Exercice I L’énergétique biologique
Exercice I
A - Questions à choix multiples (QCM)
Chaque série d'affirmations comporte une seule réponse exacte. Repère l’affirmation correcte et notez le numéro de la question suivi de la lettre qui désigne la réponse exacte.
1. La dépense énergétique d’un mammifère :
a- S’accompagne toujours d’une consommation de dioxygène;
b- Est nulle si le sujet est au repos;
c- implique un apport permanent d’énergie sous forme d’aliments ;
d- Se manifeste seulement par un dégagement de chaleur à travers la surface corporelle
2. Le métabolisme de base :
a. Est encore appelé métabolisme de repos ;
b. Dépend de la température extérieure ;
c. Varie avec L’âge du sujet ;
d. Peut représenter dans certaines conditions la totalité de la dépense énergétique du sujet ;
e. Comporte des dépenses liées au travail digestif
3. La dépense énergétique liée a la régulation de la température interne du corps:
a. Est nulle lorsque le sujet est placé dans un milieu dont la température est celle de la neutralité thermique ;
b. Existe chez tous les animaux ;
c. N’est pas fonction de la température extérieure ;
d. N’existe que chez les mammifères et les oiseaux.
4. La glycolyse est un ensemble de réactions enchaînées qui provoquent la dégradation du glucose en l’une des six molécules suivantes :
a) éthanol,
b) acide acétique,
c) acide pyruvique;
d) acide lactique,
e) acide carbonique,
f) acide glycérique.
5. La glycolyse est :
a) le couloir commun au déroulement de la respiration et des fermentations,
b) le passage nécessaire, exclusif, aux réactions de dégradation en anaérobie,
c) une chaîne de réactions qui ne concerne que la respiration,
c) une chaîne de réactions qui ne concerne que la fermentation.
6 - La dépense énergétique d’un mammifère :
a) s'accompagne d’une consommation de dioxygène,
b) est nulle si le sujet est au repos,
c) se manifeste seulement par un dégagement de chaleur à travers la surface corporelle.
d) ne dépend pas de la température externe.
7 - La fermentation est un processus cellulaire :
a) qui dégrade complètement une molécule organique,
b) qui permet à une cellule d’utiliser une partie de l’énergie chimique d’une molécule organique,
c) qui se réalise dans les mitochondries,
d) qui est toujours de l’anaérobie.
8 - La cellule vivante utilise directement l’énergie :
a) chimique contenue dans les nutriments organiques.
b) libérée lors de la glycolyse
c) libérée par l’hydrolyse de l'A.T.P.
d) libérée lors de l'oxydation des acides gras.
9. La respiration est :
a) l’oxydation complète d'un métabolite en anaérobiose,
b) l’oxydation incomplète d’un métabolite,
c) un phénomène biologique au cours duquel des métabolites sont complètement dégradés en molécules minérales,
d) un phénomène biologique au cours duquel est réalisée la synthèse de métabolites à partir de molécules minérales,
B. Les affirmations ci-dessous sont toutes fausses. Modifier les phrases en remplaçant, en supprimant ou en complétant certaines parties) pour les rendre exactes.
l. La dépense énergétique d'un organisme est inversement proportionnelle à la quantité de dioxygène qu’il consomme
2. Les méthodes de Calorimétrie respiratoire permettent que d'évaluer le dégagement de chaleur de l'organisme à travers la surface corporelle
3. Plus un animal est petit, plus sa dépense énergétique est faible par rapport à sa masse
4-i e métabolisme de base d'un animal va rie selon ses activités physiques
5-Un petit mammifère dépense par unité de masse, moins d'énergie pour la régulation de sa température qu’un mammifère de grande taille
6. Un animal ne dépense de l'énergie que lorsqu’il fournit un effort musculaire
C. Répondre uniquement par vrai ou faux, tout en justifiant votre réponse dans le second cas.
1- La respiration est l’oxydation partielle d’un métabolite
2- L’équation globale de la respiration peut s’écrire, si le métabolite est le glucose
\({C_6}{H_{12}}{O_6} + \) \(6C{O_2} \to \) \(6C{O_2} + {H_2}O\) + Energie chimique
3-L'équation globale de la respiration peut s’écrire, si le métabolite est le glucose.
