Le métabolisme des cellules

Cours complet · SVT (seconde), chapitre 3 · seconde générale, sciences de la vie et de la Terre

3.1 Le métabolisme, ensemble des réactions chimiques de la cellule

Une cellule vivante n'est jamais chimiquement immobile : à chaque instant, des molécules y sont fabriquées, transformées ou dégradées. L'ensemble de ces transformations chimiques constitue le métabolisme de la cellule.

Définition 3.1Métabolisme

Le métabolisme d'une cellule est l'ensemble des réactions chimiques qui s'y déroulent, permettant la fabrication (synthèse) et la dégradation de molécules organiques. Ces réactions fournissent à la cellule la matière et l'énergie nécessaires à son fonctionnement, sa croissance et sa reproduction.

Toutes les cellules ont un métabolisme, mais la façon dont elles se procurent la matière organique (molécules carbonées comme le glucose, les protéines ou les lipides) qui leur est indispensable permet de distinguer deux grands types cellulaires.

3.1.1 Cellules autotrophes et cellules hétérotrophes

Définition 3.2Cellule autotrophe

Une cellule autotrophe est une cellule capable de fabriquer sa propre matière organique à partir de matière strictement minérale (dioxyde de carbone, eau, ions minéraux) et d'une source d'énergie externe, le plus souvent la lumière. C'est le cas des cellules chlorophylliennes des végétaux, qui réalisent la photosynthèse.

Définition 3.3Cellule hétérotrophe

Une cellule hétérotrophe est une cellule incapable de fabriquer seule sa matière organique : elle doit la prélever, déjà formée, dans son milieu. C'est le cas de toutes les cellules animales et des cellules des champignons, qui se nourrissent de matière organique produite par d'autres organismes.

Exemple 3.4Deux stratégies opposées

Une cellule de feuille de laitue, exposée à la lumière, peut fabriquer du glucose uniquement à partir de CO $_{2}$ atmosphérique, d'eau et de sels minéraux du sol : elle est autotrophe. À l'inverse, une cellule de notre intestin ne peut pas fabriquer de glucose à partir de CO $_{2}$ ; elle doit le récupérer dans les aliments digérés : elle est hétérotrophe. Les levures, champignons unicellulaires, sont également hétérotrophes : elles puisent le glucose du milieu (par exemple le sucre d'un moût de raisin).

Le schéma ci-dessous résume cette opposition entre les deux modes de nutrition cellulaire.

Les échanges de matière et d'énergie de deux cellules. À gauche, la cellule autotrophe chlorophyllienne prélève du minéral (CO

_{2}

, H

_{2}

O) et de la lumière, et produit de la matière organique (glucose) et du O

_{2}

. À droite, la cellule hétérotrophe prélève de la matière organique (glucose) déjà formée et du O

_{2}

, et rejette du CO

_{2}

et de l'eau en libérant de l'énergie.

3.2 La photosynthèse : produire de la matière organique

Définition 3.5Photosynthèse

La photosynthèse est la réaction chimique par laquelle une cellule chlorophyllienne, grâce à l'énergie lumineuse captée par la chlorophylle, transforme du dioxyde de carbone et de l'eau en matière organique (glucose), en libérant du dioxygène. Elle a lieu dans un organite spécialisé, le chloroplaste.

Propriété : Bilan de la photosynthèse

En présence de lumière, le bilan simplifié de la photosynthèse s'écrit :

$6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O lumi e ˋ re C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2}$

soit, en toutes lettres : dioxyde de carbone + eau, en présence de lumière, donnent du glucose et du dioxygène. Cette réaction consomme du CO $_{2}$ et de l'eau, et produit de la matière organique ainsi que du O $_{2}$ rejeté dans le milieu.

Méthode : Mettre en évidence la photosynthèse par ExAO

On peut suivre la photosynthèse d'un végétal aquatique (élodée) grâce à un dispositif d'ExAO (Expérimentation Assistée par Ordinateur) équipé d'une sonde à dioxygène.

Placer un fragment d'élodée dans une enceinte fermée contenant de l'eau, avec la sonde à O $_{2}$ immergée.
Enregistrer la concentration en O $_{2}$ dans l'enceinte à l'obscurité, puis sous un éclairage croissant.
Interpréter : à l'obscurité, la concentration en O $_{2}$ stagne ou diminue légèrement (seule la respiration a lieu) ; sous lumière, elle augmente : la photosynthèse produit du O $_{2}$ plus vite que la respiration n'en consomme.
Recommencer en faisant varier l'intensité lumineuse ou la teneur en CO $_{2}$ du milieu, pour montrer que ce sont des facteurs limitants de la photosynthèse.

