INTRODUCTION

La cellule vivante est le siège des conversions énergétiques : elle dégrade en permanence des molécules prélevées dans le milieu extracellulaire pour en tirer l’énergie qui lui est indispensable.

Des observations et expériences simples permettent de déterminer la nature des molécules et le mécanisme de leur conversion pour générer l’ATP, seule source d’énergie utilisable par la cellule.

1- La nature des métabolites utilisés

1.1.Définitions

Les nutriments sont des molécules organiques ou minérales qui n’ont pas besoin d’être transformées pour être absorbées et utilisées par une cellule.

Les nutriments organiques proviennent des aliments après action des enzymes digestives.

Les métabolites sont les molécules transformées par les réactions enzymatiques afin de produire de l’énergie ou d’autres composés chimiques.

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques de transformation de matière et d’énergie qui s’accomplissent dans toutes les cellules vivantes.

Le métabolisme regroupe deux types de réactions :

• les réactions de dégradation de la matière (catabolisme) qui produisent de l’énergie : réactions exergoniques ou exothermiques;
• les réactions de synthèse de la matière (anabolisme) qui consomment de l’énergie : réactions endothermiques ou endergoniques.

 1.2. Les métabolites utilisés par les cellules

 L’eau iodée colore un tubercule en bleu et un tissu hépatique en brun acajou preuve que ces tissus contiennent respectivement de l’amidon et du glycogène.

L’amidon et le glycogène sont des formes de mise en réserve du glucose dans les cellules vivantes végétales et animales respectivement.

D’une manière générale, les principaux métabolites utilisés par la cellule sont : le glucose, les acides gras, les triglycérides (lipides) et les acides aminés.

Certaines cellules : neurones ou cellules nerveuses, les hématies ou globules rouges, les cellules de la médullosurrénale ne peuvent utiliser que le glucose : ce sont des cellules glucodépendantes.

 2- La production de l’énergie et la restauration de l’ATP

Activité :

Deux mécanismes permettent de restaurer l’ATP :

• – La respiration qui permet la production de 38 molécules d’ATP par molécule de glucose respiré ;
• – La fermentation qui permet la production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose fermenté.

Les deux mécanismes se font en plusieurs étapes.

2.1- La glycolyse : première étape de la respiration et des fermentations

Elle se déroule dans le cytosol de la cellule.

La glycolyse est une série de plusieurs réactions catalysées chacune par une enzyme spécifique à l’issue de laquelle une molécule de glucose est scindée en deux molécules d’acide oxo-2-propanoïque ou acide pyruvique (pyruvate : CH3COCOOH).

Une partie de l’énergie fournie par cette dégradation partielle du glucose permet de reconstituer quatre molécules d’ATP. De plus deux molécules d’hydrogène sont prises en charge par deux transporteurs oxydés qui prennent la forme réduite : il s’agit des molécules de nicotinamide adénine dinucléotide (NAD). On parle d’une déshydrogénation du glucose.

Bilan de la glycolyse :

2.2- Seconde étape de la dégradation des métabolites

Le devenir du pyruvate dépend de la quantité de dioxygène disponible dans le milieu et de l’équipement enzymatique des cellules.

a- Cas des fermentations

Le pyruvate est transformé en éthanol (CH3CH2OH) lors de la fermentation alcoolique ; réactions enzymatiques au cours desquelles les transporteurs oxydés sont régénérés.

b- Cas de la respiration

i- Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs se déroule dans la mitochondrie, uniquement en milieu aérobie (en présence du dioxygène).

Le cycle de Krebs une série de réactions enzymatiques à l’issue de laquelle le pyruvate est totalement dégradé en dioxyde de carbone (décarboxylations).

L’énergie libérée permet de régénérer 2 molécules d’ATP : c’est la phosphorylation liée au substrat. Par ailleurs, il y a production de 10 molécules de transporteurs d’hydrogène réduits : 2 flavine adénine dinucléotide réduits (FADH2) et 8 nicotinamide adénine dinucléotide réduits (NADH2).

Le bilan du cycle de Krebs peut s’écrire ainsi qu’il suit :

2 pyruvates + 2 NAD  → 2 acétyl coenzyme A + 2 CO2 + 2 NADH2

2 CH3CO-CoA + 6 H2O → 4 CO2 + 8 H2

              6 NAD + 6H2 → 6 NADH2

                2 FAD + 2H2 → 2 FADH2

               2 ADP + 2 Pi → 2 ATP

         2 pyruvate + 6H2O + 8 NAD + 2 FAD + 2ADP + 2Pi → 6CO2 + 8 NADH2 + 2FADH2 + 2ATP.

ii- La chaîne respiratoire

C’est une série de réactions qui se déroule grâce aux enzymes (ATP synthétases) fixées au niveau des crêtes mitochondriales (sphères pédonculées).

Les atomes d’hydrogènes sont pris en charge par une succession de transporteurs. Le passage de l’un à l’autre s’accompagne d’une libération d’énergie ; celle-ci est suffisante pour régénérer de nombreuses molécules d’ATP :

• 3 molécules d’ATP par molécule de NADH2 ;
• 2 molécules d’ATP par molécule de FADH2.

Ce sont des phosphorylations oxydatives ; une ATP synthétase est indispensable à ces réactions.

Au bout de la chaîne respiratoire, les atomes d’hydrogène se combinent à l’oxygène (accepteur final des électrons) pour donner l’eau.

Bilan de la chaîne respiratoire :

         10 NADH2 → 10 NAD + 10 H2

           2 FADH2 → 2 FAD + 2 H2

     6 O2 + 12 H2 → 12 H2O

34 ADP + 34 Pi → 34 ATP

       10 NADH2 + 2 FADH2 + 6 O2 + 34 ADP + 34 Pi → 10 NAD + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP.