Biologie cellulaire et moléculaire : L Energétique cellulaire

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1 Biologie cellulaire et moléculaire : L Energétique cellulaire Introduction L existence de la cellule est définie par sa capacité à maintenir à l intérieur de sa membrane un milieu différent de ce qui se trouve à l extérieur. Cette particularité se fait par le transport membranaire, et surtout le transport actif, qui se réalise contre le gradient de concentration pour une substance donnée. En absence de ce type transport, le milieu intracellulaire devient identique au milieu extracellulaire, et la vie cesse. Ce transport nécessite une consommation d énergie qui est sans nul doute, l une des activités principales de la cellule. I Production et mise en réserve de l énergie. Dans la cellule, l énergie est produite à partir de molécules simples comme le glucose et les acides gras. Ces molécules constituent le substrat énergétique cellulaire. Elles proviennent de l alimentation. L organisme est capable d en stocker une certaine quantité sous forme de réserves glucidiques et lipidiques. La dégradation de ces molécules nécessite l intervention de nombreuses enzymes qui sont des protéines fabriquées par la cellule. Ainsi, les molécules sont dégradées en éléments plus simples (CO 2, O 2, H 2 O) grâce à l oxygène fourni par la respiration. Lors de cette dégradation, de l énergie est produite. Cette dernière peut être utilisée immédiatement ou stockée sous forme d ATP (Adénosine Triphosphate). I 1 Structure et fonction de l ATP. L ATP est une molécule complexe constituée de : - Une base azotée, l adénine. - Un glucide, le ribose. - Trois radicaux phosphates liés en eux. Les liaisons entre les groupes phosphates sont très énergétiques. Si le troisième groupe est détaché par l action de l eau (réaction d hydrolyse), il y aura une libération d énergie qui sera utilisée par la cellule. A l issue, de l Adénosine diphosphate (ADP) formée doit être régénérée en ADP, ce qui va demander de l énergie. Cette énergie provient de la «combustion» dans la cellule du glucose et des

2 lipides avec l utilisation d oxygène. Cette étape est la respiration cellulaire, qui se produit au niveau des mitochondries. I 2 Enzymes et catalyse enzymatique. Les enzymes sont des substances qui permettent d augmenter la vitesse d une réaction chimique, sans modifier les produits et sans déplacer son point d équilibre. I 2 1 Structure. Les enzymes sont des molécules dont la base est protéique. Elles sont également appelées biocatalyseurs. Certaines d entre elles, ont besoin d une «aide» pour remplir leur fonction, que sont les coenzymes (par exemple les vitamines, NAD (nicotinamide dinucléotide) et NADP.) Les molécules enzymes présentent «un site actif» qui est la portion de la molécule où se lie le substrat. Cette liaison se réalise grâce à la complémentarité des structures. I 2 3 Fonctions des enzymes. On observe diverses fonctions : - Certaines font augmenter la vitesse de réaction. Par exemple, soit A et B deux réactifs. C et D en sont les produits. C et D seront plus vite formés grâce à la présence des enzymes. (Ex : constante de Michaelis). - D autres permettent de rendre possibles des réactions biochimiques dans les conditions particulières de l organisme (Pression, température, ph). - Enfin, de coupler si nécessaire, des réactions consommatrices d énergie avec des réactions productrices d énergie (Ex : les ATP-ases). I 2 3 Spécificités des enzymes. L action des enzymes est spécifique à différents niveaux : I 2 4 Conditions d action. - Spécificité de réaction : une enzyme peut catalyser un seul type de réaction (hydrolyse, phosphorylation ) ou même une seule réaction biochimique (ex : glucose-6-phosphatase). - Spécificité de substrat : elle peuvent être large (ex : hydrolases du tube digestif), de groupe (alcool déshydrogénase) ou très spécifique (ex : l uréase qui ne catalyse que la décomposition de l urée.) Les enzymes doivent être dans certaines conditions pour que leurs activités soient optimales. - La température : la température optimale se situe aux alentours de 40 C. Une augmentation modérée de la température corporelle permet d augmenter l activité enzymatique et donc le métabolisme cellulaire (fièvre). Une diminution importante de la température bloquerait cette activité, et une augmentation trop forte dégraderait ces enzymes.