3.3 La respiration cellulaire : libérer de l'énergie

Que la cellule soit autotrophe ou hétérotrophe, elle a besoin d'énergie pour fonctionner. Cette énergie est libérée par la dégradation de la matière organique.

Définition 3.6Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est la réaction chimique par laquelle une cellule dégrade du glucose en présence de dioxygène, produisant du dioxyde de carbone, de l'eau, et libérant de l'énergie utilisable par la cellule. Elle a lieu principalement dans un organite, la mitochondrie.

Propriété : Bilan de la respiration

Le bilan simplifié de la respiration cellulaire s'écrit :

$C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2} 6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O + e ˊ nergie$

soit : glucose + dioxygène donnent dioxyde de carbone + eau, et libèrent de l'énergie. La respiration est en quelque sorte la réaction inverse de la photosynthèse : elle consomme ce que la photosynthèse produit, et réciproquement.

Exemple 3.7Toutes les cellules respirent

Une cellule chlorophyllienne réalise la photosynthèse le jour, mais elle respire en permanence, jour et nuit, pour produire l'énergie dont elle a besoin. La nuit, en l'absence de lumière, seule la respiration a lieu et la plante consomme du O $_{2}$ et rejette du CO $_{2}$ , comme une cellule animale.

3.4 La fermentation : dégrader le glucose sans dioxygène

Certaines cellules, notamment les levures, peuvent dégrader le glucose même en absence de dioxygène, grâce à une autre voie métabolique.

Définition 3.8Fermentation

La fermentation est une réaction chimique de dégradation du glucose qui se déroule sans dioxygène, produisant de l'énergie ainsi que des déchets organiques (comme l'éthanol et le CO $_{2}$ , ou l'acide lactique selon les organismes).

Propriété : Deux exemples de fermentation

Fermentation alcoolique (levures) :

$C X_{6} H X_{12} O X_{6} 2 C X_{2} H X_{5} OH + 2 CO X_{2} + e ˊ nergie$

glucose donne éthanol + dioxyde de carbone, et libère de l'énergie.

Fermentation lactique (certaines bactéries, cellules musculaires en effort intense) :

$C X_{6} H X_{12} O X_{6} 2 CH X_{3} - CHOH - COOH + e ˊ nergie$

glucose donne acide lactique, et libère de l'énergie.

La fermentation libère moins d'énergie que la respiration pour une même quantité de glucose dégradée.

Exemple 3.9Les levures, un métabolisme à deux visages

La levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) est capable des deux voies de dégradation du glucose :

en présence de dioxygène, elle respire : elle dégrade complètement le glucose en CO $_{2}$ et H $_{2}$ O, en tirant un maximum d'énergie ;
en absence de dioxygène, elle fermente : elle dégrade le glucose en éthanol et CO $_{2}$ , en tirant moins d'énergie.

C'est cette fermentation alcoolique qui est exploitée en boulangerie (le CO $_{2}$ fait lever la pâte) et en œnologie (l'éthanol produit lors de la fermentation du moût de raisin donne le vin).

Le schéma suivant met en parallèle les deux voies de dégradation du glucose : l'orientation vers la respiration ou vers la fermentation dépend de la présence ou de l'absence de dioxygène.

Deux voies de dégradation du glucose selon la disponibilité en dioxygène. En présence de O $_{2}$ , la cellule respire : le glucose est complètement dégradé en CO

_{2}

et H

_{2}

O, ce qui libère beaucoup d'énergie. En l'absence de O $_{2}$ , elle fermente : le glucose n'est que partiellement dégradé (en éthanol et CO

_{2}

, ou en acide lactique), ce qui libère peu d'énergie.

Méthode : Comparer respiration et fermentation par ExAO

On dispose de deux tubes contenant une suspension de levures dans une solution de glucose, équipés chacun d'une sonde à O $_{2}$ et d'une sonde à CO $_{2}$ reliées à un ordinateur.

