Le métabolisme des cellules Cours

Sommaire

ILe métabolismeALa définition du métabolismeBLe métabolisme et les voies métaboliquesCLes enzymesIILes grandes voies métaboliquesALa respiration et la production d'énergieBLa fermentation et la production d'énergieCLa photosynthèse et l'autotrophieIIILe flux de matières et d'énergie dans la biosphère
I

Le métabolisme

A

La définition du métabolisme

Métabolisme

Le métabolisme est l'ensemble des échanges de matière et d'énergie d'un être vivant avec l'environnement. Ces échanges et les transformations de la matière et de l'énergie se font en fonction des besoins cellulaires, des capacités liées à la structure de l'être vivant et des ressources disponibles dans l'environnement.

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Une vue d'ensemble du métabolisme

B

Le métabolisme et les voies métaboliques

Le métabolisme s'effectue par le biais de réactions biochimiques qui se produisent dans les cellules.

La transformation d'une molécule en une autre peut requérir plusieurs étapes qui constituent une voie métabolique.

Voie métabolique

Une voie métabolique est une succession de réactions biochimiques transformant une molécule en une autre.

La fabrication de la mélanine, pigment noir localisé dans la peau, s'effectue à partir d'un acide aminé, la phénylalanine. Elle se déroule en plusieurs étapes :

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La respiration cellulaire est une voie métabolique qui comporte plus de 20 réactions.

Les différentes voies métaboliques (respiration, fermentations, etc.) sont interconnectées. Si l'on représente schématiquement des molécules au sein d'une voie métabolique par des lettres, on obtient :

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Voies métaboliques connectées

C

Les enzymes

Chaque réaction d'une voie métabolique est assurée par une enzyme.

Enzyme

Une enzyme est une protéine assurant les réactions métaboliques de l'organisme. Elle transforme un substrat en produit, de façon spécifique et dans des conditions bien définies (pH, température, etc.).

Dans le cas de la fabrication de la mélanine, chaque étape fait intervenir une enzyme (notée en rouge) qui transforme un substrat en produit.

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Les enzymes sont fabriquées à partir d'informations situées dans l'information génétique (ADN).

Chaque cellule possède un équipement enzymatique particulier (c'est la différenciation cellulaire) qui lui confère des aptitudes métaboliques qui peuvent différer de ce qu'ont les autres cellules.

II

Les grandes voies métaboliques

A

La respiration et la production d'énergie

Toute cellule, pour fonctionner, doit utiliser de l'énergie (pour se diviser, fabriquer des molécules, sécréter des molécules, se déplacer, se contracter, etc.).

Cette énergie vient des nutriments organiques qui contiennent une énergie potentielle. L'énergie est libérée lorsque les molécules sont « cassées ».

La manière la plus efficace de « casser » ces molécules est la respiration, analogie cellulaire d'une combustion. Elle nécessite du dioxygène et se déroule, chez les eucaryotes, dans les mitochondries.

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La respiration cellulaire

Le bilan chimique peut s'écrire de la façon suivante (pour une molécule de glucose initiale) :

\ce{C6H12O6}+6\ce{O2}\ce{->}6\ce{CO2}+6\ce{H2O}+\text{Énergie}

B

La fermentation et la production d'énergie

Lorsque le dioxygène n'est pas présent (conditions anaérobies), qu'il n'est pas fourni en quantités suffisantes, ou lorsque les cellules sont dépourvues de mitochondries (cas, par exemple, des érythrocytes), la respiration ne peut se faire. Toutefois, il faut produire de l'énergie. Elle est alors produite par des mécanismes de fermentation, moins rentables sur le plan énergétique. Ces mécanismes supposent, tout comme la respiration, un équipement enzymatique précis.

Selon les enzymes, les molécules présentes dans les cellules, il existe divers types de fermentations : lactique, éthanolique, acétique, butyrique, etc.

L'homme utilise les produits de ces fermentations dans son alimentation : yaourt, pain, vin ou vinaigre, par exemple.

Dans le cas d'une fermentation, le bilan, à partir d'une molécule de glucose, peut s'écrire de la façon suivante :

\text{Glucose}\ce{->}\text{Produit (déchet métabolique)}+\text{Énergie}

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La fermentation

Ce qui diffère dans les diverses fermentations est le « produit ».

Fermentation alcoolique : 

\ce{C6H12O6}\ce{->}2\ce{CH3CH2OH3}\text{ (éthanol)}+2\ce{C02}+\text{ énergie}

Formule lactique :

\ce{C6H12O6}\ce{->}2\ce{CH3CHOHCOOH}\text{ (acide lactique)}+\text{ énergie}

Les deux grandes voies de production de l'énergie peuvent avoir lieu dans les mêmes cellules (cellules musculaires, levures, etc.) et se succéder ou se compléter selon les conditions.

Mises en culture, des levures utilisent tout d'abord le glucose mis à leur disposition par la voie respiratoire (durant les cinq premières minutes, rejet de CO2, consommation d'O2). Puis, lorsque tout le dioxygène présent est utilisé (t = 5 min), elles passent à un métabolisme fermentaire (à partir de t = 5 min, rejet de CO2 et production d'éthanol).

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La multiplication cellulaire est évidemment affectée par les conditions, aérobies ou non, de culture. Ces conditions permettent une production plus ou moins efficace d'énergie, indispensable à la multiplication des cellules.

Ces molécules organiques utilisées pour la production d'énergie viennent :

  • de la consommation de molécules « déjà faites » : on appelle ce procédé l'hétérotrophie ;
  • de la production autonome de molécules organiques : on appelle ce procédé l'autotrophie.
C

La photosynthèse et l'autotrophie

Les végétaux verts (au sens large : mousses, algues, plantes à fleurs, etc.) n'ont pas besoin de manger d'autres organismes pour se procurer leurs molécules organiques : ils les fabriquent eux-mêmes, grâce à une voie métabolique qui est la photosynthèse.

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Des végétaux verts

Photosynthèse

La photosynthèse est la production de matière organique en présence de lumière (utilisée pour apporter l'énergie nécessaire à la fabrication des molécules organiques) en utilisant du COet en produisant de l'O2.

La photosynthèse se produit essentiellement dans les cellules végétales vertes, pourvues de chloroplastes.

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La photosynthèse

Le bilan global de la photosynthèse est :

\ce{6CO2}+\ce{6H2O}+\text{Énergie lumineuse}\ce{->}\text{Glucides}+\ce{6O2}

III

Le flux de matières et d'énergie dans la biosphère

Au sein de la biosphère, il existe des organismes autotrophes et des organismes hétérotrophes.

Les autotrophes fabriquent de la matière organique avec une source d'énergie (la lumière) et de la matière minérale (CO2, H2O, etc.). Les plantes sont, en grande majorité, des autotrophes.

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La jacinthe bleue : un autotrophe

Les hétérotrophes, mais aussi les autotrophes, utilisent cette matière organique pour produire une énergie utilisable pour les cellules.

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La grenouille : un hétérotrophe

L'ensemble constitue un vaste flux de matière et d'énergie que l'on peut décrire à l'échelle de l'organisme ou de la biosphère tout entière.

À ce dernier niveau, ce flux définit des chaînes alimentaires.

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Flux de matière et d'énergie au sein de la biosphère