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  L’ENERGIE DES CELLULES


Toute machine consomme de l’énergie pour produire du travail et les cellules vivantes n’échappent pas à cette loi physique. En dehors des cellules autotrophes capables de transformer l’énergie lumineuse du Soleil en énergie chimique par photosynthèse, toutes les autres cellules ont besoin d’une source d’énergie chimique, un " combustible ", pour assurer le travail cellulaire fait de synthèses, de transports, de sécrétions, de mouvements etc. Ce combustible est constitué par les substances organiques contenues dans la nourriture, molécules riches en énergie potentielle. Ces substances, classées en trois grandes familles, les sucres, les graisses et les substances azotées, constituent en même temps les matériaux de base à partir desquelles les organismes élaborent leur propre matière organique.

L’énergie contenue dans ces molécules peut être mobilisée par les cellules vivantes de deux façons différentes : les fermentations d’une part et la respiration d’autre part.

Les fermentations correspondent à un processus que l’on peut qualifier d’incomplet car elles libèrent des déchets contenant encore de l’énergie utilisable comme l’alcool, par exemple.

La respiration est un processus plus complexe nécessitant en outre de l’oxygène. Au cours de la respiration, les molécules organiques sont oxydées totalement (un peu comme si elles étaient brûlées) et leur énergie est récupérée par les cellules. Les déchets formés sont du dioxyde de carbone et de l’eau, molécules dont l’énergie potentielle n’est pas utilisable par les êtres vivants.

Lorsque la vie apparut sur Terre, l’atmosphère de notre planète ne contenait pas d’oxygène gazeux et la respiration ne pouvait donc exister. Les premiers organismes utilisaient sans doute des processus fermentaires pour extraire l’énergie de leurs aliments. Il y a environ deux milliards d’années, l’atmosphère terrestre commença à s’enrichir en oxygène en raison de l’activité des organismes photosynthétiques nouvellement apparus. Certains organismes développèrent alors des mécanismes exploitant les propriétés de " comburant " de l’oxygène, c’est à dire la respiration. Le rendement énergétique obtenu, bien meilleur que celui des fermentations en raison de l’oxydation totale des molécules organiques, assura le succès de ce nouveau type de métabolisme. L’existence d’organismes mobiles de grande taille très " gourmands " en énergie comme la plupart des animaux n’aurait sans doute pas pu se produire sans cette innovation.

Nos cellules gardent des traces de l’histoire du vivant : la plupart d’entre elles restent capables de fermenter et survivent quelque temps lorsqu’elles manquent d’oxygène à l’exception notable des neurones totalement dépendants de la respiration.

Lorsqu’une cellule utilise pour respirer une molécule de glucose, carburant favori du monde vivant, elle a besoin de six molécules d’oxygène pour l’oxyder totalement selon la réaction ci-dessous :

Glucose (C6H12O6) + 6O2® 6CO2 + 6H2O

Dans ce cas, l’énergie libérée par l’oxydation du glucose est égale à 2860 kilojoules (kJ). Notons cependant que comme dans toute réaction chimique une grande partie de l’énergie se dissipe sous forme de chaleur. Aussi, la part réellement utilisable par les cellules représente environ 40 % de cette valeur.

L’équation ci-dessus n’indique que le bilan global de la respiration. En réalité, l’oxydation complète d’une molécule est réalisée progressivement à travers un grand nombre de réactions chimiques successives. Les dernières étapes se déroulent dans des organites cellulaires spécialisés, les mitochondries au sein desquelles l’oxygène forme de l’eau en fixant l’hydrogène provenant des molécules oxydées.

On appelle intensité respiratoire, le volume d’oxygène consommé par unité de temps pour une masse donnée de matière vivante. C’est un indicateur de l’intensité du métabolisme, proportionnel à la dépense énergétique. Un calcul simple à partir de l’équation bilan montre qu’un litre d’oxygène permet de libérer 21 kJ lorsque du glucose est consommé. Aussi la mesure de l’intensité respiratoire permet de déduire l’énergie consommée au cours du temps par un être vivant à condition de connaître la nature des molécules consommées.