\(6C{O_2} + \) \(6{H_2}O\) + énergie \(\to \) \({C_6}{H_{12}}{O_6} + 6{O_2}\)
4-Au cours de la respiration, le métabolite est réduit, donnant le \(C{O_2}\) ; l'oxygène est réduit, donnant de l’eau.
5-Au cours de la respiration, le métabolite est oxyde, donnant le \(C{O_2}\); l’oxygène est réduit, donnant de l’eau.
6. L’intensité respiratoire est la quantité de CO2 rejetée par unité de temps et unité de masse d'un organisme
7. L’intensité respiratoire est la quantité d’O2 absorbée par unité de temps et unité de masse d'un organisme
8-L’intensité respiratoire :
a. Augmente comme la dépense énergétique ;
b. b-Diminue comme la dépense énergétique
c. Varie avec la température ambiante ;
d. Est indépendante de ta température ambiante ;
e. Est plus importante Chez l’homme que chez la femme ;
f. Est plus importante chez l’enfant que chez l’adulte
9-Un milieu aérobie est un milieu qui se trouve toujours en dehors de l’eau, dans l’air, c’est un milieu aérien.
10-Un milieu aérobie est un milieu dans lequel il y a du dioxygène.
D. Répondre aux questions suivantes
1. Quels sont les facteurs qui font varier la dépense énergétique d’un mammifère?
2. Quelles fonctions de l'organisme sont responsables des dépenses énergétiques incompatibles ?
3. Quels sont les facteurs qui font varier le métabolisme de base?
4. Quels pourcentage de la dépense énergétique totale représente le métabolisme de base chez un adulte dont l'activité est modérée ?
Exercice II L’énergétique biologique
Exercice II
A. Utiliser chaque groupe de trois mots (ou expressions) pour construire une ou deux phrases exprimant une idée importante présentée dans la leçon
1. Respiration — Fermentation — Energie
2. Métabolites — Energie chimique – ATP
3. Déshydrogénases — Décarboxylases - ATP synthétase
4. Glycolyse — Chaîne respiratoire — Mitochondrie
5. Rendement énergétique — Respiration — Fermentation
B. Les affirmations ci-dessous sont toutes fausses. Modifier les phrases en remplaçant, en supprimant ou en complétant certaines parties pour les rendre exactes.
1. La respiration cellulaire est une oxydation directe des nutriments organiques par le dioxygène consommé lors dos échanges gazeux respiratoires.
2. La glycolyse est un ensemble de réactions qui ne se produisent que pendant la fermentation
3. La respiration et les fermentations sont deux processus de libération d’énergie qui ont le même rendement énergétique.
C- Questions à réponses ouvertes
1- Au niveau du rendement énergétique, pourquoi la respiration offre-t-elle plus d’intérêt que la fermentation?
2- « Pour accomplir le même travail, la cellule qui fermenté consomme beaucoup plus de combustible par unité de temps et par unité de masse que la respiration ». Expliquez.
3- Pasteur affirmait : « la fermentation est la vie sans air » Cette définition est-elle exacte dans tous les cas?
Exercice III L’énergétique biologique
Exercice III
On place un individu de 70 Kg à jeun depuis 12 heures et au repos total dans une chambre calorimétrique. On fait varier la température de la chambre en mesurant à chaque fois la consommation en dioxygène. Les valeurs obtenues ont permis de tracer la courbe ci-dessous.
1. Graphiquement, Déterminer le minimum de la courbe ?
2. Calculer l'intensité respiratoire en ce point. L’IR sera donné en litre d’O2/Kg/h.
Le coefficient thermique (Ct) d'O2 est 20 kilojoules (KJ) par litre.
