Respiration

Quelle est la différence entre la respiration anaérobie et la respiration aérobie ?

Explorons les respirations aérobie et anaérobie pour comprendre leurs différences.

La respiration aérobie

La respiration aérobie nécessite de l'oxygène pour avoir lieu et se produit dans le cytoplasme d'une cellule et dans les mitochondries. Elle produit du dioxyde de carbone, de l'eau et beaucoup d'ATP. La respiration aérobie se déroule en quatre étapes :

1. Laglycolyse consiste à diviser une seule molécule de glucose à 6 carbones en deux molécules de pyruvate à 3 carbones.
2. La réaction de liaison, au cours de laquelle les molécules de pyruvate à 3 carbones subissent une série de réactions différentes, conduit à l'acétyl coenzyme A, qui possède deux carbones.
3. Le cycle de Krebs est la plus complexe des quatre réactions. L'acétyl-coenzyme A entre dans un cycle de réactions d'oxydoréduction qui aboutit à la production d'ATP, à la réduction du NAD et à la réduction du FAD.
4. Laphosphorylation oxydative est l'étape finale de la respiration aérobie. Elle consiste à prendre les électrons libérés par le cycle de Krebs (attachés au NAD et au FAD réduits) et à les utiliser pour synthétiser de l'ATP, l'eau étant produite comme sous-produit.

L'équation globale de la respiration aérobie est la suivante :

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\to 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+6{\mathrm{CO}}_2 \\ \mathrm{Glucose}\mathrm{Oxygen}\mathrm{Water}\mathrm{Carbon}\mathrm{dioxide} \end{gathered}$$

Fig. 1 - Résumé de la respiration aérobie

La respiration anaérobie

La respiration anaérobie ne nécessite pas d'oxygène. Elle n'a lieu qu'en l'absence d'oxygène. La respiration anaérobie se produit dans le cytoplasme. Les produits de la respiration anaérobie diffèrent chez les animaux et les plantes. Chez les animaux, la respiration anaérobie produit du lactate ou de l'éthanol ; chez les plantes ou les champignons, elle produit du dioxyde de carbone. Seule une petite quantité d'ATP est produite pendant la respiration anaérobie.

Contrairement à la respiration aérobie, la respiration anaérobie ne comporte que deux étapes :

• Laglycolyse dans la respiration anaérobie est similaire à celle de la respiration aérobie. Une molécule de glucose à 6 carbones est toujours scindée en deux molécules de pyruvate à 3 carbones.
• Lafermentation se produit alors à la suite de la glycolyse. Le pyruvate est transformé soit en lactate (chez les animaux), soit en éthanol et en dioxyde de carbone (chez les plantes ou les champignons). Une petite quantité d'ATP est produite comme sous-produit.

L'équation globale de la respiration anaérobie chez les animaux est la suivante :

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to 2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3 \\ \mathrm{Glucose}\mathrm{Lactic}\mathrm{acid} \end{gathered}$$

L'équation globale de la respiration anaérobie chez les plantes ou les champignons est la suivante :

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+2{\mathrm{CO}}_2 \\ \mathrm{Glucose}\mathrm{Ethanol}\mathrm{Carbon}\mathrm{dioxide} \end{gathered}$$

Fig. 2 - La respiration anaérobie résumée

Comment mesurer la vitesse de la respiration ?

Il existe différentes façons de mesurer la vitesse de la respiration.

Indicateurs d'oxydoréduction

Les scientifiques utilisent de nombreuses méthodes pour déterminer la vitesse de la respiration, mais nous devons parler des indicateurs d'oxydoréduction.

Le DCPIP et le bleu de méthylène sont des exemples d'indicateurs d'oxydoréduction. Nous utilisons des indicateurs d'oxydoréduction pour étudier les effets de la température et de la concentration de substrat sur la vitesse de la respiration anaérobie dans la levure, car ils peuvent être ajoutés à une suspension de cellules de levure vivantes sans les endommager.

Fig. 3 - Aperçu de l'équipement et du processus de mesure du taux de respiration à l'aide d'indicateurs d'oxydoréduction.

Pour étudier l'effet de la température sur le taux de respiration, tu devras procéder comme suit :

1. Ajoute $2{\mathrm{cm}}^3$la suspension de levure dans deux tubes à essai et $2{\mathrm{cm}}^3$de l'eau distillée dans un troisième tube à essai.

