Karamö, le prof virtuelLeçon 14 sur 23
La production d'énergie : la respiration
Je sais expliquer comment la cellule libère l'énergie du glucose grâce au dioxygène, écrire l'équation bilan de la respiration et calculer un quotient respiratoire.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Mettre en évidence les échanges gazeux et le dégagement d'énergie de la respiration
- Écrire l'équation bilan de la respiration du glucose et expliquer le rôle de l'ATP
- Décrire les grandes étapes de la respiration cellulaire et leur localisation (cytoplasme, mitochondrie)
- Calculer et interpréter un quotient respiratoire
Avant de commencer : Le devenir des nutriments (leçon précédente) ; la structure de la cellule (mitochondrie) ; les glucides, lipides et protides.
1Je découvre
Pendant le cours d'éducation physique au stade de Kindia, Ibrahima court plusieurs tours de piste. Il respire de plus en plus vite, son cœur bat fort, il transpire et il a chaud. Après la course, son camarade Lansana lui fait souffler avec une paille dans un verre d'eau de chaux limpide : l'eau devient vite trouble. Le professeur explique : « L'eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone. Ton corps en a produit beaucoup pendant l'effort. »
Ibrahima réfléchit : « J'ai mangé du riz ce matin. Mes muscles ont utilisé ce riz pour courir. Mais comment un aliment peut-il se transformer en mouvement et en chaleur ? Et pourquoi ai-je besoin de respirer plus fort pour cela ? »
Dans la leçon précédente, tu as vu que le glucose arrive dans toutes les cellules et qu'il a surtout un rôle énergétique.
Comment la cellule libère-t-elle l'énergie contenue dans le glucose, et quel est le rôle du dioxygène dans cette libération ?
2Je comprends
1. Mettre en évidence la respiration
On appelle respiration deux phénomènes liés :
- la respiration pulmonaire (ou ventilation) : les échanges de gaz entre l'air et le sang dans les poumons ;
- la respiration cellulaire : l'utilisation du dioxygène par chaque cellule pour oxyder les nutriments et libérer leur énergie. C'est elle qui nous intéresse ici.
Trois observations montrent que la respiration est une combustion lente :
- Consommation de dioxygène (O2) : l'air expiré contient moins de dioxygène (environ 16 %) que l'air inspiré (environ 21 %).
- Rejet de dioxyde de carbone (CO2) : l'air expiré trouble l'eau de chaux ; il contient environ 4 % de CO2 contre environ 0,04 % dans l'air inspiré.
- Production de chaleur et d'eau : l'air expiré est chaud et humide (buée sur un miroir). Des graines en germination placées dans un thermos font monter la température.
Les mêmes échanges existent chez les végétaux, les levures et les animaux : la respiration est une propriété de toutes les cellules vivantes qui disposent de dioxygène.
2. L'équation bilan de la respiration
Pour le glucose, l'oxydation complète s'écrit :
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie
Vérifions l'équilibre des atomes : à gauche, 6 C, 12 H et 6 + 12 = 18 O ; à droite, 6 C, 12 H et 12 + 6 = 18 O. L'équation est bien équilibrée.
L'oxydation complète d'une mole de glucose (180 g) libère environ 2 860 kJ. C'est la même quantité que si l'on brûlait ce glucose dans une flamme ; mais dans la cellule, la réaction se fait à la température du corps, par petites étapes contrôlées par des enzymes. On dit que la respiration est une combustion lente, sans flamme.
3. L'ATP, la « monnaie » énergétique de la cellule
L'énergie libérée par la respiration n'est pas utilisée directement. Une partie est stockée dans une molécule, l'ATP (adénosine triphosphate). La cellule fabrique de l'ATP à partir d'ADP (adénosine diphosphate) et de phosphate :
ADP + Pi + énergie → ATP
Quand la cellule a besoin d'énergie (contraction musculaire, transport actif, synthèse de protéines, influx nerveux), elle dégrade l'ATP :
ATP → ADP + Pi + énergie utilisable
L'ATP ressemble aux petites pièces de monnaie : on ne paie pas un ticket de taxi avec un gros billet de 20 000 GNF difficile à rendre ; on utilise de la petite monnaie. De même, la cellule ne « dépense » pas une molécule de glucose entière d'un coup, mais de nombreuses petites molécules d'ATP.
L'hydrolyse d'une mole d'ATP libère environ 30,5 kJ. Le reste de l'énergie du glucose est dissipé sous forme de chaleur, qui maintient notre température vers 37 °C.
4. Les étapes de la respiration cellulaire
La respiration cellulaire se déroule en trois grandes étapes.
Étape 1 : la glycolyse (dans le cytoplasme, hyaloplasme). Une molécule de glucose (6 carbones) est coupée en deux molécules d'acide pyruvique (3 carbones chacune). Cette étape ne consomme pas de dioxygène et produit un gain net de 2 ATP. Elle libère aussi des atomes d'hydrogène, pris en charge par des transporteurs (notés NADH).