Tube 1 : milieu aéré (O $_{2}$ disponible). Tube 2 : milieu privé de dioxygène (bullage de diazote, ou tube bouché).
Enregistrer simultanément les concentrations en O $_{2}$ et en CO $_{2}$ dans chaque tube.
Interpréter : dans le tube 1, on observe une consommation de O $_{2}$ couplée à un dégagement de CO $_{2}$ (respiration). Dans le tube 2, on observe un dégagement de CO $_{2}$ sans consommation de O $_{2}$ (fermentation).

Cette expérience montre que la voie métabolique empruntée par une même cellule dépend directement des conditions du milieu (ici, la présence ou l'absence de O $_{2}$ ).

Dégagement de CO

_{2}

par une suspension de levures suivie par ExAO, en présence (tube 1) et en l'absence (tube 2) de dioxygène. Dans les deux tubes, la quantité de CO

_{2}

augmente : les levures dégradent le glucose dans les deux conditions. Mais le dégagement est plus rapide et plus abondant avec O $_{2}$ (respiration, dégradation complète) qu'en son absence (fermentation, dégradation partielle), ce qui traduit le rendement énergétique bien supérieur de la respiration.

3.5 Les enzymes, catalyseurs des réactions du métabolisme

Aucune des réactions précédentes ne se produirait spontanément, ou à une vitesse suffisante, sans l'intervention de molécules spécialisées : les enzymes.

Définition 3.10Enzyme

Une enzyme est une molécule, le plus souvent une protéine, qui accélère très fortement une réaction chimique donnée sans être elle-même consommée : c'est un catalyseur biologique. Chaque enzyme est spécifique : elle ne catalyse en général qu'une seule réaction, sur un substrat particulier.

Propriété : Rôle des enzymes dans le métabolisme

Chaque étape des voies métaboliques (photosynthèse, respiration, fermentation) est catalysée par une enzyme différente. L'ensemble ordonné de ces enzymes forme une véritable chaîne de production qui transforme progressivement les molécules de départ en produits finaux.

3.6 Un métabolisme sous double contrôle

Le métabolisme d'une cellule n'est ni figé ni identique d'une cellule à l'autre : il dépend à la fois de ce que la cellule est (son patrimoine génétique) et de ce qui l'entoure (son environnement).

Propriété : Contrôle génétique du métabolisme

Les enzymes qui catalysent les réactions du métabolisme sont des protéines, et toute protéine est codée par un gène. Le patrimoine génétique (l'ADN) d'une cellule détermine donc quelles enzymes elle peut fabriquer, et par conséquent quelles réactions métaboliques elle est capable de réaliser. C'est pourquoi seules les cellules possédant les gènes codant les enzymes de la photosynthèse (et les chloroplastes correspondants) sont autotrophes.

La chaîne de causalité qui relie le patrimoine génétique au métabolisme peut se résumer ainsi :

Du gène à la réaction métabolique. Chaque gène de l'ADN porte l'information nécessaire à la fabrication d'une enzyme (une protéine) ; cette enzyme catalyse une réaction précise du métabolisme. Le patrimoine génétique d'une cellule fixe ainsi la liste des réactions qu'elle est capable de réaliser.

Propriété : Contrôle environnemental du métabolisme

Même lorsqu'une cellule possède les gènes nécessaires, l'activité effective de ses voies métaboliques dépend des conditions du milieu : disponibilité en lumière, en dioxygène, en nutriments (glucose, sels minéraux), température, etc. Une même cellule peut ainsi emprunter des voies métaboliques différentes selon son environnement.

Exemple 3.11Bilan sur les levures

Les levures illustrent parfaitement ce double contrôle : leur patrimoine génétique leur permet de posséder à la fois les enzymes de la respiration et celles de la fermentation, mais c'est l'environnement (présence ou absence de O $_{2}$ ) qui détermine laquelle de ces deux voies est effectivement utilisée à un instant donné.

3.7 Ce qu'il faut retenir

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques d'une cellule.
Les cellules autotrophes (ex. cellules chlorophylliennes) fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale et de lumière, par photosynthèse.
Les cellules hétérotrophes (ex. cellules animales, levures) prélèvent leur matière organique déjà formée dans le milieu.
La respiration (avec O $_{2}$ ) et la fermentation (sans O $_{2}$ ) sont deux voies de dégradation du glucose qui libèrent de l'énergie.
Toutes ces réactions sont catalysées par des enzymes, protéines spécifiques codées par des gènes.
Le métabolisme d'une cellule dépend à la fois de son patrimoine génétique et de son environnement.

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