Produire de l’énergie !

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Les cellules de l’organisme ont besoin, par exemple pour renouveler leurs constituants ou fabriquer des substances, de nutriments (glucose, acides aminés, acides gras, etc.) qui constituent la matière première, et d’énergie chimique. On appelle métabolisme l’ensemble des réactions chimiques cellulaires qui mettent en jeu des nutriments. Ces réactions nécessitent la présence d’enzymes, qui jouent le rôle de biocatalyseurs, c’est-à-dire qu’elles accélèrent les réactions chimiques, et parfois de coenzymes, des assistants des enzymes, chargés par exemple de transporter des composés libérés par les réactions chimiques vers un autre compartiment cellulaire. Plusieurs compartiments cellulaires participent à la fabrication d’énergie.

Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est une réaction d’oxydoréduction qui fournit l’énergie nécessaire à une cellule pour fonctionner en produisant de l’ATP, source d’énergie directement utilisable par la cellule. Il y a deux sortes de respiration cellulaire (aérobie et anaérobie); le milieu propice à la respiration aérobie est de l’eau courante, oxygénée, et le milieu pour la respiration anaérobie est de l’eau stagnante, non-oxygénée.

La respiration cellulaire nécessite :

  • du glucose :
    • dans le cas des animaux et êtres vivants incapables de réaliser la photosynthèse, il provient de la digestion ou des réserves (ex. : glycogène) et est apporté par la circulation sanguine,
    • dans le cas des plantes réalisant la photosynthèse, le glucose est produit par la photosynthèse ou provient de la dégradation de l’amidon ou de saccharose (réserves) ;
  • du dioxygène (O2) :
    • dans le cas des vertébrés terrestres, il est extrait de l’air par la ventilation pulmonaire et est apporté à la cellule par la circulation sanguine, fixé sur l’hémoglobine des hématies (globules rouges),
    • pour les organismes unicellulaires, il est directement prélevé dans l’environnement.

Elle produit :

  • du dioxyde de carbone (CO2) : il est évacué par la circulation sanguine, dissous dans le plasma ;
  • de l’eau (H2O) ;
  • parfois de l’urée, si le carburant contient de l’azote (ex. : acides aminés). En effet, il existe d’autres sources d’énergie cellulaire : acides aminés, acides gras, corps cétoniques.

La réaction globale pour le glucose est :

C6H12O6 + 6O2 + ~36 ADP + ~36 Pi → 6CO2 + 6H2O + ~30 à 32 ATP (énergie) + énergie thermique.

L’ATP ainsi produite pourra être dégradée sous forme d’ADP ; cette dégradation libère l’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule.

Pour les acides gras, c’est la bêta-oxydation, dans les mitochondries des eucaryotes, qui produit de l’acétyl-CoA (coenzyme), du NADH et du CoQH2.

Ces réactions chimiques enzymatiques ont lieu dans le cytoplasme (glycolyse) et dans les mitochondries des cellules chez les êtres pluricellulaires (plantes et animaux) et les cellules eucaryotes, et uniquement dans le cytoplasme chez les bactéries et archées (procaryotes). Le transport d’électrons et la synthèse d’ATP sont liés à la membrane interne des mitochondries ou à la membrane cytoplasmique des procaryotes.

C’est une réaction aérobie, c’est-à-dire nécessitant un environnement oxygéné. Il existe d’autres réactions anaérobies, pouvant fournir de l’énergie sans dioxygène : la fermentation lactique, la fermentation alcoolique et la respiration anaérobie utilisant d’autres oxydants que le dioxygène (par exemple le sulfate ou le nitrate). Certaines cellules, essentiellement des bactéries, ont même la faculté de pouvoir « respirer » des surfaces solides comme des électrodes en transférant leurs électrons depuis des substrats en solution jusqu’à une électrode. Ce principe est utilisé dans la technologie des piles microbiennes.

La production de CO2 est indépendante de la consommation de dioxygène. En effet, les atomes d’oxygène du CO2 sont soit issus du substrat oxydé, soit de l’eau. Dans la respiration aérobie, le dioxygène gazeux est transformé en eau au bout de la chaîne de transport d’électrons.

Cette réaction globale se fait en cinq étapes :

  1. glycolyse : dégradation du glucose en pyruvate. L’énergie libérée est stockée sous forme d’ATP (adénosine triphosphate) et de NADH (nicotinamide adénine dinucléotide réduite) ;
  2. réaction de transition où l’oxydation du pyruvate produit de l’acétyl-CoA et du CO2. L’énergie libérée est stockée sous forme de NADH ;
  3. cycle de Krebs : l’acétyl-CoA est dégradé en CO2 au cours de nombreuses réactions successives. L’énergie libérée est stockée sous forme d’ATP, de NADH et de FADH2 (flavine adénine dinucléotide réduite) ;
  4. chaîne de transport d’électrons (ou chaîne respiratoire) : les molécules de NADH et de FADH2 cèdent leurs électrons (oxydation) à une série de complexes membranaires. Le flux d’électrons à travers ces complexes permet de pomper des protons à travers la membrane, produisant un potentiel électrochimique (une force proton-motrice). Les électrons aboutissent sur le dioxygène (O2) qui est ainsi réduit et s’associe à des protons pour produire de l’eau ;
  5. synthèse d’ATP par l’ATP synthétase, généré par le flux de protons retraversant la membrane sous l’effet de la force proton-motrice.

La majeure partie de l’énergie produite par la respiration cellulaire résulte du cycle de Krebs, le but de la glycolyse étant la production de pyruvate.

KREBS

Cycle de KREBS

Métabolisme cellulaire

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent au sein d’un être vivant pour lui permettre notamment de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimulus de son environnement. Certaines de ces réactions chimiques se déroulent en dehors des cellules de l’organisme, comme la digestion ou le transport de substances entre cellules. Cependant, la plupart de ces réactions ont lieu dans les cellules elles-mêmes et constituent le métabolisme intermédiaire.

Myosine_actine

Dans l’ensemble des réactions constituant le métabolisme, on distingue d’une part l’anabolisme, qui représente l’ensemble des voies de biosynthèse des constituants cellulaires, et d’autre part le catabolisme, qui représente l’ensemble des voies de dégradation de ces constituants cellulaires en petites molécules pour en libérer l’énergie par oxydation ou pour rebâtir d’autres constituants cellulaires. Les réactions de l’anabolisme et du catabolisme sont interconnectées à travers des molécules spécialisées jouant le rôle de cofacteurs enzymatiques. C’est par exemple le cas de l’adénosine triphosphate (ATP), dont l’hydrolyse en adénosine diphosphate (ADP) et phosphate inorganique (Pi) est souvent couplée aux réactions d’anabolisme pour les rendre thermodynamiquement favorables. Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+ à l’état oxydé) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH à l’état réduit), quant à eux, sont des transporteurs d’électrons utilisés dans les réactions d’oxydoréduction cellulaires, le NAD+ plutôt dans le catabolisme et le NADPH dans l’anabolisme. Des coenzymes permettent également d’échanger de la matière entre les différentes voies métaboliques. Ainsi, la coenzyme A permet d’activer des groupes acyle pour former une acyl-CoA, dont la plus importante est l’acétyl-CoA : cette dernière se trouve au carrefour de plusieurs voies métaboliques majeures, telles que la dégradation des glucides et des lipides, la production d’énergie métabolique, ou encore la biosynthèse des acides gras et des oses.