6.1 : Énergie et métabolisme

Compétences à développer

• Expliquer ce que sont les voies métaboliques et décrire les deux principaux types de voies métaboliques
• Expliquer comment les réactions chimiques jouent un rôle dans le transfert d'énergie

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour discuter du concept de flux d'énergie (Figure\(\PageIndex{1}\)) à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la dégradation de molécules complexes se produisent par des réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que d'autres nécessitent de l'énergie pour se produire. Tout comme les êtres vivants doivent continuellement consommer de la nourriture pour reconstituer ce qui a été utilisé, les cellules doivent produire continuellement plus d'énergie pour reconstituer celle utilisée par les nombreuses réactions chimiques nécessitant de l'énergie qui se produisent constamment. Toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules, y compris celles qui consomment de l'énergie et celles qui libèrent de l'énergie, constituent le métabolisme de la cellule.

Figure\(\PageIndex{1}\) : La plupart des formes de vie sur Terre tirent leur énergie du soleil. Les plantes utilisent la photosynthèse pour capter la lumière du soleil, et les herbivores mangent ces plantes pour obtenir de l'énergie. Les carnivores mangent les herbivores et les décomposeurs digèrent les matières végétales et animales.

Métabolisme des glucides

Le métabolisme du sucre (un glucide simple) est un exemple classique des nombreux processus cellulaires qui utilisent et produisent de l'énergie. Les êtres vivants consomment du sucre comme source d'énergie majeure, car les molécules de sucre stockent une grande quantité d'énergie dans leurs liaisons. La décomposition du glucose, un sucre simple, est décrite par l'équation suivante :

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

Les glucides consommés proviennent d'organismes photosynthétiques tels que les plantes (Figure 6.1.2). Lors de la photosynthèse, les plantes utilisent l'énergie du soleil pour convertir le dioxyde de carbone (CO ₂) en molécules de sucre, comme le glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆). Comme ce processus implique la synthèse d'une molécule plus grande stockant de l'énergie, il nécessite un apport d'énergie pour se poursuivre. La synthèse du glucose est décrite par cette équation (notez que c'est l'inverse de l'équation précédente) :

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

Lors des réactions chimiques de la photosynthèse, l'énergie est fournie sous la forme d'une molécule à très haute énergie appelée ATP, ou adénosine triphosphate, qui est la principale monnaie énergétique de toutes les cellules. Tout comme le dollar est utilisé comme monnaie pour acheter des biens, les cellules utilisent des molécules d'ATP comme monnaie énergétique pour effectuer un travail immédiat. Le sucre (glucose) est stocké sous forme d'amidon ou de glycogène. Les polymères stockant de l'énergie comme ceux-ci sont décomposés en glucose pour fournir des molécules d'ATP.

L'énergie solaire est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse du soleil est d'abord transformée en énergie chimique qui est stockée dans le temps dans les molécules porteuses d'énergie ATP et NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). L'énergie stockée dans l'ATP et le NADPH est ensuite utilisée lors de la photosynthèse pour construire une molécule de glucose à partir de six molécules de CO ₂. Ce processus est similaire au petit déjeuner du matin pour acquérir de l'énergie pour votre corps qui pourra être utilisée plus tard dans la journée. Dans des conditions idéales, l'énergie de 18 molécules d'ATP est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Les molécules de glucose peuvent également être combinées et converties en d'autres types de sucres. Lorsque les sucres sont consommés, les molécules de glucose finissent par se retrouver dans chaque cellule vivante de l'organisme. À l'intérieur de la cellule, chaque molécule de sucre est décomposée par une série complexe de réactions chimiques. Le but de ces réactions est de récolter l'énergie stockée dans les molécules de sucre. L'énergie récoltée est utilisée pour fabriquer des molécules d'ATP à haute énergie, qui peuvent être utilisées pour effectuer des travaux, provoquant de nombreuses réactions chimiques dans la cellule. La quantité d'énergie nécessaire pour fabriquer une molécule de glucose à partir de six molécules de dioxyde de carbone est de 18 molécules d'ATP et de 12 molécules de NADPH (chacune étant énergétiquement équivalente à trois molécules d'ATP), soit un total de 54 équivalents moléculaires nécessaires à la synthèse d'une molécule de glucose. Ce processus est un moyen fondamental et efficace pour les cellules de générer l'énergie moléculaire dont elles ont besoin.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les plantes, comme ce chêne et ce gland, utilisent l'énergie du soleil pour fabriquer du sucre et d'autres molécules organiques. Les plantes et les animaux (comme cet écureuil) utilisent la respiration cellulaire pour tirer de l'énergie des molécules organiques produites à l'origine par les plantes. (crédit « gland » : modification de l'œuvre de Noel Reynolds ; crédit « écureuil » : modification de l'œuvre de Dawn Huczek)

Voies métaboliques

Les processus de fabrication et de dégradation des molécules de sucre illustrent deux types de voies métaboliques. Une voie métabolique est une série de réactions biochimiques interconnectées qui convertissent une ou plusieurs molécules de substrat, étape par étape, via une série d'intermédiaires métaboliques, pour finalement aboutir à un ou plusieurs produits finaux. Dans le cas du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétisait le sucre à partir de molécules plus petites, et l'autre voie décomposait le sucre en molécules plus petites. Ces deux processus opposés, le premier nécessitant de l'énergie et le second produisant de l'énergie, sont appelés voies anaboliques (construction) et cataboliques (dégradation), respectivement. Par conséquent, le métabolisme est composé de construction (anabolisme) et de dégradation (catabolisme).

