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 de l’énergie cellulaire sous forme d’ATP.
On appelle métabolisme cellulaire l’ensemble des réactions chimiques cellulaires qui mettent en jeu des nutriments. Le métabolisme est composé de deux processus opposés : l’anabolisme (construction / synthèse) et le catabolisme (dégradation) cellulaire. Le catabolisme est impliqué dans l’oxydation cellulaire à combattre par le bon choix de 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.
Le métabolisme cellulaire
Anabolisme et catabolisme
L’ensemble de toutes les réactions chimiques d’un organisme vivant qui se produisent à l’intérieur de nos cellule s’appelle le métabolisme.
Le métabolisme est une fonction de base et nécessaire pour toute vie. Sans métabolisme, aucune vie et aucun fonctionnement cellulaire ne sont possibles.
Les processus du métabolisme sont dictés par les besoins de la cellule. Ces processus permettent aux organismes vivants de grandir, de se réparer (guérir), de maintenir leur structures cellulaires, tissulaires et viscéraux, de se reproduire et d’interagir avec leur environnement. Plus courtement : le métabolisme permet l’existence du vivant.
Le métabolisme se divise en deux types généraux de réactions biochimiques qui sont complémentaires et contraires : l’anabolisme et le catabolisme.
- 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.
Anabolisme cellulaire – Processus constructif de synthèse
Dans un sens plus large, l’anabolisme est un ensemble de réactions chimiques au sein de notre métabolisme. Ces réactions sont celles liées à la synthèse cellulaire. Il s’agit d’un processus constructif. L’anabolisme est le contraire du catabolisme.
Pendant l’anabolisme, les molécules plus complexes sont synthétisées à partir de molécules plus simples. De molécules plus grandes et plus complexes se construisent. Pour cette raison, on parle également de la biosynthèse. Notre corps a besoin de l’énergie extérieure pour ce processus très énergivore. Cette énergie est fournie en forme d’ATP (Adénosine-Triphosphate).
Ces molécules complexes sont nécessaires à l’organisme, comme moyen de croissance, de développement et de différenciation cellulaire. La réaction se fait grâce à un gain d’un ou plusieurs électrons par une molécule. Les processus anabolisants n’utilisent pas d’oxygène.
Ces réactions chimiques permettent donc la synthèse de métabolites essentiels (protéines, glucides (ou sucres), acides gras (ou lipides) qui sont fournis par voie exogène comme l’alimentation. A l’issue de ce processus, notre organisme peut réparer et (re-)construire de nouvelles cellules et tissus (peau, muscles, organes, muqueuses, etc.).
Catabolisme cellulaire – Processus de dégradation et de destruction
Le catabolisme est exactement le processus contraire de l’anabolisme. Il s’agit de l’ensemble des réactions chimiques au sein de notre métabolisme qui sont liées à la dégradation cellulaire. Il s’agit donc d’un processus destructif.
Pendant le catabolisme, les molécules complexes sont dégradées en molécules plus petites et plus simples. Cette réaction chimique permet un transfert d’énergie des composés organiques à un coenzyme transporteur d’énergie. De l’énergie est libérée au cours de cette phase. Cette énergie peut être de l’ATP ou de la chaleur. Le catabolisme ne consomme pas d’énergie – tout contrairement à l’anabolisme qui nécessite un apport d’énergie extérieure.
Le catabolisme est constitué de plusieurs voies cataboliques. Entres autres, le catabolisme contient une phase d’oxydation cellulaire. Pendant cette phase, la molécule perd des électrons au profit d’un autre réactif appelé “oxydant” ou encore “radical libre“. Ce processus est plus communément connu sous le terme stress oxydatif. Pendant cette réaction chimique qui implique le carbone et l’oxygène, il y a formation de dioxyde de carbone par oxydation.
On peut alors dire que les réactions de catabolisme sont des oxydations cellulaires. Les réactions chimiques au sein du catabolisme des protéines, des glucides, des acides gras, des acides nucléiques et d’autres métabolites sont toutes intimement liées. Il s’agit d’un enchaînement de réactions chimiques.
Un joli exemple d’un processus catabolique est la digestion. Les nutriments des aliments ingérés sont convertis en molécules plus simples, qu’un organisme peut ensuite utiliser pour d’autres processus.
L’énergie libérée au cours des réactions cataboliques, exergoniques, permet de provoquer les réactions anaboliques, endergoniques.
Les besoins de la cellule : l’énergie sous forme d’ATP (Adénosine-Triphosphate)
L’ ATP (adénosine triphosphate) est la molécule utilisée comme carburant par les cellules pour toutes les réactions chimiques qui nécessitent de l’énergie (comme l’anabolisme cellulaire).
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 venant des glucides 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 (protéines) et des acides gras (lipides, graisses). 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.
Processus de production de l’ATP est, expliqué de façon très simplifié, le suivant :
- 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 (graisses ou acides gras), 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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