1. Ajoute $2{\mathrm{cm}}^3$du glucose dans l'un des deux tubes à essai contenant la levure et du glucose dans le tube à essai contenant l'eau distillée. $2{\mathrm{cm}}^3$du glucose dans le tube à essai contenant de l'eau distillée. Le tube à essai contenant l'eau distillée servira de contrôle pour ton expérience.
2. Place tous les tubes à essai dans un bain-marie à température contrôlée et laisse-les pendant 5 minutes. La température de l'eau doit être d'environ 30℃ et ne doit pas fluctuer.
3. Ajoute $1{\mathrm{cm}}^3$du bleu de méthylène ou du DCPIP dans les tubes à essai et démarre immédiatement le chronomètre.
4. Note le temps que met chaque solution à devenir incolore.
5. Répète cette opération sur une plage de températures avec la même concentration de glucose : 35℃, 40℃, 45℃, 50℃.
6. Tu peux aussi faire varier les concentrations de glucose à 0,1 %, 0,5 % et 1 %, mais n'oublie pas ; tu devras garder une température constante.
7. Trace un graphique de tes résultats pour la température en fonction du temps et la concentration en fonction du temps. Tu devrais constater qu'à mesure que la température et la concentration de glucose augmentent, le taux de respiration augmente également.

Mécanisme

Au cours de la respiration aérobie, la déshydrogénation se produit régulièrement, en particulier dans la décarboxylation et le cycle de Krebs.

Fig. 4 - Le cycle de Krebs, dans lequel le NAD et le FAD sont réduits par déshydrogénation.

Fig. 5 - La réaction de liaison dans laquelle le NAD est réduit par déshydrogénation

Les atomes d'hydrogène sont constamment retirés des molécules de substrat et sont transportés par le NAD et le FAD jusqu'à l'étape finale de la respiration aérobie. L'enzyme déshydrogénase catalyse la conversion du NAD en NAD réduit dans la glycolyse.

Lorsque le DCPIP ou le bleu de méthylène sont ajoutés à la solution, ils agissent de la même façon que les molécules de NAD et de FAD, en captant des atomes d'hydrogène et en devenant réduits. Lorsqu'ils sont réduits, les deux indicateurs d'oxydoréduction passent du bleu à l'incolore.

Si le taux de respiration augmente, le taux de déshydrogénation augmente également, et la solution deviendra donc incolore dans un laps de temps plus court. Nous pouvons établir un lien entre la vitesse de changement de couleur et la vitesse de respiration dans la solution de levure. Par conséquent, le taux de respiration est inversement proportionnel au temps nécessaire pour que la solution devienne incolore. Nous pouvons utiliser l'équation suivante pour calculer ce taux :

$Rate\mathit{}of\mathit{}respiration\mathit{}\mathit{\left(}se{c}^{\mathit{-}\mathit{1}}\mathit{\right)}\mathit{}\mathit{=}\mathit{}\mathit{1}\mathit{/}time\mathit{}\mathit{\left(}sec\mathit{\right)}$

Respiromètres

Une autre façon de mesurer le taux de respiration est d'utiliser un respiromètre, un type d'équipement qui peut aider à mesurer le taux de consommation d'oxygène pendant la respiration aérobie. En général, nous utilisons les respiromètres en prenant un organisme vivant, comme des invertébrés ou des graines en germination.

Tu auras besoin du matériel suivant pour mesurer le taux de respiration :

• Perles de verre
• Tout organisme respirant activement - par exemple, des graines en germination ou un petit insecte.
• Un bain-marie à température contrôlée.
• Des tubes à essai
• Des pastilles de chaux sodée (elles absorbent le dioxyde de carbone).
• Chronomètre

Figure 6. Un respiromètre contenant des graines en germination. Note qu'il est installé dans un bain-marie à température contrôlée.