3 - Le ph : ce paramètre joue un rôle important. En effet, la plupart des enzymes fonctionnent à 7,4 au niveau cellulaire. Cependant, au niveau du tube digestif, certaines fonctionnent à un ph de 2. - La concentration : une augmentation d une quantité de substrat augmente l activité de l enzyme. - Présence ou non d inhibiteurs et d activateurs. II - Les Grandes étapes du catabolisme. Le catabolisme est la partie du métabolisme qui comprend les réactions de dégradation des molécules. Le catabolisme génère des résidus métaboliques, du CO 2, de l eau et de l énergie. II 1 Le cycle de Krebs. Il s agit d une série de réactions qui se produisent dans la mitochondrie qui est la centrale de production d énergie de la cellule. Dans ce cycle de Krebs sont produits des coenzymes réduits (3NADH et 1FADH) et de l énergie sous la forme d une molécule de GTP. L ensemble de ce cycle est réalisé par des enzymes, situées dans la matrice des mitochondries. Il s agit d une succession complexe de réactions biochimiques qui utilise l acétylcoa provenant de réactions précédentes que sont la glycolyse et la B-oxydation. II 2 Les modalités d accès au cycle de Krebs. Cet accès se fait différemment selon le substrat énergétique considéré. II 2 1 La glycolyse. C est la dégradation d une molécule de glucose en pyruvate (ou acide pyruvique) qui se réalise dans le cytoplasme. En fait, une molécule de glucose produit, par l intermédiaire d enzymes, deux molécules de pyruvate, mais aussi 2ATP et 2NADH qui permettront de fournir de l énergie. L acide pyruvique passera ensuite dans la mitochondrie, où il sera transformé en acétylcoa, où il sera intégré au cycle de Krebs. II 2 2 La Béta-oxydation des acides gras. L accès des acides gras au cycle de Krebs se fait également par l acétylcoa. Les longues chaines d acides gras sont couplés à de l acylcoa. Ces dernières passent dans la matrice de la mitochondrie, ou elles seront progressivement dégradées. Ce processus est la B-oxydation qui permet la production d acétylcoa qui pourra intégrer le cycle de Krebs. Cette B-oxydation produit également des coenzymes FAD et NADH qui seront utilisées dans la chaine respiratoire, pour fabriquer de l ATP et par conséquent des molécules énergétiques.

4 II 3 La chaine respiratoire. Elle se déroule également dans la mitochondrie. En fait, les protons (H+) qui ont été produit lors de réactions précédentes (NADH et FADH) vont être transférés par l intermédiaire d enzymes, dans l espace inter-membranaire de la mitochondrie, ce qui entraine une accumulation de H+. Ces derniers vont ensuite être expulsés dans le cytoplasme par l intermédiaire d une ATPase, qui va convertir de l ADP en ATP. La molécule énergétique est donc produite! Notons que l hydrogène situé dans le cytoplasme va se coupler au dioxygène pour former de l eau, d où le terme chaine «respiratoire». III La mise en réserve de l énergie. L organisme humain a une alimentation discontinue. C est pourquoi, il dispose de réserves énergétiques. Ces réserves sont les glucides présents dans les muscles et le foie, mais également les triglycérides présents dans le tissu adipeux. III 1 Les Réserves glucidiques. III 1 1 Glycogénèse et glycogénolyse. Le stockage des glucides se fait sous forme de glycogène, une molécule de grandes tailles, polymères de glucose. A partir du glycogène, la cellule peut libérer du glucose en fonctions de ses besoins. La mise en réserve du glucose permet également d éviter une augmentation de l osmolarité. La formation et l allongement de la chaine constituent la glycogénogénèse qui est catalysée par une enzyme, la glycogène-synthase. La dégradation du glycogène en glucose est la glycogénolyse qui est réalisé par la glycogène phosphorylase. III 1 2 La néoglucogenèse. Lors de la néoglucogenèse, du glucose est synthétisé à partir de précurseurs qui ne sont pas des hydrates de carbone. En fait, en cas d absence de glucose, le corps peut détruire des lipides et des protéines pour pouvoir obtenir du glucose par diverses étapes de dégradation. Ce phénomène se produit essentiellement dans le foie. III 2 Les réserves lipidiques. Les principales molécules lipidiques de réserve sont les triglycérides. Leur principal lieu de réserve est le tissu adipeux et ses cellules (adipocytes). Ces acides gras peuvent être utilisés pour produire des glucides lorsque le corps manque de glucose. La consommation trop importante de graisses, mais aussi de sucres, entrainent une augmentation des acides gras dans les adipocytes.

5 Conclusion. La cellule présente des réactions qui permettent la production d énergie et ainsi la vie. Cependant, ces diverses réactions nécessitent l implication de certaines enzymes produites par la cellule.

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