Dans cette fiche explicative, nous allons nous rappeler les réactifs et les produits de la respiration anaérobie, et comparer ce processus à la respiration aérobie.
Avez-vous déjà eu des crampes musculaires en courant très vite ? On pense que c’est dû à l’accumulation d’acide lactique dans les cellules de vos muscles, qui est produit pendant le processus de fermentation lactique, parfois appelé respiration anaérobie. L’acide lactique est également produit par des bactéries pour fabriquer du yaourt.
La respiration cellulaire est le processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour effectuer leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation de composés organiques contenant du carbone, comme le glucose, en molécules plus petites, comme le dioxyde de carbone et l’eau. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Définition : Respiration cellulaire
Dans les organismes vivants, la respiration cellulaire est un processus par lequel des composés contenant du carbone sont dégradés pour libérer de l’énergie sous forme d’ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie a lieu principalement dans les mitochondries, nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone et de l’eau. La respiration anaérobie, qui a lieu dans le cytoplasme d’une cellule, peut se produire en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose. Cela signifie que les respirations aérobie et anaérobie sont utilisées dans différentes situations, en fonction de la disponibilité en oxygène.
Définition : Respiration aérobie
La respiration aérobie est le processus par lequel de l’énergie est libérée dans les cellules en présence d’oxygène.
Définition : Respiration anaérobie
La respiration anaérobie est le processus par lequel de l’énergie est libérée dans les cellules en l’absence d’oxygène.
Exemple 1: Identifier le site de la respiration anaérobie dans les cellules animales
Ce schéma représente la structure globale d’une cellule animale.
Quelle lettre indique l’endroit où la respiration anaérobie a lieu dans la cellule ?
Réponse
La respiration cellulaire est un processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation de composés organiques contenant du carbone, comme le glucose, en molécules plus petites, comme le dioxyde de carbone et l’eau. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie a lieu principalement dans les mitochondries, qui sont des organites en forme de haricot dont la membrane interne est très repliée. La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’ATP. La respiration anaérobie, qui a lieu dans le cytoplasme d’une cellule, peut se produire même en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose.
Deux autres structures sont indiquées sur ce schéma. L’une est le noyau, qui est un grand organite rond contenant le matériel génétique de la cellule, et l’autre est la membrane plasmique, qui entoure la cellule et sert principalement à contrôler les matériaux qui peuvent y entrer et en sortir.
Annotons ces différentes structures sur le schéma ci-dessous.
La lettre qui indique le site de la respiration anaérobie dans la cellule est D.
Lorsque Usain Bolt a couru le 100 m aux Jeux olympiques de 2016, ses muscles ont exigé plus d’énergie que la respiration aérobie ne pouvait lui en fournir. En général, lorsque la quantité d’oxygène inhalée ne suffit pas à satisfaire les exigences de la respiration aérobie, les cellules musculaires commencent à effectuer la respiration anaérobie. Le sprint nécessite que l’énergie soit libérée rapidement, par rapport à la course de fond. Quand Mo Farah a couru le 10 000 m aux mêmes Jeux olympiques, il a eu plus de temps pour inhaler de l’oxygène qu’Usain lors de son sprint. Comme Mo avait suffisamment d’oxygène, ses cellules ont utilisé principalement la respiration aérobie pour libérer l’énergie dont elles avaient besoin.
La respiration anaérobie sert de source d’énergie de secours pour le corps lorsque l’oxygène disponible est insuffisant pour satisfaire nos besoins en énergie par la seule respiration aérobie.
Alors, pourquoi le corps humain a-t-il recours à la respiration aérobie ? La respiration anaérobie peut être bénéfique pour libérer de l’énergie lorsque la quantité d’oxygène est insuffisante, mais elle présente certains inconvénients. Dans les cellules animales et dans certaines cellules bactériennes, la respiration anaérobie est appelée fermentation lactique, un processus qui produit deux molécules d’acide lactique en dégradant une molécule de glucose. La respiration anaérobie nécessite également des enzymes spécifiques pour que la réaction se déroule. Les équations (en mots et symboles équilibrés) de la fermentation lactique sont indiquées dans l’encadré ci-dessous.
Réaction : Fermentation lactique
La respiration anaérobie commence de la même manière que la respiration aérobie. Vous vous souviendrez peut-être que cela implique de dégrader une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate. C’est aussi l’étape qui libère deux molécules d’ATP et deux molécules de NADH. Dans les cellules animales, dans un environnement à faible teneur en oxygène, en particulier dans les cellules musculaires, le pyruvate est réduit par une réaction avec le NADH, qui ajoute deux atomes d’hydrogène à la molécule de pyruvate, la transformant en acide lactique, ou lactate sous sa forme ionisée.
Exemple 2: Identifier les réactifs de la respiration aérobie
Quel réactif est nécessaire pour la respiration aérobie, mais pas pour la respiration anaérobie ?
Réponse
La respiration cellulaire est un processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation de composés organiques contenant du carbone, tels que le glucose, en molécules plus petites, telles que le dioxyde de carbone et l’eau. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’ATP. La respiration anaérobie, qui a lieu dans le cytoplasme d’une cellule, peut se produire même en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose. Le produit de la respiration anaérobie dans les cellules animales est l’acide lactique, donc cette forme de respiration est parfois appelée fermentation lactique. La respiration anaérobie libère moins d’énergie que la respiration aérobie. Vous pouvez voir l’équation de la fermentation lactique ci-dessous :
Par conséquent, l’oxygène est le réactif nécessaire pour la respiration aérobie, mais pas pour la respiration anaérobie.
Certains scientifiques ont suggéré que les crampes musculaires pendant l’exercice étaient dues à l’accumulation d’acide lactique dans les cellules. Par conséquent, l’acide lactique produit lors de la respiration anaérobie doit être éliminé des cellules. C’est possible en faisant réagir l’acide lactique avec de l’oxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau. Vous pouvez voir les équations (en mots et symboles équilibrés) de la dégradation de l’acide lactique dans l’encadré ci-dessous.
Réaction : Dégradation de l’acide lactique
Comme éliminer l’acide lactique des cellules nécessite de l’oxygène, la fermentation lactique est censée créer une « dette » en oxygène. Cela signifie que, bien que la respiration anaérobie en elle-même ne nécessite pas d’oxygène, celui-ci est nécessaire pour éliminer ce sous-produit d’acide lactique. C’est pourquoi les gens respirent si fort après l’exercice, car ils essaient d’obtenir le plus d’oxygène possible pour rembourser cette dette en oxygène.
Terme clé : Dette d’oxygène
La dette d’oxygène décrit la respiration forte qui suit un exercice intense pour dégrader l’acide lactique produit par la respiration anaérobie.
La respiration anaérobie libère également moins d’énergie que la respiration aérobie. Alors que la respiration aérobie peut libérer jusqu’à 38 molécules d’ATP par molécule de glucose, la respiration anaérobie ne libère que 2 molécules d’ATP. Cela signifie qu’il est préférable de pratiquer la respiration aérobie pour libérer l’énergie cellulaire, car elle est beaucoup plus efficace.
Comparons les processus de respiration aérobie et anaérobie chez les animaux en utilisant un diagramme de Venn, en figure 1. Le cercle de gauche cite les principales caractéristiques de la respiration aérobie, tandis que celui de droite se réfère aux caractéristiques de la respiration anaérobie. Les aspects communs aux deux réactions apparaissent là où les cercles se chevauchent.
Exemple 3: Déterminer le mode de respiration dans différents scénarios
Dans les situations suivantes, déterminez si les cellules musculaires sont susceptibles de dépendre principalement de la respiration aérobie ou anaérobie pour satisfaire leurs besoins énergétiques.
- Une personne court un marathon de 40 kilomètres en 4 heures.
- Un enfant court les 50 mètres d’un couloir en 8 secondes.
- Dans un jardin, un lapin repère un renard et prend immédiatement la fuite.
Réponse
La respiration cellulaire est un processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation du glucose en molécules plus petites. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone et de l’eau, tandis que la respiration anaérobie se déroule en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose.
Partie 1
Si les besoins énergétiques des cellules d’un organisme sont répartis sur une longue durée, par exemple lors d’un marathon, la respiration aérobie est plus probable que la respiration anaérobie. C’est parce que suffisamment d’oxygène sera disponible pour la respiration aérobie, plus efficace pour satisfaire les besoins en énergie.
Par conséquent, si une personne court un marathon, ses cellules corporelles sont plus susceptibles de respirer de manière aérobie.
Partie 2
La respiration anaérobie libère moins d’énergie que la respiration aérobie. Dans les cellules animales, ce processus produit un sous-produit appelé acide lactique, qui doit être éliminé des cellules. Donc, la respiration anaérobie est utilisée uniquement lorsque la quantité d’oxygène disponible est insuffisante pour satisfaire les besoins élevés en énergie, par exemple lors d’un sprint ou pour fuir un prédateur.
Par conséquent, si un enfant court rapidement dans un couloir, les cellules de son corps sont plus susceptibles de respirer de manière anaérobie.