Étape 2 : le cycle de Krebs (dans la matrice de la mitochondrie). L'acide pyruvique entre dans la mitochondrie. Il est complètement dégradé : ses atomes de carbone sont libérés sous forme de CO2 (c'est l'origine du CO2 que nous expirons), et ses atomes d'hydrogène sont confiés aux transporteurs. Cette étape produit 2 ATP par glucose.
Étape 3 : la chaîne respiratoire (sur la membrane interne de la mitochondrie, au niveau des crêtes). Les transporteurs cèdent leurs hydrogènes (électrons et protons) à une chaîne de molécules. Au bout de cette chaîne, l'hydrogène se combine au dioxygène pour former de l'eau. Cette étape fournit la plus grande partie de l'ATP : environ 32 à 34 ATP selon les manuels.
Bilan classique : environ 36 à 38 ATP par molécule de glucose.
- 1Glycolyse (cytoplasme) : glucose → 2 acides pyruviques + 2 ATP, sans dioxygène
- 2Entrée dans la mitochondrie : l'acide pyruvique perd du CO₂
- 3Cycle de Krebs (matrice) : dégradation complète, libération de CO₂ + 2 ATP
- 4Chaîne respiratoire (crêtes) : H + O₂ → H₂O, production de 32 à 34 ATP
- 5Bilan : 1 glucose + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 à 38 ATP + chaleur
La mitochondrie est donc l'organite de la respiration. Les cellules qui dépensent beaucoup d'énergie (cellules musculaires, cellules du cœur, spermatozoïdes) en contiennent un très grand nombre.
5. Le rendement de la respiration
Le rendement énergétique est la part de l'énergie du glucose effectivement stockée dans l'ATP.
rendement = énergie stockée dans l'ATPénergie libérée par le glucose × 100
Avec 38 ATP : 38 × 30,5 = 1 159 kJ, et 1 1592 860 × 100 ≈ 40,5 \%. Environ 40 % de l'énergie du glucose est récupérée ; le reste (environ 60 %) est perdu en chaleur. C'est bien meilleur que le rendement d'un moteur de voiture.
6. Le quotient respiratoire
Le quotient respiratoire (QR) est le rapport entre le volume de CO2 rejeté et le volume de O2 consommé pendant le même temps :
QR = VCO2 rejetéVO2 consommé
Il renseigne sur la nature du nutriment oxydé, car chaque famille de molécules demande une quantité différente de dioxygène :
| Nutriment oxydé | QR |
|---|---|
| Glucides (glucose) | 1 |
| Protides | environ 0,8 |
| Lipides | environ 0,7 |
| Alimentation mixte | environ 0,82 à 0,85 |
Les lipides sont pauvres en oxygène dans leur molécule ; ils en demandent donc beaucoup à l'air, ce qui fait baisser le QR.
Méthode
Pour calculer un quotient respiratoire à partir d'une équation :
- J'écris l'équation équilibrée de l'oxydation complète du nutriment.
- Je relève le nombre de moles de CO₂ produites et de O₂ consommées (pour des gaz, les volumes sont proportionnels au nombre de moles).
- Je calcule QR = nombre de CO₂ ÷ nombre de O₂.
- Je compare au tableau : proche de 1 → glucides ; proche de 0,7 → lipides ; proche de 0,8 → protides ou alimentation mixte.
Exemple
Calculer le QR de l'oxydation de la tripalmitine, un lipide de formule C₅₁H₉₈O₆.
Équation : 2 C51H98O6 + 145 O2 → 102 CO2 + 98 H2O
Vérification : C : 102 = 102 ; H : 196 = 196 ; O : 12 + 290 = 302 à gauche, 204 + 98 = 302 à droite.
QR = 102145 ≈ 0,70
Conclusion : on retrouve la valeur caractéristique des lipides.
Exemple
Au repos, Aïssatou consomme 250 mL de O₂ et rejette 205 mL de CO₂ par minute. Calculer son QR et l'interpréter.
QR = 205250 = 0,82
Cette valeur, comprise entre 0,7 et 1, correspond à une alimentation mixte : Aïssatou oxyde à la fois des glucides, des lipides et des protides.
3Je retiens
Je retiens
La respiration cellulaire est l'oxydation complète des nutriments par le dioxygène, avec libération d'énergie : c'est une combustion lente, catalysée par des enzymes.
Équation bilan : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (environ 2 860 kJ par mole de glucose).
Une partie de l'énergie est stockée dans l'ATP (ADP + Pi + énergie → ATP) ; le reste est perdu en chaleur.
Étapes : glycolyse (cytoplasme, 2 ATP) → cycle de Krebs (matrice mitochondriale, CO₂, 2 ATP) → chaîne respiratoire (crêtes, O₂ → H₂O, l'essentiel de l'ATP).
Bilan classique : 36 à 38 ATP par glucose ; rendement d'environ 40 %.
