Les besoins de la cellule – Métabolisme cellulaire

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Les besoins de la cellule: Voici le schéma de une molécule ATP, le carburant des cellules./Creative Commons, CC-BY-SA 3.0

Les besoins de la cellule sont multiples: chaque cellule de chaque organisme vivant a besoin, par exemple pour renouveler ses constituants ou fabriquer des substances vitales, de nutriments (glucose, acides aminés, acides gras, etc.) qui constituent la matière première, et d’énergie chimique. On appelle métabolisme cellulaire l’ensemble des réactions chimiques cellulaires qui mettent en jeu des nutriments.

Ces réactions qui sont nécessaires pour accomplir les besoins de la cellule nécessitent eux 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.

 

Les besoins de la cellule pour le métabolisme cellulaire

Le métabolisme cellulaire peut être séparé en deux classes de réactions biochimiques complémentaires :

  • les réactions de synthèse, dites anaboliques, qui constituent l’anabolisme; ces réactions ont absolument besoin d’énergie pour se produire, ont dit qu’elles sont endergoniques ;
  • les réactions de dégradation, dites cataboliques, qui constituent le catabolisme. La destruction des molécules libère de l’énergie, qui est alors disponible pour les réactions anaboliques. On dit que les réactions cataboliques sont exergoniques.

L’ATP (adénosine triphosphate) est la molécule utilisée comme carburant par les cellules pour toutes les réactions chimiques qui nécessitent de l’énergie. Il n’existe aucun stock réel d’ATP dans l’organisme, c’est pourquoi la moindre consommation d’ATP doit être compensée par une production équivalente, de façon à ce que sa concentration soit la plus stable possible.

La cellule dégrade préférentiellement des molécules de glucose pour fabriquer de l’ATP, car c’est un nutriment rapidement disponible, et qui a un bon rendement énergétique.

La combustion d’une molécule de glucose produit 36 molécules d’ATP et de la chaleur. La chaleur produite sert au maintien de la température corporelle, l’excès est évacué à l’extérieur par les liquides excrétés, ou dissipé au niveau de la peau et des muqueuses.

L’organisme est également capable de produire de l’ATP à partir des acides aminés et des acides gras. Dans les hématies et les cellules musculaires, en absence de dioxygène, la combustion complète du glucose n’est pas possible, il va donc être transformé en acide lactique, ce qui est peu rentable au niveau énergétique : 2 ATP produits au lieu de 36 pour une molécule de glucose. C’est la fermentation lactique ou respiration anaérobie (en absence d’oxygène). De plus, l’accumulation d’acide lactique, lors d’un effort musculaire par exemple, provoque l’apparition de crampes.

Résumé :

  • Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques de la cellule, il est composé du catabolisme (dégradations) et de l’anabolisme (synthèses).
  • La glycolyse est la transformation du glucose en deux molécules d’acide pyruvique, elle se déroule dans le cytoplasme.
  • L’acide pyruvique est transformé en acétylcoenzyme A, qui sera totalement dégradé dans la matrice de la mitochondrie.
  • La chaîne respiratoire oxyde les coenzymes réduits au cours des réactions précédentes, et permet à l’ATPase de produire de l’ATP, au niveau des crêtes mitochondriales.
  • Le bilan global de la combustion d’une molécule de glucose est la production de 36 molécules d’ATP et de chaleur.
  • L’ATP est une molécule énergétique car la cassure de la liaison entre les deux derniers phosphate libère beaucoup d’énergie : 30 kJ.

 

Les besoins de la cellule: la nutrition cellulaire

L’acte alimentaire de l’homme ou de l’animal ne se limite pas à combler l’espace vide d’un estomac tiraillé par la faim. C’est une véritable attente physiologique pour chaque cellule de chaque organisme; ce sont les besoins de la cellule qui dictent les attitudes alimentaires d’un être vivant. Glucides (sucres), protéines, lipides, vitamines, sels minéraux, oligoéléments etc. – toutes ces molécules sont, tôt ou tard, utilisées ou dégradées par les minuscules usines que sont les cellules pour leur permettre de fonctionner avec un rendement optimal.