Partie 3
Les renards se nourrissent souvent de lapins, car ils sont l’un des super-prédateurs de nombreux réseaux trophiques. Il est donc dans l’intérêt du lapin de fuir le renard le plus rapidement possible pour éviter d’être tué et mangé. Comme le lapin devra se déplacer très vite, comme indiqué dans la question par le mot immédiatement, ses cellules sont plus susceptibles de nécessiter plus d’énergie que ce que la respiration aérobie, dépendante de l’oxygène, peut lui fournir.
Par conséquent, les cellules du lapin qui fuit le renard sont plus susceptibles de respirer de manière anaérobie.
La respiration anaérobie varie entre les organismes des différents règnes de la vie. Alors que les cellules animales et certaines cellules bactériennes produisent de l’acide lactique, certaines cellules végétales et fongiques, telles que la levure, effectuent également une respiration anaérobie, mais produisent à la place du dioxyde de carbone et de l’éthanol. C’est ce qu’on appelle la fermentation alcoolique, car l’éthanol est un alcool. Curieusement, chez les plantes à fleurs, aussi appelées angiospermes, même les graines en train de germer effectuent une respiration anaérobie. Les équations (en mots et symboles équilibrés) de la fermentation alcoolique sont indiquées dans l’encadré ci-dessous.
Réaction : Fermentation alcoolique
Exemple 4: Identifier l’équation de la respiration anaérobie dans les cellules animales
Quelle est l’équation correcte de la respiration anaérobie dans les cellules animales ?
- Acide lactique glucose
- Glucose + oxygène dioxyde de carbone + eau
- Glucose + oxygène acide lactique
- Glucose acide lactique
- Glucose dioxyde de carbone
Réponse
La respiration cellulaire est un processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation du glucose en molécules plus petites. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone et de l’eau. La respiration anaérobie, qui a lieu dans le cytoplasme d’une cellule, peut se produire en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose. Dans les cellules animales et certaines cellules bactériennes, la respiration anaérobie produit de l’acide lactique. Dans les levures et les cellules végétales, la respiration anaérobie produit de l’éthanol et du dioxyde de carbone.
Comme le glucose doit être le réactif pour toute forme de respiration cellulaire, l’option A est incorrecte. Les options B et C incluent l’oxygène comme réactif pour la respiration. L’oxygène est nécessaire uniquement pour la respiration aérobie et non pour la respiration anaérobie, donc les options B et C sont incorrectes. L’option B est en fait l’équation de la respiration aérobie.
Alors que la levure et les cellules bactériennes produisent de l’éthanol et du dioxyde de carbone lorsqu’elles effectuent la respiration anaérobie, les cellules animales produisent de l’acide lactique.
Par conséquent, l’équation correcte de la respiration anaérobie dans les cellules animales est glucose acide lactique.
Les produits de la respiration anaérobie dans différents micro-organismes peuvent être très utiles pour les humains.
Certaines bactéries produisent de l’acide lactique lorsqu’elles respirent de manière anaérobie. Ces bactéries peuvent être cultivées pour effectuer une fermentation lactique à grande échelle. Les grands volumes d’acide lactique qu’elles produisent peuvent être utilisés pour produire du yaourt.
La levure est un champignon dont les cellules produisent du dioxyde de carbone et de l’éthanol par respiration anaérobie. La levure est souvent utilisée dans la fabrication du pain, car le dioxyde de carbone qu’elle libère permet à la pâte de lever. L’autre produit de la respiration anaérobie dans les cellules de levure est l’éthanol, un type d’alcool. Ce processus s’appelle la fermentation alcoolique. La levure est également cultivée à grande échelle pour effectuer la fermentation alcoolique pour brasser des boissons comme la bière et le vin. Lorsque les cellules de levure respirent par voie anaérobie, elles produisent un alcool qui est ajouté à ces boissons pendant leur production.
Exemple 5: Identifier l’équation de la respiration anaérobie dans les cellules de levure
Sans inclure l’énergie/l’ATP, énoncez l’équation de la respiration anaérobie dans les cellules de levure.
- Glucose éthanol + dioxyde de carbone
- Éthanol glucose + dioxyde de carbone
- Glucose dioxyde de carbone
- Glucose + dioxyde de carbone éthanol
Réponse
La respiration cellulaire est un processus par lequel les cellules d’organismes vivants libèrent de l’énergie pour leurs processus vitaux, tels que la croissance et la division cellulaire. La respiration implique la dégradation du glucose en molécules plus petites. Ce processus libère de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP.
Il existe deux types de respirations cellulaires : aérobie et anaérobie. La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et du glucose, et produit du dioxyde de carbone et de l’eau. La respiration anaérobie se produit en l’absence d’oxygène, car elle ne nécessite que du glucose. Dans les cellules animales et certaines cellules bactériennes, la respiration anaérobie produit de l’acide lactique. Dans les levures et les cellules végétales, la respiration anaérobie produit de l’éthanol et du dioxyde de carbone.
