Toutes les cellules ont besoin d’énergie pour pouvoir exercer diverses activités cellulaires, cette énergie est extraite de la matière organique par divers phénomènes métaboliques.
A. La mise en évidence du phénomène de la respiration cellulaire
On place dans le bioréacteur une solution de levures bien oxygénées de concentration connue (10 g/L) et deux sondes : une sonde à dioxygène et une sonde à dioxyde de carbone. On ferme le bioréacteur. On met en route l’agitateur de façon que la solution soit toujours bien homogène et oxygénée.
On relie chaque sonde à son interface et les deux interfaces à un ordinateur (ExAO). On démarre les mesures puis on injecte un millilitre de solution de glucose à 5 g/L.
Le graphe ci-dessous représente les résultats obtenus.
- Avant l’injection du glucose, les concentrations de O2 et de CO2 restent presque stables (à des valeurs de 200µmol/L pour l’O2 et 50µmol pour le CO2).
- Après l’injection du glucose, il y a diminution de la concentration de O2, qui passe de 200 µmol/L à 75 µmol/L.
- Après l’injection du glucose, il y a augmentation de la concentration de CO2, qui passe de 50 µmol/L à 200 µmol/L.
- La stabilisation des concentrations en oxygène (O2) et du dioxyde de carbone (CO2) s’explique par la destruction totale du glucose par les cellules de levure.
- Nous concluons à partir de ces données que les cellules de levure consomment de l’oxygène (O2) et émettent le dioxyde de carbone (CO2) lors de la dégradation du glucose suite à des réactions aérobies (en présence d’oxygène), c’est le phénomène de la respiration cellulaire.
B. La mise en évidence du phénomène de la fermentation
On place dans le bioréacteur une solution de levures bien oxygénées de concentration connue en glucose (10 g/L) et trois sondes : une sonde à dioxygène, une sonde à dioxyde de carbone et une sonde à éthanol. On ferme le bioréacteur sans actionner l’agitateur : les levures sont privées de dioxygène.
On relie chaque sonde à son interface et les trois interfaces à l’ordinateur et on démarre les mesures.
Le graphe ci-contre représente les résultats obtenus.
- Au début de l’expérience, le milieu contient une faible teneur en O2, qui diminue progressivement jusqu’à ce qu’il disparaisse totalement vers 200s.
- En parallèle, il y a une augmentation de CO2 tout au long de l’expérience, suivi de l’apparition d’éthanol au milieu, dès 200s.
La consommation de O2 au début de l’expérience indique que les cellules de levure ont utilisé le phénomène de la respiration cellulaire pour dégrader le glucose.
Mais juste après la disparition de O2 du milieu, les cellules de levure ont commencé à libérer de l’éthanol et ont continué à libérer du CO2, à la suite de réactions anaérobies (en l’absence de O2), c’est le phénomène de la fermentation.
On remarque que le phénomène de la fermentation fournit l’énergie nécessaire aux cellules de levure malgré l’absence de O2 au milieu, et il permet de produire de l’alcool et du CO2, ainsi on appelle cette fermentation, la fermentation alcoolique.
C. Les sites de la respiration et de la fermentation au niveau cellulaire
Le document ci-dessous représente la localisation des des diverses réactions métaboliques au niveau cellulaire, en présence et en l’absence du dioxygène.
Au niveau cellulaire, le glucose subit plusieurs types de réactions, se terminant par la libération d’énergie. La première de ces réactions c’est la glycolyse, une étape commune entre la respiration et la fermentation, qui a lieu au niveau du cytosol, en présence ou en l’absence de O2.
Ce processus de dégradation du glucose produit un composé appelé acide pyruvique.
Ce dernier aura deux destins différents selon les conditions du milieu :
- En présence de O2, l’acide pyruvique va se déplacer vers ce que l’on appelle les mitochondries, où se produit le phénomène de la respiration cellulaire.
- En l’absence de O2, ce composé reste dans le cytosol où se produit le phénomène de la fermentation.
- La respiration cellulaire qui se manifeste par des réactions aérobies (en présence de O2) et se produit au niveau de la mitochondrie.
- La fermentation, qui se manifeste par des réactions anaérobies (en l’absence de O2), et se produit au niveau du cytosol.