QR = V(CO₂ rejeté) / V(O₂ consommé) : glucides 1 ; protides 0,8 ; lipides 0,7.
4Erreurs fréquentes
- Confondre respiration pulmonaire et respiration cellulaire : les poumons échangent les gaz, mais ce sont les mitochondries de chaque cellule qui utilisent le dioxygène.
- Croire que le CO₂ vient du dioxygène inspiré : le carbone du CO₂ provient du glucose (et des autres nutriments) dégradé au cours du cycle de Krebs ; le dioxygène, lui, forme de l'eau.
- Inverser le quotient respiratoire : QR = CO₂ / O₂ et non O₂ / CO₂.
- Penser que toute l'énergie du glucose est récupérée : environ 60 % part en chaleur.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la respiration cellulaire.
b) Écris l'équation bilan de la respiration du glucose.
c) Dans quel organite se déroulent le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire ?
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a) La respiration cellulaire est l'ensemble des réactions par lesquelles une cellule oxyde complètement des nutriments organiques (surtout le glucose) grâce au dioxygène, en produisant du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'énergie, en partie stockée dans l'ATP.
b) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie.
c) Dans la mitochondrie : le cycle de Krebs dans la matrice, la chaîne respiratoire sur la membrane interne (crêtes).
2Exercice 2
Recopie le tableau et complète-le.
| Étape | Localisation | Utilise O₂ ? | ATP produits par glucose |
|---|---|---|---|
| Glycolyse | ? | ? | ? |
| Cycle de Krebs | ? | non directement | ? |
| Chaîne respiratoire | ? | ? | ? |
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| Étape | Localisation | Utilise O₂ ? | ATP produits par glucose |
|---|---|---|---|
| Glycolyse | cytoplasme (hyaloplasme) | non | 2 (gain net) |
| Cycle de Krebs | matrice de la mitochondrie | non directement | 2 |
| Chaîne respiratoire | membrane interne de la mitochondrie (crêtes) | oui, accepteur final | 32 à 34 |
3Exercice 3
Une personne rejette 180 mL de CO₂ et consomme 240 mL de O₂ en une minute.
a) Calcule son quotient respiratoire.
b) Quel type de nutriment oxyde-t-elle principalement ? Dans quelle situation peut-on observer cela ?
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a) QR = 180240 = 0,75.
b) Cette valeur est proche de 0,7 : la personne oxyde surtout des lipides. C'est le cas par exemple lors d'un jeûne prolongé ou d'un effort de longue durée, quand les réserves de glycogène diminuent et que l'organisme puise dans ses graisses.
4Exercice 4
On admet que l'oxydation d'une mole de glucose libère 2 860 kJ et produit 36 ATP, chaque ATP stockant 30,5 kJ.
a) Calcule l'énergie stockée dans l'ATP.
b) Calcule le rendement de la respiration (arrondi à l'unité).
c) Que devient le reste de l'énergie ? À quoi sert-il chez l'homme ?
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a) 36 × 30,5 = 1 098 kJ.
b) 1 0982 860 × 100 ≈ 38,4, soit un rendement d'environ 38 %.
c) Le reste, 2 860 - 1 098 = 1 762 kJ, est dissipé sous forme de chaleur. Chez l'homme, cette chaleur maintient la température du corps vers 37 °C.
5Exercice 5
(Type examen) On place des levures dans un milieu glucosé bien aéré, dans une enceinte munie de capteurs. On mesure les concentrations en O₂ et en CO₂ du milieu pendant 10 minutes. Au temps t = 4 min, on ajoute du glucose.
Résultats : de 0 à 4 min, le taux de O₂ reste presque constant et le CO₂ n'augmente presque pas ; à partir de 4 min, le O₂ diminue nettement et le CO₂ augmente nettement.
a) Décris et explique les résultats avant et après l'ajout de glucose.
b) Écris l'équation bilan de la réaction mise en évidence.
c) Au microscope électronique, on observe que les levures cultivées en milieu aéré possèdent des mitochondries nombreuses et riches en crêtes. Explique ce lien entre structure et fonction.
d) Le QR mesuré est égal à 1. Que confirme ce résultat ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) De 0 à 4 min, le O₂ reste presque constant et le CO₂ augmente peu : sans glucose, les levures n'ont presque rien à oxyder, leur respiration est très faible. Après l'ajout de glucose, le O₂ diminue et le CO₂ augmente : les levures utilisent le glucose et respirent activement ; elles consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone.
b) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie.
c) Les mitochondries sont le siège du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire. Leur grand nombre et leurs nombreuses crêtes (grande surface de membrane interne portant la chaîne respiratoire) permettent une respiration intense et une forte production d'ATP en milieu aéré.
d) Un QR de 1 confirme que le nutriment oxydé est un glucide : ici le glucose ajouté, car 6 CO₂ sont produits pour 6 O₂ consommés.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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