Les Fondamentaux du Métabolisme Cellulaire

Métabolisme

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur de la cellule. Les séquences de réactions et/ou chemins sont appelés voies métaboliques et les molécules impliquées sont appelées métabolites.

Il existe deux phases :

1. Catabolisme : Transformation de molécules complexes en molécules simples (dégradation biologique). C'est un processus qui libère de l'énergie, laquelle peut être stockée dans les liaisons phosphates de l'ATP.
2. Anabolisme : Synthèse de molécules complexes à partir de molécules simples (construction). Ce processus nécessite de l'énergie fournie par l'ATP.

Structure des voies métaboliques

• Linéaire : Les intermédiaires sont utilisés seulement dans un chemin particulier.
• Ramifiée : La voie mène à deux ou plusieurs routes, car elles sont entrecroisées.
• Cyclique : Après la première série de transformations, il y a régénération.

Types de métabolisme selon la source de carbone

1. Si le CO₂ est utilisé, on parle de métabolisme autotrophe :
   • Si la lumière est utilisée comme source d'énergie => PHOTOSYNTHÈSE.
   • Si des réactions chimiques sont utilisées comme source d'énergie => CHIMIOSYNTHÈSE.
2. Si la matière organique (méthane, glucose, graisses, etc.) est utilisée, on parle de métabolisme hétérotrophe.

Adénosine Triphosphate (ATP)

L'ATP est un nucléotide d'une grande importance dans le métabolisme, car il stocke l'énergie ou la libère via ses liaisons ester-phosphates. C'est pourquoi ces liaisons sont dites riches en énergie (ricoénergétiques). Les enzymes qui catalysent l'hydrolyse de l'ATP sont appelées ATPases.

La synthèse de l'ATP s'effectue de deux façons :

1. Phosphorylation au niveau du substrat : Synthèse d'ATP par l'énergie libérée par une molécule.
2. Phosphorylation oxydative/Photophosphorylation : Lors des réactions d'oxydation électrochimique (redox), les électrons éjectés sont capturés par une molécule transporteuse, ce qui mène à une libération d'énergie utilisée pour phosphoryler l'ADP et former de l'ATP.

Transport d'électrons

De nombreuses réactions métaboliques sont des réactions redox. Les électrons libérés sont capturés par une molécule transporteuse, qui est ensuite réoxydée et revient à son état d'origine en donnant des électrons à d'autres composés.

Catabolisme

Le catabolisme est la phase de dégradation du métabolisme visant à obtenir de l'énergie. Les molécules organiques sont transformées en produits finaux simples qui seront expulsés par la cellule. L'énergie libérée par ces réactions est stockée dans l'ATP pour être ensuite utilisée pour les réactions de synthèse organique et d'autres fonctions cellulaires. Le catabolisme est similaire chez les organismes autotrophes et hétérotrophes.

Types de catabolisme

Selon la nature de la substance qui est réduite :

• a) Fermentation : La molécule qui est réduite est organique.
• b) Respiration : La molécule qui est réduite est inorganique.

Catabolisme des glucides

Les réserves de glycogène et d'amidon sont hydrolysées en glucose, qui entre dans la voie de dégradation. On distingue deux phases :

1. La Glycolyse : Le glucose est scindé en deux molécules d'acide pyruvique et produit 2 ATP. Elle se déroule dans le cytoplasme et est anaérobie. Elle consiste en une séquence de 10 réactions catalysées enzymatiquement, que nous résumons en deux étapes :
   • a) Étape 1 : Le glucose est phosphorylé et fragmenté, produisant deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate. Ce processus consomme 2 ATP.
   • b) Étape 2 : Les deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate sont oxydées et converties en pyruvate, produisant 4 ATP.

L'efficacité énergétique nette de la glycolyse est donc de 2 ATP par molécule de glucose.

Fermentation

La fermentation est un processus anaérobie qui permet d'obtenir de l'ATP par oxydation partielle de molécules organiques. Elle a un faible rendement énergétique. Il existe des organismes anaérobies stricts et facultatifs.

• Cas 1 : La fermentation lactique : Elle est réalisée par des bactéries (lactobacilles). Le NADH + H$^+$ produit lors de la glycolyse est régénéré dans la réaction qui convertit le pyruvate en lactate.
• Cas 2 : La fermentation alcoolique : Elle est réalisée par Saccharomyces et d'autres organismes. Elle permet l'obtention d'éthanol et de CO₂ et produit 2 ATP. Le NADH + H$^+$ produit lors de la glycolyse est régénéré lors de la réduction en éthanol.

Pour la cellule, le produit principal est l'ATP. L'éthanol et le CO₂ sont des déchets.

Respiration

L'acide pyruvique produit par la glycolyse doit entrer dans la mitochondrie. Il y subit une oxydation et une décarboxylation catalysées par le système enzymatique appelé pyruvate déshydrogénase - acétyl-CoA transférase, qui est intégré dans le cycle de Krebs.