S.V.T. 1ère D - Biologie - Le devenir des nutriments

Métabolisme et respiration

METABOLISME ET RESPIRATION

I) Le métabolisme: anabolisme et catabolisme

Le métabolisme correspond à l'ensemble de toutes les transformations chimiques, décomposables en réactions simples, qui se produisent dans une cellule ou un organisme. Il se divise en deux phases :

- Le catabolisme : ensemble de réactions enzymatiques de dégradation de macromolécules en molécules de faible taille. Ces réactions s'effectuent avec une libération d'énergie libre dont une partie est stockée sous forme d'ATP et de transporteurs d'électrons réduits (NAD(P)H et FADH2).

Les voies cataboliques aboutissent, après oxydation complète, à des produits terminaux communs (CO2et H2O) et conduisent à la synthèse d'ATP.

- L'anabolisme : ensemble de réactions enzymatiques de biosynthèse de macromolécules ou de leurs précurseurs. Ces réactions nécessitent un apport d'énergie libre fournie généralement par l'hydrolyse de l'ATP et/ou par le pouvoir réducteur du NAD(P)H et du FADH2

II) Respiration

Nos mouvements respiratoires pulmonaires, qui sont la manifestation concrète d’échanges gazeux entre l’organisme et l’atmosphère, ne sont qu’une partie d’un mécanisme complexe indispensable à l’utilisation des substances digérées. Le maintien de la vie est étroitement lié à la régularité de ces échanges.

1- Echanges gazeux respiratoires 

a-       Miseen évidence des échanges gazeux respiratoires

Divers montages expérimentaux simples (manomètre) peuvent être employés pour mettre en évidence, chez différents êtresvivants, le dégagement de dioxyde de carbone et l’absorption d’oxygène

Chez l’homme, la comparaison de l’air inspiré et de l’air expiré confirme les résultats.

 

Air inspiré

Air expiré

Variations

O2

21%

16%

-5

CO2

0,04%

4%

+4

N2

79%

79%

0

Vapeur d’eau

variable

3 à 4 g/litre

 

Par la respiration, l’air est modifié : il y a diminution de volume d’O2maisaugmentation de volume  de CO2 et vapeur d’eau

-          Echange gazeux au niveau de l’organisme

ExpérienceUne souris est enfermée dans une enceinte reliée à un oxymètre électronique. Un bécher à eau de chaux est placé dans l’enceinte pour contrôler la présence de dioxyde de carbone ; le même  dispositifoù la souris est absent, sert de témoin.

Résultats : dans le dispositif où la souris est présente, la teneur en O2 diminue et l’eau de chaux se trouble montrant ainsi la présence de CO2 dans l’enceinte

Interprétation : Pendant son séjour dans l’enceinte la souris absorbe de l’O2 et dégage du CO2

Conclusion : La respiration d’un organisme animal se manifeste par l’absorption de O2 et le dégagement de CO2

-           

-           Echange gazeux au niveau des cellules

Expérience : Plaçons un fragment  de muscle frais dans un tube à essai dont la partie inférieure est occupée par de l’eau de chaux et la partie supérieure est fermée par un bouchon traversé par un fin tube qui vient plonger dans de l’eau colorée d’une bécher.


Résultats : Après quelques minutes, on constate que l’eau de chaux se trouble : il y a donc eu dégagement de CO;  l’eau colorée s’élève dans le tube, ce qui indique une dépression à l’intérieur du  tube à essai par consommation d’O2.

Interprétation : Le fragment de muscle frais respire.

Conclusion : Au niveau des organes et des tissus, la respiration se manifeste également par absorption d’O2 et dégagement de CO2

Un organe étant constitué de cellules, les échanges gazeux respiratoires au niveau de l’organisme sont donc la somme des échanges qui se produisent au niveau des cellules de chaque organe : La respiration est fonction cellulaire.

La celluleéchange avec le milieu environnant de l’oxygène et du dioxyde de carbone :

- Soit directement si elle est en contact  avec le milieu extérieur ; c’est le cas des organismes unicellulaires chez lesquels l’ensemble de la paroi de l’organisme peut participer aux échanges, ou encore des insectes chez lesquels l’air parvient directement aux organes par des conduits très ramifiés, les trachées

- Soit indirectement chez les animaux où le sang assure le transport de gaz respiratoires entre les cellules et un organe d’échange avec le milieu  extérieur situé à la périphérie de l’organisme (branchie ou poumon)

-          Echange gazeux entre alvéole pulmonaire et sang

Du sang riche en O2 et pauvre en CO2 sort des alvéoles pulmonaires et passe dans la circulation sanguine générale. Par contre du sang riche en CO2 et pauvre en O2 entre dans les alvéoles : De l’air inspiré riche en O2 mais pauvre en CO2 passe du poumon vers le sang pour être transporté vers les organes ; de l’air chargé de CO2 et pauvre en O2 venant des organes passe du sang vers le poumon pour être expiré : Inspirations et expirations successives permettent de renouveler l’air alvéolaire.


b- Mesure des échanges gazeux respiratoire

- Intensité respiratoireIR

On définit l’intensité respiratoire IR comme la quantité d’oxygène consommé ou le dioxyde de carbone libéré par unité de temps et par unité de masse de l’organisme en litre d’oxygène ou de dioxyde de carbone / heure/ kilogramme

 IR=VO2 absorbé (en l)/heure/kg

Ou

IR= VCO2 dégagé (en l)/heure/Kg

Divers dispositifs  permettent de la mesurer chez les êtres vivants. Comme c’est une mesure de volume gazeux, elle exige d’être réalisée à pression et à température constante.

