Résumé du chapitre
6.1 Énergie et métabolisme
Les cellules remplissent les fonctions vitales par le biais de diverses réactions chimiques. Le métabolisme d’une cellule fait référence aux réactions chimiques qui ont lieu à l’intérieur de celle-ci. Certaines réactions métaboliques impliquent la décomposition de substances chimiques complexes en substances plus simples, comme la décomposition de grandes macromolécules. Les scientifiques appellent ce processus le catabolisme, et nous associons ces réactions à une libération d’énergie. À l’autre extrémité du spectre, l’anabolisme fait référence aux processus métaboliques qui construisent des molécules complexes à partir de molécules plus simples, comme la synthèse des macromolécules. Les processus anaboliques nécessitent de l’énergie. La synthèse et la dégradation du glucose sont des exemples de voies anaboliques et cataboliques, respectivement.
6.2 Énergie potentielle, cinétique, libre et d’activation
L’énergie se présente sous différentes formes. Les objets en mouvement effectuent un travail physique, et l’énergie cinétique est l’énergie des objets en mouvement. Les objets qui ne sont pas en mouvement peuvent avoir la possibilité d’effectuer un travail et disposent donc d’une énergie potentielle. Les molécules ont également de l’énergie potentielle, car la rupture des liaisons moléculaires peut libérer de l’énergie. Les cellules vivantes dépendent de la récupération de l’énergie potentielle des liaisons moléculaires pour effectuer leur travail. L’énergie libre est une mesure de l’énergie disponible pour effectuer un travail. L’énergie libre d’un système change lors des transferts d’énergie tels que les réactions chimiques, et les scientifiques désignent ce changement par le terme ∆G.
Le ∆G d’une réaction peut être négatif ou positif, ce qui signifie que la réaction libère de l’énergie ou en consomme, respectivement. Une réaction dont le ∆G est négatif et qui produit de l’énergie est une réaction exergonique. Une réaction dont le ∆G est positif et qui nécessite un apport d’énergie est une réaction endergonique. Les réactions exergoniques sont spontanées parce que leurs produits ont moins d’énergie que leurs réactifs. Les produits des réactions endergoniques ont un état d’énergie plus élevé que les réactifs, il s’agit donc de réactions non spontanées. Cependant, toutes les réactions (y compris les réactions -∆G spontanées) nécessitent un apport initial d’énergie pour atteindre l’état de transition dans lequel elles se dérouleront. Cet apport initial d’énergie est l’énergie d’activation.
6.3 Les lois de la thermodynamique
Pour étudier l’énergie, les scientifiques utilisent le terme « système » pour désigner la matière et son environnement impliqués dans les transferts d’énergie. Tout ce qui se trouve à l’extérieur du système est l’environnement. Les cellules uniques sont des systèmes biologiques. Nous pouvons considérer que les systèmes présentent un certain degré d’ordre. Il faut de l’énergie pour rendre un système plus ordonné. Plus un système est ordonné, plus son entropie est faible. L’entropie est une mesure du désordre d’un système. Plus un système est désordonné, plus son énergie est faible et plus son entropie est élevée.
Les lois de la thermodynamique sont une série de lois qui décrivent les propriétés et les processus de transfert d’énergie. La première loi stipule que la quantité totale d’énergie dans l’univers est constante. Cela signifie que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transférée ou transformée. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que tout transfert d’énergie implique une perte d’énergie sous une forme inutilisable, telle que l’énergie thermique, ce qui entraîne un système plus désordonné. En d’autres termes, aucun transfert d’énergie n’est totalement efficace et tous les transferts tendent vers le désordre.
6.4 ATP Adénosine Triphosphate
L’ATP est la principale molécule fournissant de l’énergie aux cellules vivantes. L’ATP est composée d’un nucléotide, d’un sucre à cinq atomes de carbone et de trois groupes phosphates. Les liaisons qui relient les phosphates (liaisons phosphoanhydrides) ont un contenu énergétique élevé. L’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP en ADP + Pi assure le travail cellulaire. Les cellules utilisent l’ATP pour effectuer un travail en couplant la réaction exergonique de l’hydrolyse de l’ATP avec des réactions endergoniques. L’ATP donne son groupe phosphate à une autre molécule par le biais de la phosphorylation. La molécule phosphorylée se trouve dans un état énergétique plus élevé et est moins stable que sa forme non phosphorylée, et l’énergie supplémentaire apportée par le phosphate permet à la molécule de subir sa réaction endergonique.
6.5 Enzymes
Les enzymes sont des catalyseurs chimiques qui accélèrent les réactions chimiques à des températures physiologiques en abaissant leur énergie d’activation. Les enzymes sont généralement des protéines constituées d’une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Les enzymes ont un site actif qui fournit un environnement chimique unique, composé de certains groupes R d’acides aminés (résidus). Cet environnement unique est parfaitement adapté pour convertir des réactifs chimiques particuliers pour cette enzyme, que les scientifiques appellent substrats, en intermédiaires instables qu’ils appellent états de transition. Les enzymes et les substrats se lient avec un ajustement induit, ce qui signifie que les enzymes subissent de légers ajustements de conformation au contact du substrat, conduisant à une liaison complète et optimale. Les enzymes se lient aux substrats et catalysent les réactions de quatre manières différentes : en rassemblant les substrats dans une orientation optimale, en compromettant les structures de liaison des substrats de sorte que les liaisons puissent se rompre plus facilement, en fournissant des conditions environnementales optimales pour qu’une réaction se produise, ou en participant directement à leur réaction chimique en formant des liaisons covalentes transitoires avec les substrats.
L’action enzymatique doit être régulée de manière à ce que, dans une cellule donnée et à un moment donné, les réactions souhaitées se catalysent et que les réactions indésirables ne se catalysent pas. Les enzymes sont régulées par les conditions cellulaires, telles que la température et le pH. Elles sont également régulées par leur emplacement dans la cellule, parfois compartimentées de sorte qu’elles ne peuvent catalyser des réactions que dans certaines circonstances. L’inhibition et l’activation des enzymes par d’autres molécules sont d’autres moyens importants de régulation des enzymes. Les inhibiteurs peuvent agir de manière compétitive, non compétitive ou allostérique. Les inhibiteurs non compétitifs sont généralement allostériques. Les activateurs peuvent également améliorer la fonction enzymatique de manière allostérique. La méthode la plus courante par laquelle les cellules régulent les enzymes des voies métaboliques est l’inhibition par rétroaction. Lors de la rétro-inhibition, les produits de la voie métabolique servent d’inhibiteurs (généralement allostériques) d’une ou plusieurs enzymes (généralement la première enzyme engagée de la voie) impliquées dans la voie qui les produit.
