C. Le flux d'énergie à travers la cellule
Toutes les cellules ont en commun la propriété fondamentale de croître et de se multiplier. Les cellules réalisent des échanges avec leur milieu. Elles prélèvent de la matière qu'elles utilisent et rejettent des déchets. La matière prélevée permet à la cellule de fabriquer ses constituants et de libérer de l'énergie. L'ensemble de ces réactions chimiques constituant le métabolisme cellulaire sont soit des réactions de dégradation, soit des réactions de synthèse de molécules organiques à partir du milieu extérieur. En effet, une cellule vivante, isolée ou associée à d'autres cellules au sein de l'organisme, dépense de l'énergie pour accomplir les différents travaux nécessaires à son maintien en vie.
1. Production d'énergie par la respiration
L'énergie est nécessaire dans la cellule à tous les endroits où s'effectuent les réactions chimiques qui constituent le métabolisme. Dans une molécule organique, les atomes sont ordonnés puisqu'ils sont maintenus par des liaisons covalentes, dans un certain ordre les uns par rapport aux autres. Les réactions d'oxydation (en présence d'oxygène, O2) ont pour effet de rompre ces liaisons, ce qui permet de produire de l'énergie.
Lors de la respiration, le glucose (molécule organique relativement complexe ; C6H12O6) est fragmenté en molécules plus simples (ex : CO2 (dioxyde de carbone), molécule minérale) après oxydation (réaction 1). Ainsi tous les êtres vivants (animaux ou végétaux) assurent par la respiration la minéralisation du carbone. Cette réaction a néanmoins permis l'assemblage (synthèse) d'une molécule d'ATP (adénosine triphosphate) à partir de deux autres molécules : ADP (adénosine diphosphate) et phosphate inorganique (Pi) :
C6H12O6 + 6O2 + ADP + Pi → 6CO2 + 6H2O + ATP |
2. L'ATP, agent de couplage réactionnel
Les cellules vivantes dépensent de l'énergie sous des formes très variées, chimique, mécanique, thermique et électrique. Pour couvrir ses différentes dépenses énergétiques, la cellule n'utilise pas directement les nutriments issus de la digestion des aliments mais des stocks d'énergie chimique immédiatement disponible représentés par des molécules phosphatées, dont la plus importante est l'ATP. Cette molécule est, pour une cellule, la seule source d'énergie chimique directement utilisable. L'ATP est une molécule universellement répandue chez les êtres vivants et est constitué d'adénine, d'un sucre (ribose) et de trois groupements phosphate (Doc. 16).
L'ATP est une molécule riche en énergie qu'elle peut libérer par hydrolyse. Cette destruction spontanée est catalysée par une enzyme (l'ATPase) permettant la rupture de la dernière liaison phosphate et la libération d'une molécule d'ADP avec libération d'énergie (réaction 2). C'est cette libération d'énergie lors de l'hydrolyse de l'ATP qui va servir à divers travaux cellulaires.
ATP → ADP + Pi |
La molécule d'ATP intervient dans de très nombreuses réactions dans la cellule, qui permettent de construire ou détruire des molécules complexes : lors de l'élaboration/destruction de ces molécules, l'ATP est hydrolysé, mais il est régénéré grâce à la respiration. On dit que l'ATP est un agent de couplage entre réactions, permettant ainsi un transfert d'énergie se produisant d'une molécule à l'autre. Il permet donc à la cellule de construire certaines molécules, à partir de la destruction de certaines autres. Un blocage de l'hydrolyse de l'ATP, par une substance chimique spécifique (un inhibiteur), entraîne l'arrêt immédiat de toute activité cellulaire, démontrant bien que la cellule puise l'énergie nécessaire à son fonctionnement à partir de l'hydrolyse de l'ATP.
3. Conversion de l'énergie des nutriments en ATP
 Document 17 : Observation d'une mitochondrie au microscope électronique | Dans une cellule, les réserves d'ATP sont très faibles. Pour reconstituer les molécules d'ATP, la cellule utilise l'énergie libérée lors de l'oxydation de molécules organiques. Cette synthèse d'ATP peut se faire selon deux types de mécanismes. La respiration consiste en une dégradation complète d'un métabolite organique (ex : le glucose) par oxydation en présence d'oxygène. Cette voie possède le meilleur rendement en ATP. Cette réaction, très importante pour les cellules qui peuvent la produire, se déroule au niveau d'un compartiment particulier appelé mitochondrie (organites clos limités par 2 membranes superposées). La membrane interne émet de nombreux replis (crêtes) qui cloisonnent l'intérieur de l'organite (= matrice) en compartiments communiquant entre eux (Doc. 17). C'est au niveau des crêtes que se fait la synthèse de l'ATP lors de la respiration. Les mitochondries sont particulièrement abondantes dans les cellules ayant une forte consommation d'énergie (fibres musculaires, spermatozoïdes...). |
En absence de dioxygène, la dégradation de la matière organique se fait au cours de la fermentation au niveau du cytoplasme. La dégradation de la matière organique est alors incomplète et s'accompagne de la production d'un déchet organique (de l'alcool dans le cas d'une fermentation alcoolique, et du lactate dans le cas d'une fermentation lactique). C'est la raison pour laquelle cette dégradation libère moins d'énergie sous forme d'ATP.
Qu'il s'agisse de la respiration ou de la fermentation, la dégradation des nutriments débute toujours dans le cytoplasme de la cellule par un processus complexe appelé la glycolyse. La glycolyse est une suite de réaction permettant la dégradation d'une molécule de glucose (molécule de 6 carbones) en deux molécules d'acide pyruvique (ou pyruvate, molécule de 3 carbones). Le bilan énergétique de la glycolyse se traduit par la synthèse de 2 moles d'ATP par mole de glucose oxydé.
Etant donné que la respiration se poursuit dans les mitochondries, l'acide pyruvique va entrer dans les mitochondries où il va être totalement dégradé au niveau de la matrice. La respiration cellulaire va permettre au total de produire 38 moles d'ATP par mole de glucose oxydé (contre 2 moles d'ATP lors de la fermentation), le reste de l'énergie étant dissipé sous forme de chaleur (Doc. 18).
Une fois synthétisé dans la mitochondrie, l'ATP peut diffuser dans toute la cellule et participer à la construction de molécules ou à la transmission d'informations, c'est à dire aux deux flux précédemment décrits.