Pour mesurer le taux de respiration, tu devras procéder comme suit :

1. Installe l'équipement comme indiqué dans le schéma ci-dessus. Assure-toi que les deux tubes sont dans un bain-marie à température contrôlée. Nous recommandons de réaliser l'expérience plusieurs fois à 20℃, 30℃, 40℃, 50℃ et 60℃. Lorsque tu immerges les tubes, laisse quelques minutes à l'organisme pour s'acclimater avant de fermer le bouchon à vis et de commencer l'expérience.
2. Note l'importance du changement de volume de gaz à l'aide du manomètre sur une durée déterminée pour chaque température (nous recommandons 60 secondes).
3. Pour réinitialiser l'appareil, dévisse le bouchon à vis et laisse l'air pénétrer à nouveau dans les tubes. Tu peux réinitialiser le liquide du manomètre à l'aide de la seringue.
4. Pour calculer le volume d'oxygène consommé, tu dois utiliser la formule suivante : $\pi r^{\mathit{2}}h$

r = le diamètre du tube capillaire

h = la distance parcourue par le fluide du manomètre en une minute.

Le taux de consommation d'oxygène sera calculé comme suit ,${\mathrm{cm}}^3{\min }^{-1}$ et cette valeur sera considérée comme le taux de respiration.

Tu devrais constater que le taux de respiration augmente avec la température. Pour les températures supérieures à 40°C, le taux de respiration devrait chuter de façon spectaculaire parce que la respiration est une réaction contrôlée par les enzymes. Lorsqu'il y a plus d'énergie thermique disponible, les enzymes de l'organisme ont plus d'énergie cinétique et se déplacent plus rapidement. Les risques de formation de complexes enzyme-substrat sont plus élevés, de sorte que la vitesse de réaction de la respiration augmente globalement. Au-delà de 40°C, ces enzymes se dénaturent et leur site actif change de forme, ce qui signifie qu'il y aura moins de formation de complexes enzyme-substrat et que la vitesse de la respiration diminuera.

Évaluer la vitesse de la respiration dans la levure

Il est important de connaître le processus utilisé pour mesurer la vitesse de la respiration chez la levure. La levure respire en anaérobie, c'est-à-dire qu'elle n'a pas besoin d'oxygène pour respirer. La levure produit de l'éthanol et du dioxyde de carbone lorsqu'elle respire.

Le dioxyde de carbone peut être mesuré à l'aide du matériel ci-dessous :

• $100{\mathrm{gdm}}^{-3}$ levure
• $0.4\mathrm{mol}{\mathrm{dm}}^{-3}$ solution de saccharose
• $20{\mathrm{cm}}^3$ seringue
• Baguette en verre
• Bains-marie aux températures de 20℃, 30℃, 40℃, 50℃ et 60℃.
• Thermomètre
• Poids
• Marqueur permanent
• Chronomètre

Fig. 6 - Le dispositif général pour mesurer la vitesse de respiration de la levure.

Pour étudier la vitesse de respiration de la levure, tu devras procéder comme suit :

1. Installe chaque bain-marie aux températures suivantes : 20℃, 30℃, 40℃, 50℃ et 60°C.
2. Prends la suspension de levure et remue-la à l'aide de la tige de verre.
3. À l'aide de la $20{\mathrm{cm}}^3$seringue, prélève$5{\mathrm{cm}}^3$de la suspension de levure.
4. À l'aide de la même seringue, prélève $10{\mathrm{cm}}^3$ de la solution de saccharose.
5. Après avoir ramené le piston de la seringue pour qu'il soit correctement fermé (le piston doit être proche de l'extrémité du cylindre), renverse la seringue deux ou trois fois pour que les contenus soient mélangés.
6. Place la seringue dans le bain-marie à l'horizontale. Veille à ce que l'embout (qui est décentré) se trouve sur le côté de la seringue proche de la surface de l'eau.
7. Laisse l'eau s'équilibrer pendant 5 minutes.
8. Attends que des bulles de gaz commencent à être expulsées de la buse à intervalles réguliers.
9. Déclenche un chronomètre et compte le nombre de bulles libérées en une minute. Note tes résultats.
10. Répète les étapes 1 à 8 pour les quatre autres températures.
11. Répète la méthode encore deux fois pour obtenir trois répétitions pour chaque température.

Comme pour l'expérience précédente utilisant le respiromètre, tu devrais constater que le taux de respiration augmente jusqu'à la température optimale de 40°C. Lorsque la température dépasse 40°C, le taux de respiration doit chuter de façon spectaculaire.