2 Le métabolisme des cellules

La cellule est l’unité de base du vivant. C’est la plus petite unité constitutive fonctionnelle d’un être vivant. C’est un système moléculaire doué de métabolisme, de croissance et de reproduction. Le métabolisme correspond à l’ensemble des réactions qui se déroulent dans le milieu intérieur des cellules.

Il existe deux grands métabolismes liés à la production de matière :

• le métabolisme autotrophe des cellules végétales chlorophylliennes qui leur permet de produire leur propre matière organique à partir de matière minérale et d’énergie lumineuse.

• Le métabolisme hétérotrophe des cellules végétales non chlorophylliennes, des cellules animales et de champignons, qui leur permet de produire leur propre matière organique à partir de matière organique déjà fabriquée par d’autres êtres vivants (source de matière et d’énergie).

Ces deux métabolismes liés à la matière sont dépendants de deux métabolismes énergétiques différents : la photosynthèse et la respiration. Ainsi dans le milieu intérieur d’une cellule, se déroulent de nombreuses transformations qui permettent à la cellule d’assurer sa fonction. 

La photosynthèse peut être enregistrée en laboratoire grâce à des sondes capables de mesurer la quantité de dioxygène et de dioxyde de carbone dans une suspension de cellules chlorophylliennes comme par exemple des algues unicellulaires appelées chlorelles. La solution de chlorelles est disposée dans une cuve située à l’intérieur d’un système appelé bioréacteur sur lequel les sondes peuvent être branchées de manière à ce que la tête de la sonde soit immergée dans le contenu de la cuve. Le dispositif est modulable car il est possible d’ouvrir ou de fermer des volets afin d’éclairer ou pas la solution de chlorelles. L’enregistrement de l’évolution de la concentration en dioxygène et en dioxyde de carbone en absence ou en présence de lumière met en évidence des métabolismes différents en fonction des conditions choisies. 

©RS.2019

En présence de lumière, on constate une production de dioxygène et une consommation de dioxyde de carbone alors qu’en absence de lumière on constate une consommation de dioxygène et une production de dioxyde de carbone. Ainsi à l’obscurité, les cellules chlorophylliennes ne pratiquent uniquement que la respiration (consommation d’O₂ et de rejet de CO₂). En présence de lumière, on constate une forte production d’O₂ significative d’un métabolisme différent : la photosynthèse. Cette production est suffisamment importante pour masquer la consommation d’O₂ liée à la respiration et même augmenter le taux en O₂ de la solution. Ainsi le métabolisme des cellules dépend des conditions environnementales.

On peut se demander si la photosynthèse ne se réalise qu’en une seule réaction comme indiqué ci-dessous :

6CO₂ + 6H₂O  donne          C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Si tel est le cas alors l’absence du gaz CO₂ dans la solution de culture de chlorelles devrait entraîner une absence de production du gaz O₂.  On devrait ainsi enregistrer une diminution régulière de la quantité d’O₂ dans la solution de chlorelles correspondant à la consommation   liée à la respiration et ce, que nous soyons à la lumière ou à l’obscurité. Or ce n’est pas le cas. 

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Quand on mesure l’évolution du taux d’O₂ en absence de CO₂, on constate qu’à la lumière, la quantité d’O₂ cesse brutalement de diminuer et devient stable. Cette observation de stabilisation de la concentration en O₂ ne signifie pas que la cellule cesse de consommer du O₂ car la respiration est un processus permanent. Au contraire, elle indique que la cellule  produit suffisamment de O₂ pour compenser la consommation liée à la respiration et même en rehausser la teneur du milieu. Or comment le gaz O₂ a-t-il pu être produit en l’absence de gaz CO₂ ? La seule autre molécule présente contenant du O₂ est la molécule d’H₂O. On peut donc supposer que le O₂ produit ne provient pas du CO₂ mais de H₂O. Des expériences réalisées avec des molécules d’eau marquées à l’oxygène radioactif le prouvent. 

Ainsi on peut affirmer que la photosynthèse se réalise au moins deux étapes :

• une dégradation de la molécule d’eau par la lumière

• l’incorporation de CO₂ en glucose

Ces deux étapes ne se réalisent pas au même endroit dans le chloroplaste :

• la dégradation de la molécule d’eau appelée photolyse, se réalise au niveau de la membrane des sacs internes du chloroplaste. Elle libère des ions hydrogène et des électrons pris en charge par des molécules intermédiaires qui les emmèneront sur le lieu de la deuxième série de réactions.
• l’incorporation du CO₂ en glucose se fait dans la matrice du chloroplaste grâce un catalyseur biochimique. Cette molécule est appelée une enzyme.  Cette dernière transforme donc un substrat (molécule qui sera transformée, ici le CO₂) en un produit (molécule obtenue après transformation, ici le glucose) selon un cycle de réactions faisant intervenir les molécules intermédiaires précédemment produites.

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Nous avons donc ici une succession de réactions biochimiques transformant une molécule en une autre : on parle de voie métabolique.

La respiration, deuxième grande voie énergétique présente également une succession de réactions se déroulant elles aussi dans des compartiments différents de la cellule. Le glucose n’est pas directement dégradé en CO₂ et H₂O.  Il va tout d’abord subir une transformation biochimique dans le cytoplasme appelé « glycolyse » : suite à l’action de plusieurs enzymes, un glucose  à 6 carbones va donner deux exemplaires d’une molécule à trois carbones appelée « pyruvate ». Ce sont ces deux molécules de pyruvate qui vont pénétrer dans la mitochondrie et subir une autre série de transformations biochimiques réalisées elles aussi par des enzymes dont l’ensemble des réactions fonctionne de manière cyclique aboutissant à la libération d’énergie et de CO₂. L’ensemble de ses réactions nécessite l’aide de molécules intermédiaires qui vont récupérer les électrons et les ions hydrogène libérés lors de la dégradation du pyruvate et qui seront à leur tour à l’origine de la production des molécules énergétiques par une chaîne de transporteurs d’électrons situés dans la membrane interne des mitochondries. La mitochondrie peut donc être considérée comme la centrale énergétique des cellules. 

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Photosynthèse et Respiration sont donc des réactions appartenant à des métabolismes interconnectés car les produits de la photosynthèse servent à la respiration. 

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Il existe d’autres métabolismes liés à la présence d’enzymes différentes de celles de la photosynthèse ou de la respiration. On peut citer par exemple les enzymes digestives des cellules gastriques et intestinales qui dégradent les aliments en nutriments. On peut citer également les enzymes qui catalysent la transformation des molécules simples en molécules complexes comme par exemple les enzymes à l’origine de la transformation du glucose en glycogène de réserve dans les cellules musculaires.

Enzymes digestives et leur lieu de production :

Source : 2517 Protein-Digesting Enzymes.jpg par OpenStax Anatomie et Physiologie via Wikimédia commons,  CC-BY-4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2517_Protein-Digesting_Enzymes.jpg

Le métabolisme d’une cellule dépend donc de son équipement en organites et en enzymes. Ce métabolisme conditionnera les échanges de la cellule avec les cellules voisines et donc les échanges de l’organisme avec le milieu extérieur.

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Le métabolisme des cellules - SVT - LA VIE 2nde #2- Mathrix