Comme le glucose doit être le réactif pour toute forme de respiration, l’option B est incorrecte, car l’éthanol est ici le réactif. Dans la respiration anaérobie, le glucose est le seul réactif, ce qui rend également l’option D incorrecte, car le glucose et le dioxyde de carbone sont ici listés comme réactifs. Alors que les cellules animales produisent de l’acide lactique lorsqu’elles effectuent la respiration anaérobie, les cellules de levure produisent de l’éthanol et du dioxyde de carbone.
Par conséquent, l’équation correcte de la respiration anaérobie dans les cellules de levure est glucose éthanol + dioxyde de carbone.
Une expérience simple peut être réalisée pour démontrer la respiration anaérobie chez la levure. L’appareil utilisé pour cette expérience est illustré à la figure 2.
D’abord, du glucose est ajouté au tube à essai contenant les cellules de levure. Ce glucose fournit à la levure un sucre qui peut être dégradé pour libérer de l’énergie par la respiration. De la paraffine liquide est ensuite ajoutée au-dessus de la solution de levure et de glucose. Cette couche est imperméable à l’oxygène, ce qui empêche l’oxygène de diffuser jusqu’à la levure et, par conséquent, empêche la respiration aérobie. Cela signifie que seule la respiration anaérobie devrait avoir lieu dans la levure. La vis de serrage au sommet de ce tube garantit qu’aucun air ne peut pénétrer dans les deux tubes à essai.
L’autre tube à essai, relié au premier par un tube de transfert, contient de l’eau de chaux. L’eau de chaux est une substance qui passe du clair au trouble lorsqu’elle entre en contact avec du dioxyde de carbone. L’air contient de petites concentrations de dioxyde de carbone, il est donc essentiel que la vis soit fermée au début de l’expérience. En effet, nous essayons de détecter le dioxyde de carbone libéré lorsque la levure respire de manière anaérobie, plutôt que de détecter la présence du dioxyde de carbone dans l’air. La production de bulles de gaz dans la solution de levure et de glucose indique que les cellules de levure produisent du dioxyde de carbone et, par conséquent, effectuent une respiration anaérobie.
Comment étudier la respiration anaérobie chez la levure
- Ajouter de l’eau de chaux dans un tube à essai.
- Ajouter du glucose dans un autre tube à essai.
- Faire bouillir la solution de glucose pour la stériliser et retirer tout l’oxygène.
Remarque : Cela permet de s’assurer que toute respiration est anaérobie et qu’aucun autre micro-organisme n’est présent. - Laisser la solution de glucose refroidir avant d’ajouter des cellules de levure.
Remarque : Une température très élevée tuera les cellules de levure. - Placer une couche d’huile de paraffine au-dessus de la solution de glucose et de levure.
Remarque : Cela garantit qu’aucun oxygène ne pénètre dans la solution, pour que la respiration soit anaérobie. - Connecter les deux tubes à essai avec un tube de transfert et fermer la vis de serrage.
Remarque : Cela empêche l’air contenant du dioxyde de carbone de pénétrer dans les tubes. - Laisser la levure respirer de manière anaérobie.
Remarque : Il peut falloir plusieurs heures pour qu’un changement observable se produise. Les cellules de levure devraient produire de l’éthanol et du dioxyde de carbone et libérer de la chaleur. Le tube à essai contenant la levure devrait chauffer légèrement en conséquence. - Surveiller tout changement dans l’eau de chaux.
Remarque : Si les cellules de levure respirent de manière anaérobie, l’eau de chaux devrait devenir blanche et trouble.
Diverses autres expériences peuvent être utilisées pour déterminer les effets de la température et de différents réactifs sucrés sur le taux de respiration anaérobie chez la levure. La plupart de ces expériences incluent la mesure du volume de dioxyde de carbone ou d’éthanol produit sur une période de temps définie.
Récapitulons certains des points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.
Points clés
- La respiration aérobie nécessite de l’oxygène, mais pas la respiration anaérobie.
- La respiration anaérobie dans les cellules animales et certaines cellules bactériennes est appelée fermentation lactique, car le glucose est dégradé pour donner de l’acide lactique et de l’ATP.
- La respiration anaérobie dans les levures et les cellules végétales est appelée fermentation alcoolique, car le glucose est dégradé pour donner de l’éthanol, du dioxyde de carbone et un peu d’ATP.
- La respiration anaérobie dans différents micro-organismes peut être utilisée dans le commerce pour produire du yaourt, du pain et des boissons alcoolisées.