- Calcul de l’intensité respiratoire

L’intensité respiratoire est calculée de la manière suivante :


- x : durée de l’expérience en minutes 

- y : masse de l’animal en gramme

L’intensité respiratoire présente des variations :

- Elle est plus grande chez les animaux à température constante

 - Elle augmente quand la température externe baisse.

- Elle est d’autant plus grande que l’animal est plus petit est plus jeune

- Elle varie avec l’effort musculaire

- Quotient respiratoireQR

On définit le quotient respiratoire QR comme le rapport entre le volume de dioxyde de carbone dégagé et le volume d’oxygène absorbé pendant le même temps

Le quotient respiratoire varie en fonction de la composition en glucides, lipides et protides des aliments consommé par l’animal. Pour une alimentation mixte, la valeur de QR est de 0,82.

2- La libération de l’énergie des nutriments

L’intensité respiratoire varie particulièrement en fonction de l’activité physique : la respiration est liée à la production d’énergie, c’est-à-dire elle correspond à la libération de l’énergie des nutriments dans l’organisme.

Des données expérimentales montrent les relations entre:

-          Intensité respiratoire et quotient respiratoire

-          nature des aliments

-          quantité d’énergie dépensée par un organisme

a- Valeur énergétique des aliments

La combustion de matière organique produit de la chaleur. Cette chaleur représente l’énergie libérée par l’oxydation complète de molécules de matières organiques (glucides, lipides et protides).

Dans l’organisme, les mécanismes de l’oxydation sont très différentes d’une combustion, cependant l’énergie libérée est la même que celle qui apparaît dans les bilans d’oxydation complète. On peut retenir les valeurs moyennes suivantes ;

-          38 kJ pour 1 g de lipides

-          17 kJ pour 1 g de glucides

-          17 kJ pour 1 g de protides

b- Coefficient thermique de l’oxygène

Les bilans chimiques montrent une relation entre l’énergie libérée par l’oxydation d’un aliment et le volume d’oxygène consommé par celui-ci. On peut calculer, pour chaque catégorie de nutriment organique, la quantité d’énergie libérée lors de la consommation d’un litre d’oxygène : c’est le « coefficient thermique ou énergétique de l’oxygène ». Pour une alimentation mixte, ce coefficient énergétique est de 20 kJ/ litre d’oxygène consommé.

c- Evaluation du métabolisme d’un animal

Le métabolisme étant l’ensemble de transformations chimiques et énergétiques qui s’accomplissent dans les cellules d’un organisme.On désigne par le même terme : métabolisme  la quantité globale d’énergie mise en jeu par ces transformations ou dépense énergétique par l’organisme pendant un temps déterminé

On appelle métabolites les nutriments organiques (lipides : acide gras et glycérol, protides : acides aminés et glucides : oses) qui interviennent dans le métabolisme cellulaire.

Ainsi, connaissant la consommation d’oxygène et le quotient respiratoire, il est possible de déterminer la quantité d’énergie libérée par les phénomènes respiratoires ; elle correspond à l’ensemble des dépenses énergétiques de l’organisme considéré.

Dépense énergétique = Métabolisme d’un animal=  volume d’oxygène absorbé  x coefficient énergétique de l’oxygène

d- Mécanisme biochimique de la libération d’énergie

Si l’oxydation des métabolites dans l’organisme était une combustion, l’oxygène absorbé se retrouverait dans le dioxyde de carbone rejeté ; or, il se trouve dans l’eau éliminée. En fait, la respiration est une oxydation, mais c’est uneoxydation par déshydrogénation des métabolites. Cette réaction, catalysée par des enzymes cellulaires, les déshydrogénases, produit des protons et des électrons qui alimentent une chaîne d’oxydo-réduction au cours de laquelle l’énergie  libérée se trouve investie dans des molécules d’ATP.

Au bout de la chaîne, l’accepteur final des électrons est tout simplement l’oxygène absorbé : les ions O2- ainsi produits se combinent aux protons pour donner de l’eau, premier déchet de la respiration.

Parallèlement, des décarboxylases arrachent au substrat carbone et oxygène pour produire du dioxyde de carbone, deuxième  déchet de la respiration.

 


 

 

Last modified: Tuesday, 12 January 2016, 7:27 AM
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