Evolution Connection : évolution des voies métaboliques

Figure\(\PageIndex{3}\) : Cet arbre montre l'évolution des différentes branches de la vie. La dimension verticale est le temps. Les premières formes de vie, en bleu, utilisaient le métabolisme anaérobie pour obtenir de l'énergie de leur environnement.

La complexité du métabolisme ne se limite pas à la simple compréhension des voies métaboliques. La complexité métabolique varie d'un organisme à l'autre. La photosynthèse est la principale voie par laquelle les organismes photosynthétiques tels que les plantes (la majeure partie de la synthèse mondiale est réalisée par les algues planctoniques) récoltent l'énergie du soleil et la convertissent en glucides. Le sous-produit de la photosynthèse est l'oxygène, dont certaines cellules ont besoin pour effectuer la respiration cellulaire. Pendant la respiration cellulaire, l'oxygène contribue à la dégradation catabolique des composés carbonés, tels que les glucides. Parmi les produits de ce catabolisme figurent le CO2 et l'ATP. De plus, certains eucaryotes effectuent des processus cataboliques sans oxygène (fermentation), c'est-à-dire qu'ils effectuent ou utilisent un métabolisme anaérobie.

Les organismes ont probablement développé un métabolisme anaérobie pour survivre (les organismes vivants ont vu le jour il y a environ 3,8 milliards d'années, lorsque l'atmosphère manquait d'oxygène). Malgré les différences entre les organismes et la complexité du métabolisme, les chercheurs ont découvert que toutes les branches de la vie partagent certaines des mêmes voies métaboliques, ce qui suggère que tous les organismes ont évolué à partir du même ancêtre commun ancien (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les preuves indiquent qu'au fil du temps, les voies ont divergé, ajoutant des enzymes spécialisées pour permettre aux organismes de mieux s'adapter à leur environnement, augmentant ainsi leurs chances de survie. Cependant, le principe sous-jacent demeure que tous les organismes doivent récolter l'énergie de leur environnement et la convertir en ATP pour exercer leurs fonctions cellulaires.

Voies anaboliques et cataboliques

Les voies anaboliques nécessitent un apport d'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples. La synthèse de sucre à partir de CO ₂ en est un exemple. D'autres exemples sont la synthèse de grosses protéines à partir d'éléments constitutifs d'acides aminés et la synthèse de nouveaux brins d'ADN à partir de composants d'acides nucléiques. Ces processus de biosynthèse sont essentiels à la vie de la cellule, se déroulent en permanence et nécessitent de l'énergie fournie par l'ATP et d'autres molécules à haute énergie comme le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) et le NADPH (Figure\(\PageIndex{4}\)).

L'ATP est une molécule importante que les cellules doivent avoir en quantité suffisante à tout moment. La décomposition des sucres montre comment une seule molécule de glucose peut emmagasiner suffisamment d'énergie pour fabriquer une grande quantité d'ATP, soit 36 à 38 molécules. Il s'agit d'une voie catabolique. Les voies cataboliques impliquent la dégradation (ou la décomposition) de molécules complexes en molécules plus simples. L'énergie moléculaire stockée dans les liaisons de molécules complexes est libérée par des voies cataboliques et récoltée de manière à pouvoir être utilisée pour produire de l'ATP. D'autres molécules stockant de l'énergie, telles que les graisses, sont également décomposées par des réactions cataboliques similaires pour libérer de l'énergie et fabriquer de l'ATP (Figure\(\PageIndex{4}\)).

Il est important de savoir que les réactions chimiques des voies métaboliques ne se produisent pas spontanément. Chaque étape de réaction est facilitée, ou catalysée, par une protéine appelée enzyme. Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques, qu'elles nécessitent de l'énergie ou qu'elles libèrent de l'énergie.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Les voies anaboliques sont celles qui nécessitent de l'énergie pour synthétiser des molécules plus grosses. Les voies cataboliques sont celles qui génèrent de l'énergie en décomposant des molécules plus grosses. Les deux types de voies sont nécessaires au maintien de l'équilibre énergétique de la cellule.

Résumé

Les cellules remplissent les fonctions de la vie par le biais de diverses réactions chimiques. Le métabolisme d'une cellule fait référence aux réactions chimiques qui s'y produisent. Certaines réactions métaboliques impliquent la décomposition de produits chimiques complexes en substances plus simples, telles que la décomposition de grosses macromolécules. Ce processus est appelé catabolisme et de telles réactions sont associées à une libération d'énergie. À l'autre bout du spectre, l'anabolisme fait référence à des processus métaboliques qui construisent des molécules complexes à partir de molécules plus simples, comme la synthèse de macromolécules. Les processus anaboliques nécessitent de l'énergie. La synthèse et la dégradation du glucose sont des exemples de voies anaboliques et cataboliques, respectivement.

Lexique

anabolisant

(également, l'anabolisme) voies qui nécessitent un apport d'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples

bioénergétique

étude de la circulation de l'énergie dans les systèmes vivants

catabolique

(également, catabolisme) voies dans lesquelles les molécules complexes sont décomposées en molécules plus simples

métabolisme

toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules, y compris l'anabolisme et le catabolisme