Les protéines utilisent les acides aminés pour former de nouvelles protéines qui seront autant de signaux (hormones) et d’éléments de charpente ou d’adhésion. Certains lipides, comme le cholestérol, serviront également à la synthèse de signaux et au soutien du rempart qui entoure la cellule, sa membrane. Les minéraux, oligoéléments et métaux interviennent quant à eux dans un grand nombre de réactions enzymatiques, dont celles qui transforment le glucose en énergie. Chez l’homme, les proportions idéales de chacun de ces éléments font aujourd’hui l’objet de recommandations nutritionnelles spécifiques, selon l’âge et le sexe, destinées notamment à lutter contre des pathologies liées aux carences.

En détail, les éléments dont la cellule se nourrit, sont :

  • Lipides: la cellule les utilise pour fabriquer sa membrane protectrice. Les lipides de la membrane sont les garants de son étanchéité et de sa fluidité, une dernière propriété qui permet aux cellules de se réparer, de changer de taille ou encore de se diviser.
  • Eau: chaque organisme vivant, la cellule y compris, est composé de près de 80 % d’eau. Solvant « doux », elle participe aux différentes réactions du métabolisme cellulaire et au transport de molécules vers l’intérieur (nutriments) et l’extérieur (déchets) de la cellule, via, notamment, des tunnels protéiques spécifiques (aquaporines).
  • Sels minéraux : calcium, phosphore, potassium, sodium, etc. sont indispensables au contrôle de l’équilibre hydrique des cellules (pression osmotique) et à la régulation de leur pH. Ils entrent dans la composition de certaines enzymes du métabolisme, agissent comme des catalyseurs ou des inhibiteurs des réactions biochimiques, ou favorisent le transport de matières initiées par des hormones (comme celui du glucose par l’insuline).
  • Glucides : de tous les sucres, le glucose est de loin le plus indispensable. Véritable matière première, il intervient dans la formation du carburant des cellules, l’ATP, au niveau des mitochondries. Il sert de squelette à de nombreuses structures cellulaires comme l’ADN et intervient également comme signal d’identification à la surface des cellules.
  • Vitamines : grâce à leurs propriétés anti-oxydantes, certaines vitamines (E, C, A, bêta-carotène) protègent la membrane cellulaire en neutralisant les radicaux libres. Dans la cellule, la vitamine B3 (ou PP) est un précurseur, entre autres, du NAD, un coenzyme impliqué, au niveau des mitochondries, dans la synthèse de l’ATP.
  • Acides aminés : certains acides aminés, dits essentiels, ne peuvent être synthétisés par les cellules et sont donc importés. On en compte huit chez l’homme : l’isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane et la valine. Ce sont les acides aminés qui vont fournir aux ribosomes la matière pour fabriquer les protéines. Grâce aux myriades de combinaisons possibles des acides aminés et de leurs propriétés physico-chimiques, les protéines peuvent prendre de multiples formes pour assurer des fonctions diverses structures de la cellule, apports nutritifs, cohésion et communication entre les cellules mais aussi, plus globalement, intégrité des organismes (anticorps).
  • Oligoéléments : présents à l’état de trace dans les cellules, ces éléments n’en sont pas moins essentiels. Ils agissent généralement comme les sels minéraux. Le fer et le cuivre, par exemple, sont complexés dans des coenzymes nécessaires pour l’un à la fabrication de l’ADN et, pour l’autre, à la synthèse de l’ATP. Le zinc, lui, est retrouvé dans certaines enzymes anti-oxydantes.

 

Les besoins de la cellule: la respiration cellulaire

La respiration cellulaire est une réaction d’oxydoréduction qui fait partie des besoins de la cellule et 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 (oxygénée)
  • anaérobie (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 ;
  • 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).

La respiration cellulaire 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.

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.

 

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