil pendant la photosynthèse. Les organismes hétérotrophes sont incapables de synthétiser des biomolécules à haute énergie à partir de matériaux inorganiques, ils obtiennent donc de l’énergie en consommant des composés carbonés produits par d’autres organismes, principalement à partir d’autotrophes. Lorsque de l’énergie est nécessaire, les liaisons chimiques des composés carbonés sont rompues pour récolter l’énergie stockée dans ces liaisons. Les processus de récolte d’énergie à partir de biomolécules sont appelés respiration cellulaire.
La respiration cellulaire se produit à la fois chez les organismes autotrophes et hétérotrophes, où l’énergie devient disponible pour l’organisme le plus souvent par la conversion de l’adénosine diphosphate (ADP) en adénosine triphosphate (ATP). Il existe deux principaux types de respiration cellulaire : la respiration aérobie et la respiration anaérobie. La respiration aérobie est un type spécifique de respiration cellulaire, dans lequel l’oxygène (O2) est nécessaire pour créer de l’ATP. Dans ce cas, le glucose (C6H12O6) peut être complètement oxydé dans une série de réactions enzymatiques pour produire du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O).
La respiration aérobie se déroule en trois étapes. Un processus appelé glycolyse divise le glucose en deux molécules à trois atomes de carbone appelées pyruvate. Ce processus libère de l’énergie, dont une partie est transférée à l’ATP. Ensuite, les molécules de pyruvate pénètrent dans les mitochondries pour participer à une série de réactions appelées cycle de Krebs, également connu sous le nom de cycle de l’acide citrique. Cela complète la décomposition du glucose, en récoltant une partie de l’énergie en ATP et en transférant des électrons sur les molécules porteuses. Dans la dernière étape, connue sous le nom de phosphorylation oxydative, les électrons passent à travers un système de transport d’électrons dans la membrane interne mitochondriale, qui maintient un gradient d’ions hydrogène. Les cellules exploitent l’énergie de ce gradient de protons pour générer la majorité de l’ATP pendant la respiration aérobie.
La respiration aérobie nécessite de l’oxygène, cependant, de nombreux organismes vivent dans des endroits où l’oxygène n’est pas facilement disponible ou où d’autres produits chimiques submergent l’environnement. Les extrêmophiles sont des bactéries qui peuvent vivre dans des endroits tels que les cheminées hydrothermales des océans profonds ou les grottes sous-marines. Plutôt que d’utiliser l’oxygène pour subir la respiration cellulaire, ces organismes utilisent des accepteurs inorganiques tels que le nitrate ou le soufre, qui sont plus facilement disponibles dans ces environnements difficiles. Ce processus s’appelle la respiration anaérobie.
Lorsqu’il n’y a pas d’oxygène et que la respiration cellulaire ne peut pas avoir lieu, une respiration anaérobie spéciale appelée fermentation se produit. La fermentation commence par la glycolyse pour capturer une partie de l’énergie stockée dans le glucose en ATP. Cependant, comme la phosphorylation oxydative ne se produit pas, la fermentation produit moins de molécules d’ATP que la respiration aérobie. Chez l’homme, la fermentation se produit dans les globules rouges qui manquent de mitochondries, ainsi que dans les muscles lors d’une activité intense générant de l’acide lactique comme sous-produit, d’où le nom de fermentation de l’acide lactique. Certaines bactéries effectuent la fermentation de l’acide lactique et sont utilisées pour fabriquer des produits tels que le yogourt. Dans la levure, un processus connu sous le nom de fermentation alcoolique génère de l’éthanol et du dioxyde de carbone comme sous-produits, et a été utilisé par les humains pour fermenter des boissons ou faire lever la pâte.
La respiration cellulaire associée à la photosynthèse est une caractéristique du transfert d’énergie et de matière, et met en évidence l’interaction des organismes avec leur environnement et d’autres organismes de la communauté. La respiration cellulaire a lieu à l’intérieur des cellules individuelles, cependant, à l’échelle des écosystèmes, l’échange d’oxygène et de dioxyde de carbone par la photosynthèse et la respiration cellulaire affecte les niveaux d’oxygène atmosphérique et de dioxyde de carbone.
Il est intéressant de noter que les processus de respiration cellulaire et de photosynthèse sont directement opposés l’un à l’autre, où les produits d’une réaction sont les réactifs de l’autre. La photosynthèse produit le glucose qui est utilisé dans la respiration cellulaire pour produire de l’ATP. Ce glucose est ensuite reconverti en CO2 pendant la respiration, qui est un réactif utilisé dans la photosynthèse. Plus précisément, la photosynthèse construit une molécule de glucose à partir de six molécules de CO2 et six molécules de H2O en capturant l’énergie de la lumière du soleil et en libérant six molécules d’O2 comme sous-produit. La respiration cellulaire utilise six molécules d’O2 pour convertir une molécule de glucose en six molécules de CO2 et six molécules de H2O tout en exploitant l’énergie sous forme d’ATP et de chaleur.
Les scientifiques peuvent mesurer le taux de respiration cellulaire à l’aide d’un respiromètre en évaluant le taux d’échange d’oxygène. Comprendre la loi des gaz parfaits est d’une importance fondamentale pour savoir comment fonctionne le respiromètre. La loi des gaz parfaits stipule que le nombre de molécules de gaz dans un récipient peut être déterminé à partir de la pression, du volume et de la température. Plus précisément, le produit du volume et de la pression d’un gaz est égal au produit du nombre de molécules de gaz, de la constante de gaz parfait et de la température du gaz. Les respiromètres contiennent de l’hydroxyde de potassium qui piège le dioxyde de carbone produit par la respiration sous forme solide sous forme de carbonate de potassium. Lorsque les cellules consomment de l’oxygène, le volume de gaz dans le système de respiromètre diminue sans que le dioxyde de carbone ne l’augmente, ce qui permet aux scientifiques de calculer la quantité d’oxygène utilisée à l’aide de l’équation des gaz parfaits.
La respiration cellulaire est un processus important qui crée de l’énergie utilisable pour les organismes, par conséquent, l’étude des contextes dans lesquels elle est améliorée ou entravée est non seulement intéressante, mais aussi nécessaire. En particulier, les mitochondries sont essentielles à la respiration cellulaire et toutes les conditions qui affectent la santé mitochondriale ont d’immenses conséquences sur la santé de l’organisme. Par exemple, les myopathies mitochondriales sont un groupe de maladies neuromusculaires causées par des lésions mitochondriales, affectant principalement les cellules nerveuses et musculaires, qui nécessitent des niveaux élevés d’énergie pour fonctionner1. De plus, de nombreux poisons agissent en inhibant la respiration cellulaire. Par exemple, le cyanure inhibe la production d’ATP par phosphorylation oxydative, ce qui permet de comprendre les mécanismes du cyanure ou d’autres poisons métaboliques permettant de traiter les individus qui y ont été exposés2. De même, certains médicaments tels que certains antibiotiques, chimiothérapies, statines et anesthésiques peuvent également interférer avec la fonction mitochondriale et peuvent ne pas convenir pour traiter les patients atteints de troubles mitochondriaux3.
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.
