Cours ifsi - Biologie fondamentale - Le métabolisme énergétique cellulaire

La biologie fondamentale (UE 2.1 S1) est un enseignement dense mais néanmoins indispensable aux étudiants en soins infirmiers. Bonne lecture et bon travail d'assimilation !

1. Généralités

L'organisme d'un adulte se trouve dans un état d'équilibre permanent. En effet, les éléments du corps humain sont en permanence détruits, remplacées, induisant donc un équilibre entre destruction (catabolisme) et construction (anabolisme).

Le catabolisme correspond aux réactions de dégradation de macromolécules en éléments simples (ex : dégradation du glycogène en glucose).

L'anabolisme correspond aux réactions de synthèse : on utilise des éléments simples (acides gras, glucose, ...) pour former des molécules plus complexes (protéines, glycogène, ...).

A ces réactions métaboliques sont associées des transferts d'énergie. Le catabolisme permet de libérer de l'énergie qui pourra être utilisée dans l'anabolisme ou encore pour d'autres fonctions cellulaires (ex : contraction du muscle).

Il faut respecter un équilibre entre le catabolisme et l'anabolisme. En effet, l'anabolisme exige des éléments de base (énergie, éléments simples), apportés par le catabolisme.

Le métabolisme cellulaire correspond à l'ensemble de toutes les réactions biochimiques qui se produisent au sein de la cellule.

Il est la résultante des 2 grandes voies anabolisme et catabolisme.

2. Notions de bioénergétique

La bioénergie est l'étude des transferts d'énergie dans les cellules vivantes.

La capacité de travail de la cellule est liée à sa capacité de produire et d'utiliser de l'énergie qui est située dans les molécules organiques.

Les nutriments apportés à l'organisme par le biais de l'alimentation se composent donc de molécules glucidiques, lipidiques et protéiques qui vont être d'abord digérées, absorbées puis distribuées aux cellules.

Il existe différentes formes d'énergie dans la cellule :

• Energie calorifique = production de chaleur,
• Energie chimique contenue dans les molécules,
• Energie mécanique = mouvements des muscles,
• Energie osmotique = gradient de concentration,
• Energie électrique = gradient ionique (Na + / K +).

La réaction demande de l'énergie au milieu : elle est endergonique.

La réaction fournit de l'énergie au milieu : elle est exergonique.

Pour assurer sa survie et ses rôles physiologiques, la cellule doit donc effectuer 4 fonctions spécifiques :

• Extraire l'énergie du milieu ambiant,
• Transformer les aliments en matériaux de construction ou en éléments précurseurs de composants macromoléculaires,
• Polymériser les éléments précurseurs en acides aminés, protéines, lipides, polysaccharides, etc..
• Synthétiser ou dégrader les biomolécules nécessaires aux fonctions spécialisées de la cellule.

3. La molécule d'ATP

3.1. Définition

L'Adénosine TriPhosphate est une petite molécule organique formée de l'assemblage d'un sucre (ribose), d'une base azotée (adénine) et de trois groupements phosphates.

Elle est produite par les mitochondries, qui transforment l'énergie des aliments absorbés contenue dans les liaisons moléculaires des métabolites, en ATP. C'est une molécule qui " stocke " l'énergie sous forme chimique et en particulier sous forme de liaisons chimiques avec du phosphate. C'est la seule molécule de l'organisme qui a la capacité d'emmagasiner l'énergie libérée au cours du catabolisme des molécules organiques et ensuite de la restituer en cas de besoin.L'hydrolyse de l'ATP libère une grande quantité d'énergie (35kJ).

Cette énergie est stockée dans les liaisons entre les groupements phosphates.

3.2. Le cycle de l'ATP/ADP

La rupture entre les phosphates et le restant de la molécule libère de l'énergie destinée au travail cellulaire.

Cette phase du cycle est l'hydrolyse de l'ATP, et libère de l'adénosine diphosphate (ADP) ainsi qu'un phosphate appelé inorganique Pi. Cette hydrolyse catalysée par une enzyme, l'ATP hydrolase ou ATPase, est facilitée par l'instabilité des liaisons phosphates.

La quantité d'énergie produite varie selon les conditions du milieu (température...). La cellule utilise cette énergie pour des réactions comme les synthèses qui consomment de l'énergie et l'hydrolyse de l'ATP en ADP produit cette énergie. Or, il n'existe pas de réserve d'ATP dans la cellule, ce qui nécessite une régénération immédiate.

Ensuite, le groupement phosphate et l'Adénosine diphosphate se réunissent pour reformer une molécule d'ATP, grâce à l'énergie dégagée par le catabolisme : c'est la phase de phosphorylation.

Ainsi, l'ATP est synthétisée à partir d'ADP et de phosphate, c'est une réaction endergonique : les réactifs contiennent moins d'énergie que les produits.

Donc pour que cette réaction ait lieu, il faut là aussi la coupler avec une réaction qui libère de l'énergie. C'est la respiration cellulaire fournit l'énergie à l'origine de la régénération de l'ATP.

3.3. Stockage de l'ATP

Les stocks d'ATP de l'organisme ne dépassent pas quelques secondes de consommation. En principe, l'ATP est produite en permanence.

Les vraies réserves d'énergie sont dans les molécules organiques des glucides, des lipides et des protides.

Mais les molécules organiques qui vont fournir l'énergie transportée par l'ATP doivent d'abord subir tout un ensemble de processus chimiques, appelé respiration cellulaire qui ne peut s'effectuer qu'en présence d'oxygène.

Certains poisons, comme le cyanure bloquent la production d'ATP : cela entraine la mort des cellules, et donc une mort quasi immédiate.

3.4. Exemples d'utilisation de l'ATP

Exemple 1

Dans la membrane plasmique il existe une pompe à sodium/potassium qui permet de maintenir la différence de concentration entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule.

Les ions K+ sont intracellulaires: en forte concentration dans la cellule.

Les ions Na + sont extracellulaires: en forte concentration à l'extérieur de la cellule.

Cette pompe fonctionne en expulsant le Na+ vers l'extérieur de la cellule et en faisant rentrer le K+. Le déplacement de ces ions se fait contre le gradient électrochimique et donc nécessite de l'ATP.

Le maintien de ce gradient par la pompe à sodium/potassium responsable du potentiel de la membrane représente presque un tiers des besoins énergétiques de la cellule.

Dans la cellule nerveuse électriquement active, où la propagation de l'influx nerveux est due à une variation brutale de ce gradient, le besoin énergétique s'élève même à 2/3.

Exemple 2

L'ATP est nécessaire à la contraction et à la relaxation de la fibre musculaire.

En effet, l'ATP intervient à trois reprises au cours de la contraction musculaire :

1. La liaison de l'ATP à la myosine qui est nécessaire à la dissociation des têtes de myosine du filament d'actine ;
2. L'hydrolyse de l'ATP qui fournit l'énergie nécessaire au mouvement induit par la " rotation " des têtes de myosine ;
3. L'hydrolyse de l'ATP au niveau de la pompe calcium-ATPase qui permet la relaxation par recyclage du calcium.

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