3. a) Que représente N? Le définir.
b) La surface corporelle de l'individu est de 1,8m2. Calculer son métabolisme basal puis, nommer alors M.
4. a) Pourquoi l'individu doit-il être à jeun?
b) Pourquoi doit-il être au repos complet?
5. Comment se comporte l'individu.
a) Pour les températures inférieures à N?
b) Pour les températures supérieures à N?
c) Pour N?
6. Pourquoi N est-elle donc la température optimale pour M?
Exercice IV L’énergétique biologique
Exercice IV
On enferme un rat de 300g pendant 5 minutes dans une enceinte contenant 12 litres d'air à 20°C dépourvu de CO2 au départ. Au bout de ce temps, on fait un prélèvement de 100 ml de l'air de l'enceinte dans lequel on dose le CO2 : on trouve 0,2ml.
On fait passer le reste du volume gazeux dans un analyseur qui met en évidence une diminution du taux de dioxygène de l'enceinte égale à 1,25% de la teneur initiale.
1. a) Calculer l'intensité respiratoire (IR) du rat en litre de O2/Kg/heure.
b) Ramener IR en ml de O2/kg d'animal /heure.
c) Calculer la dépense énergétique du rat sachant que le coefficient thermique de O2 est de 20Kj/ l de O2.
2. Quel est le quotient respiratoire de l'animal?
3. On refait la même expérience à 5°C; le dosage du dioxygène montre une diminution de 1,50% par rapport à l'état initial.
a) Quelle est la nouvelle IR exprimée en ml de O2/Kg/heure?
b) A quoi attribuez-vous cette différence avec l'expérience précédente.
NB: L'air contient 21% d'O2
4. Quel sera le comportement de l'animal si l'expérience dure?
Exercice V L’énergétique biologique
Exercice V
Le schéma ci-dessous indique de façon très simplifiée quelques étapes de la respiration cellulaire. Le substrat de départ est le glucose. La lettre T désigne un transporteur d'hydrogène (électrons et protons). Les chiffres exprimés en KJ indiquent l'énergie chimique produite par une série de réactions, c’est-à-dire l'énergie utile permettant la synthèse d’ATP.
1. Quelles étapes nécessitent la présence d'oxygène ?
2. Quelles sont les étapes communes à la respiration et à la fermentation alcoolique?
3. Le cycle de Krebs est constitué d'une série de réactions enchaînées qui, au total, dégradent une molécule d'acide pyruvique par tour de cycle. Combien de tours sont nécessaires à la dégradation d'une molécule de glucose?
4. Une étape du cycle de Krebs consiste dans le passage de l'acide succinique à l'acide fumarique.
\(\begin{array}{*{20}{c}}{H2C}& - &{COOH}\\|&{}&{}\\{H2C}& - &{COOH}\end{array}\) \( + T \to \) \(\begin{array}{*{20}{c}}{HC}& - &{COOH}\\{||}&{}&{}\\{HC}& - &{COOH}\end{array}\) \( + T{H_2}\)
En quoi consiste cette réaction ? Comment appelle-t-on l'enzyme qui catalyse cette réaction. Que devient TH2 ?
5. Le document ci-dessous représente la coupe longitudinale d'une mitochondrie observée en microscopie électronique.a) identifier les structures indiquées.
b) Situer les régions où se déroulent les étapes 2, 3 et 4 de la respiration.
Exercice VI L’énergétique biologique
Exercice VI
On soumet trois lots de rats aux expériences de Calorimétrie indirecte (ou respiratoire) ci-après.