EXPERIENCE

MESURER LE METABOLISME ENERGETIQUE

Matériel nécessaire

Levure fraîche (en boulangerie) et solution de glucose à 10 % (en pharmacie), 2 flacons identiques avec bouchon ou couvercle étanche en plastique (pots de yaourt ou flacons de médicament d'un petit volume), 60 cm de tuyau plastique (tuyau pour pompe d'aquarium, dans les magasins d'aquariophilie), deux robinets trois voies pour tuyau d’aquarium, un récipient d'une dizaine de cm de hauteur, colorant alimentaire, produit à vaisselle, soude, papier buvard.

Préparation du matériel

Couper deux morceaux de 10 cm dans le tuyau et tailler une extrémité de chacun en biseau. Percer dans les deux couvercles ou bouchons un trou d'un diamètre légèrement inférieur au diamètre extérieur du tuyau et faire pénétrer à force chaque extrémité en biseau de façon à obtenir un joint étanche. Raccorder l’autre extrémité à un robinet trois voies.

Mélanger dans un verre d’eau une toute petite goutte de produit à vaisselle et assez de colorant pour obtenir une teinte foncée. Aspirer ce liquide dans le grand bout de tuyau restant sur la moitié de sa longueur et l’empêcher de s’écouler en posant le doigt sur l’orifice d’aspiration. Tenir désormais le tuyau verticalement par ses deux extrémités.

Coller une feuille de papier millimétré sur un carton puis y coller avec du ruban adhésif le tuyau contenant le colorant en lui donnant la forme d’un U tout en maintenant le carton vertical : le niveau du liquide dans les deux branches du tuyau est le même (vases communicants). Raccorder alors chaque extrémité du tuyau à un des robinets précédemment préparés.

Dissoudre quelques cristaux de soude dans un peu d’eau.

Mettre en suspension 1 g de levures dans 100 mL d’eau et agiter énergiquement. Verser 50 mL de cette suspension dans un des deux flacons. Mettre dans l’autre flacon 50 mL d’eau.

Fermer les flacons avec leurs bouchons reliés aux robinets et les placer dans un récipient rempli d’eau. Ceci permet d’éviter les fluctuations rapides de température qui perturberaient les mesures en raison de la dilatation de l’air. Laisser les robinets ouverts et attendre une vingtaine de minutes que la température des différents éléments s’équilibre.

Mesures

Rouvrir le flacon de levures et y ajouter 5 gouttes d’une solution de glucose à 10%. Agiter fortement le flacon de levures pour l’oxygéner. Plier un bout de papier buvard en accordéon et imprégner une extrémité avec la solution de soude. Laisser pendre le papier à l’intérieur du flacon de levures sans qu’il entre en contact avec la levure et le fixer au goulot avec le bouchon.

Tourner les robinets de façon à mettre en communication uniquement les flacons et le tuyau contenant le colorant.

Noter à intervalles réguliers, toutes les deux minutes par exemple, la dénivellation du niveau de liquide entre les deux branches du tube de mesure. Ne pas dépasser 10 minutes de mesure.

On peut tester des quantités différentes de glucose ou d’autres sucres comme le saccharose. Utiliser une nouvelle suspension et un nouveau papier avec de la soude pour chaque nouvelle expérience.

Calcul des résultats

Le volume de liquide déplacé correspond au volume d’oxygène absorbé par unité de temps (le dioxyde de carbone rejeté est fixé par la soude). Il est égal à : 3.14 x r x r x h (r, rayon intérieur du tuyau ; h, dénivellation du niveau de colorant). Prendre r et h en mm pour avoir le résultat du calcul en mm3 .

Sachant qu’à un µL d’oxygène consommé correspond pour le glucose une énergie libérée de 21 mJ on en déduira l’énergie libérée au cours d’un intervalle de temps donné par 0.5 g de levures. On pourra calculer le résultat pour une seule cellule sachant qu’un mL de suspension de levure de boulanger à 1 % en contient environ 100 millions.


Amusez-vous bien !

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