6.1 Énergie et métabolisme
Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :
- Expliquer les voies métaboliques et décrire les deux principaux types de voies métaboliques
- Discuter du rôle des réactions chimiques dans le transfert d’énergie
Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour parler du concept de flux d’énergie (Figure 6.2) dans les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par le biais de réactions chimiques progressives. 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 qu’ils ont utilisé, les cellules doivent continuellement obtenir plus d’énergie pour reconstituer ce que les nombreuses réactions chimiques exigeant de l’énergie qui ont lieu en permanence utilisent. Toutes les réactions chimiques qui se produisent à l’intérieur des cellules, y compris celles qui utilisent et libèrent de l’énergie, constituent le métabolisme de la cellule.
Métabolisme des glucides
Le métabolisme (réactions chimiques) 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 principale source d’énergie, car les molécules de sucre ont une énergie considérable stockée dans leurs liaisons. L’équation suivante décrit la décomposition du glucose, un sucre simple :
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + énergie
Les glucides consommés proviennent d’organismes photosynthétiques tels que les plantes (Figure 6.3). Au cours de la photosynthèse, les plantes utilisent l’énergie de la lumière solaire pour convertir le gaz carbonique (CO2) en molécules de sucre, comme le glucose (C6H12O6). Comme ce processus implique la synthèse d’une molécule plus grande, stockant de l’énergie, il nécessite un apport d’énergie pour se produire. L’équation suivante (remarquez qu’elle est l’inverse de l’équation précédente) décrit la synthèse du glucose :
6CO2 + 6H2O + énergie → C6H12O6 + 6O2
Au cours des réactions chimiques de la photosynthèse, l’énergie se présente sous la forme d’une molécule très énergétique que les scientifiques appellent ATP, ou adénosine triphosphate. Il s’agit de la principale source d’énergie de toutes les cellules. Tout comme le dollar est la monnaie que nous utilisons pour acheter des biens, les cellules utilisent les molécules d’ATP comme monnaie d’énergie pour effectuer un travail immédiat. Le sucre (glucose) est stocké sous forme d’amidon ou de glycogène. Les polymères stockant l’énergie comme ceux-ci se décomposent en glucose pour fournir des molécules d’ATP.
L’énergie solaire est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Dans la photosynthèse, l’énergie lumineuse du soleil se transforme d’abord en énergie chimique qui se stocke temporellement dans les molécules porteuses d’énergie ATP et NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). La photosynthèse utilise ensuite l’énergie stockée dans l’ATP et le NADPH pour construire une molécule de glucose à partir de six molécules de CO2. Ce processus est analogue à la prise d’un petit-déjeuner le matin, qui permet d’acquérir de l’énergie pour le corps et de l’utiliser 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 se combiner et se transformer en d’autres types de sucre. Lorsqu’un organisme consomme des sucres, les molécules de glucose finissent par pénétrer dans la cellule vivante de chaque 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 produit des molécules d’ATP à haute énergie, qui effectuent un travail, alimentant 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 de molécules 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.
Voies métaboliques
Les processus de fabrication et de décomposition 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, à travers une série d’intermédiaires métaboliques, pour finalement donner un ou plusieurs produits finaux. Dans le cas du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétise le sucre à partir de molécules plus petites, et l’autre voie décompose le sucre en molécules plus petites. Les scientifiques appellent ces deux processus opposés – le premier nécessitant de l’énergie et le second en produisant – respectivement les voies anaboliques (construction) et cataboliques (dégradation). Par conséquent, le métabolisme comprend la construction (anabolisme) et la dégradation (catabolisme).
Lien avec l’évolution
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Figure 6.4 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 un métabolisme anaérobie pour obtenir de l’énergie à partir de leur environnement.
Évolution des voies métaboliques
La complexité du métabolisme ne se résume pas à la seule compréhension des voies métaboliques. La complexité du métabolisme varie d’un organisme à l’autre. La photosynthèse est la voie principale par laquelle les organismes photosynthétiques tels que les plantes (les algues planctoniques réalisent la majorité de la photosynthèse dans le monde) récoltent l’énergie solaire et la convertissent en hydrates de carbone. Le sous-produit de la photosynthèse est l’oxygène, dont certaines cellules ont besoin pour effectuer la respiration cellulaire. Au cours de la respiration cellulaire, l’oxygène contribue à la décomposition catabolique des composés carbonés, tels que les hydrates de carbone. Parmi les produits, on trouve le CO2 et l’ATP. En outre, certains eucaryotes réalisent des processus cataboliques sans oxygène (fermentation), c’est-à-dire qu’ils réalisent ou utilisent un métabolisme anaérobie.
Les organismes ont probablement évolué vers un métabolisme anaérobie pour survivre (les organismes vivants sont apparus il y a environ 3,8 milliards d’années, lorsque l’atmosphère était dépourvue 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 (Figure 6.4). Il est prouvé 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 reste que tous les organismes doivent récolter l’énergie de leur environnement et la convertir en ATP pour assurer 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 du sucre à partir du CO2 en est un exemple. D’autres exemples sont la synthèse de grandes protéines à partir de blocs d’acides aminés et la synthèse de nouveaux brins d’ADN à partir de blocs d’acides nucléiques. Ces processus biosynthétiques sont essentiels à la vie de la cellule, se déroulent en permanence et nécessitent de l’énergie que l’ATP et d’autres molécules à haute énergie comme le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) et le NADPH fournissent (Figure 6.5).
L’ATP est une molécule importante que les cellules doivent avoir en quantité suffisante à tout moment. La décomposition des sucres illustre comment une seule molécule de glucose peut stocker suffisamment d’énergie pour produire 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 moléculaires complexes est libérée dans les voies cataboliques et récoltée de manière à produire de l’ATP. D’autres molécules stockant de l’énergie, telles que les graisses, se décomposent également par des réactions cataboliques similaires pour libérer de l’énergie et produire de l’ATP (Figure 6.5).
Il est important de savoir que les réactions chimiques de la voie métabolique ne se produisent pas spontanément. Une protéine appelée enzyme facilite ou catalyse chaque étape de la réaction. Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques – celles qui nécessitent de l’énergie comme celles qui en libèrent.