Un premier groupe est nourri exclusivement à l'aide de glucides. Au cours de la respiration, ils oxydent le glucose selon la réaction :
\(C_{6}H_{12}O_{6}+O_{2}\) \(\rightarrow CO_{2}+ \) \(H_{2}O + 2543 KJ\)
Le second lot est soumis à un régime comprenant exclusivement la trioléine, un lipide. Ce métabolite est oxyde’ suivant la réaction :
\(C_{57}H_{104}O_{6}+O_{2}\) \(\rightarrow CO_{2}+\) \(H_{2}O + 35242 KJ\)
Enfin, le troisième groupe est nourri uniquement à l’alanine qui est un aminoacide. Son oxydation donne :
\(CH_{3}-CH(NH_2)-COOH\) \(+O_2 \rightarrow CO(NH_2)_2\) \(+CO_2+H_2O+\) \(2633KJ\)
1. a) Équilibrer les trois équations 1, 2 et 3.
b) Qu'est-ce que le quotient respiratoire (QR) d'un individu? Précisez la formule.
c) Calculer le quotient respiratoire relatif à chaque réaction.
2. a) Qu'est-ce que le coefficient thermique du dioxygène (CT)?
b) Calculer le coefficient thermique dans chacun des trois cas (CT s'exprime en KJ/l).
Déduire l'aliment énergétique par excellence.
NB: Dans les conditions normales de température et de pression, une mole de gaz occupe un volume de 22,4 litres. On supposera que les conditions sont normales.
Exercice VII L’énergétique biologique
Exercice VII
1) Des organes végétaux non chlorophylliens (champignons, tubercules de manioc, carottes, etc.) sont placés dans une moitié d’un local à large ouverture partagé par une toile métallique. Le bocal est fermé à l’aide d’un bouchon de liège bien hermétique.
On introduit une bougie enflammée dans l’autre moitié du bocal le jour suivant, elle s’éteint aussitôt (figure l a) et si on fait couler un peu d’eau de chaux le long de la paroi interne du bocal elle se trouble (figure. b)
a) Pourquoi la bougie s’éteint-elle?
b) Pourquoi l’eau de chaux se trouble-t-elle ?
c) Écrivez l’équation du phénomène qui a eu lieu dans le bocal et qui justifie les faits ci-dessus signalés
d) Le résultat aurait-il été différent si on avait remplacé ces organes par les organes chlorophylliens frais ? Justifiez vos réponses.
2) On place des racines de carottes coupées ou non dans un flacon muni d’un manomètre à eau colorée.
Le tableau ci-dessous présente les variations de pression P (en 1-4 N/cm2) en fonction du temps T (en heures) indiquées par le manomètre.
Temps (heures) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 17 | 11 | 12 | 16 | 14 | 15 |
Pression (en 10-1 N/cm2) | 4 | 3 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
a) Construisez la courbe P = f(T) sur un repère orthonormé.
b) Interprétez la courbe obtenue.
c) Ecrivez les équations des phénomènes qui ont eu lieu dans le flacon
N.B : Pour les parties 1 et 2 on considère le glucose comme seul métabolite.
3) La respiration et la fermentation ont pour fonction de fournir à l’être vivant l’énergie dont il a besoin.
Les résultats consignés dans le tableau ci-après ont été obtenus par Pasteur en 1861 cours d’une étude sur la levure de bière. Un champignon microscopique unicellulaire qui reproduit par bourgeonnement (Document II.b).
Conditions expérimentales | Aérobies | Anaérobies |
Masse du glucose consommé (G) | 0,098 g | 45 g |
Masse de levure produite (L) | 0,025 g | 0,225 g |
a) Comparez les rendements de production dans les deux cas.
On rappelle que le rendement de production = levure produite / glucose consommé.
(Le candidat calculera le rendement au préalable)
b) Il existe des fermentations autres que la fermentation alcoolique. Dites quel type fermentation permet l’obtention du vinaigre. Écrivez l'équation en précisant les corps de départ, ceux formés et le catalyseur.
\(A+B\overset{F}{\rightarrow}\) \(C+D+118Kcal\)
A et B corps de départ,
C et D corps formés,
F catalyseur
Exercice VIII L’énergétique biologique
Exercice VIII
A. Le document ci-dessous indique les différentes étapes de la respiration cellulaire
1. Identifier et nommer le substrat initial.
2. Identifier et nommer les transporteurs d’hydrogène.
3. Le déroulement de la respiration cellulaire peut être subdivisé en trois étapes.
Identifier et nommer le composé organique obtenu à la fin de chaque étape.
4. Nommer l'étape qui nécessite la présence de dioxygène.
5. Nommer l'étape commune à la respiration et à la fermentation alcoolique.
B. Une souris pesant 33g absorbe 141ml d’O2 et rejette 112 ml de CO2 pendant 45 mn.
1- Calculer le quotient respiratoire.
2- Calculer l'intensité respiratoire:
a) en l d’O2/Kg/h.
b) en ml d’O2/g/mn.
3- Recalculer l’IR sachant que l'expérience se déroule à une température de 20°Cet à une pression de 764mmhg.
Exercice IX L’énergétique biologique
Exercice IX
Le document suivant représente le cycle de Krebs ;
1. Proposer un synonyme au terme « cycle de Krebs » par rapport au rôle ou aux oxydations qui s’y déroulent.
2 - a) Localiser avec précision le lieu de déroulement de ce cycle dans la cellule.
b) Schématiser et annoter l’ultra structure de l’organite support du « cycle de Krebs ».
3 Dans ce cycle, il y a un métabolite important ; relever.
4 a) Donner la signification du cycle ATP
b) Préciser le rôle de NAD (Nicotinamide Adénosine Di phosphate) et FAD (Flavine Adénosine Diphosphate) dans le cycle.
5 Par des calculs clairs, évaluer en KJ, la quantité d'énergie qu'on peut obtenir à partir d'un tour du cycle de Krebs sachant que d’une part, la ré oxydation d’un NADH2 produit 8 ATP et que celle d’un FADH2 ne produit que 2 ATP et d’autre part, l’hydrolyse de l’ATP est une réaction exergonique libérant 30 KJ par mole.
Exercice X L’énergétique biologique
Exercice X
Des mesures de consommation de dioxygène ont été réalisées sur un sujet placé d’abord dans un bain à 36 oC puis transféré pendant 5 minutes dans un bain à 28 oC.
1° Comment évolue la dépense énergétique du sujet en fonction de la température de l'eau du bain ?
2° Donnez une interprétation de la consommation de dioxygène pour chacune des parties du graphique (A, B, C, D).
3° Sachant qu’à un litre de dioxygène consommé correspond une dépense d’énergie de 200 kJ, calculez, en kilojoules, la dépense d’énergie du sujet pendant les 30 secondes correspondant à la consommation maximale de dioxygène.
4°Quelle(s) information(s) manque(nt) pour évaluer le métabolisme de base du sujet?
Exercice XI L’énergétique biologique
Exercice XI
Dans un fermenteur, on introduit une solution de glucose à 4 g/l et de la levure de bière. Le taux de dioxygène dissout est maintenant à environ 20% de la saturation grâce à un aérateur approprié. Trois paramètres sont mesurés en fonction du temps.
• La croissance de la population de levure, exprimée en biomasse (g/l) ;
• La teneur du milieu en glucose ;
• La teneur du milieu en éthanol.
Les différentes mesures ont permis de tracer les graphes A et B.
1) Analysez le graphe B.
2) Déterminez le nombre de partie du graphe A.
3) Déduisez du graphe B l’origine de l’énergie nécessaire à chacune des parties pour la croissance des levures.
4) Quelle serait l’origine de l’énergie nécessaire à la croissance de la levure si la teneur de la solution de glucose était très basse? (moins de 100 mg).
5) Écrivez l’équation de la réaction libérant cette énergie.
6) Le rendement de la fermentation est plus faible que celui de la respiration.