Énergétique cellulaire

Définition de l'énergétique cellulaire

Commençons par examiner la définition de l'énergétique cellulaire.

Dans cet aperçu, nous aborderons les processus par lesquels une cellule utilise l'énergie et comment ces processus peuvent changer en fonction de l'environnement.

Fonction de l'énergétique cellulaire

Parlons maintenant de la fonction de l'énergétique cellulaire.

L'énergie cellulaire

Tous les systèmes vivants ont besoin d'une énergie constante pour fonctionner. Comme nous l'avons déjà mentionné, l'énergétique cellulaire est l'étude de la façon dont l'énergie est captée puis utilisée par les systèmes vivants. La fonction de l'énergie dans un système vivant est vaste. Par exemple, les cellules peuvent utiliser de l'énergie pour se réparer, pour se diviser de façon mitotique, pour faire entrer ou sortir des molécules de la cellule et pour alimenter le métabolisme. Essentiellement, l'énergie est nécessaire pour alimenter toutes les réactions biologiques au sein de la cellule. L'énergétique cellulaire contribue à fournir cette énergie en décomposant les macromolécules. Il est important de noter que l'énergétique cellulaire s'étend au-delà des humains, aux plantes et même aux bactéries.

Pour mieux comprendre l'importance de l'énergétique cellulaire, imagine qu'une cellule vivante est comme un réfrigérateur. Un réfrigérateur a besoin d'être constamment alimenté pour garder son contenu plus froid que l'environnement extérieur. En suivant la deuxième loi de la thermodynamique, nous savons que la chaleur circule d'un objet chaud vers un objet froid. Dans notre analogie, la chaleur circule naturellement de l'environnement extérieur vers l'intérieur du réfrigérateur. Pour contrer ce flux naturel, le réfrigérateur doit être constamment alimenté en énergie électrique. De la même façon, une cellule doit être constamment alimentée en énergie pour empêcher la fuite naturelle d'énergie. Si une cellule n'a pas assez d'énergie pour surmonter la fuite naturelle d'énergie, elle mourra. Par conséquent, l'énergétique cellulaire est essentielle pour maintenir les cellules en vie.

Pour comprendre comment l'énergie est acquise et utilisée dans les réactions biologiques, il faut d'abord avoir une connaissance de base des enzymes. Les enzymes sont des protéines que l'on retrouve dans presque toutes les réactions biologiques et sans enzymes, la survie est impossible.

Structure et fonction des enzymes

Notre corps effectue des milliers de réactions biologiques et chimiques chaque seconde. Chacune de ces réactions est essentielle pour nous maintenir en vie, mais sans aide, elles peuvent prendre trop de temps. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui accélèrent les réactions chimiques à un rythme beaucoup plus rapide. Bien que les enzymes accélèrent la réaction, les enzymes elles-mêmes ne sont pas consommées pendant la réaction, ce qui signifie qu'elles restent inchangées pendant toute la durée de la réaction.

Chaque enzyme a une structure unique qui lui permet d'interagir spécifiquement avec ses partenaires de liaison appelés substrats. La partie de l'enzyme qui interagit directement avec le substrat est appelée site actif. Pour qu'une enzyme catalyse une réaction chimique, la forme et la charge du substrat doivent être compatibles avec le site actif de l'enzyme. Tout comme une clé ne peut pas ouvrir toutes les serrures, une enzyme ne peut pas catalyser toutes les réactions. Elle ne peut catalyser que les réactions pour lesquelles le site actif et les substrats sont compatibles (Fig. 2).

L'énergie d'activation est l'énergie nécessaire pour qu'une réaction chimique se produise. Imagine que tu essaies d'allumer une allumette. Le simple fait de tenir l'allumette contre la bande de frappe ne l'allume pas parce qu'il n'y a pas assez d'énergie. Une certaine force est nécessaire pour générer de la friction et de la chaleur afin d'atteindre le seuil d'énergie d'activation permettant d'allumer l'allumette. Les enzymes catalysent les réactions en abaissant le seuil d'énergie d'activation. Par conséquent, une réaction catalysée par une enzyme nécessiterait une plus petite quantité de force pour allumer l'allumette qu'une réaction non catalysée. L'énergie d'activation peut être illustrée à l'aide du graphique ci-dessous (Fig. 3), les réactifs à gauche passant aux produits à droite. La "colline" représente l'énergie d'activation qui doit être surmontée pour que la réaction se produise.

Exemples d'énergétique cellulaire

L'un des éléments clés de l'énergétique cellulaire est l'obtention d'énergie. Les voies complexes impliquant de multiples réactions sont appelées processus cellulaires. La photosynthèse et la respiration cellulaire sont deux exemples de processus cellulaires qui peuvent être utilisés pour obtenir de l'énergie. Ces deux processus utilisent un processus appelé transfert d'énergie pour alimenter efficacement plusieurs réactions chimiques de façon séquentielle.

Transfert d'énergie

Un processus cellulaire implique une chaîne de multiples réactions chimiques différentes, chacune avec ses propres enzymes. Alors que certaines réactions chimiques libèrent de l'énergie, d'autres réactions nécessitent de l'énergie. Les processus cellulaires sont considérés comme séquentiels, ce qui signifie que le produit d'une réaction devient le réactif de la réaction suivante. Cela signifie qu'une réaction qui libère de l'énergie peut être couplée à une réaction qui nécessite de l'énergie, de sorte que l'énergie libérée par la première réaction peut alimenter l'énergie nécessaire à la deuxième réaction. De cette façon, l'énergie est transférée efficacement et de manière contrôlée.

La photosynthèse

Laphotosynthèse est le processus cellulaire par lequel les organismes captent et stockent l'énergie du soleil pour produire du sucre. Bien que nous pensions souvent que seules les plantes effectuent la photosynthèse, il est faux de croire que la photosynthèse est exclusive aux plantes. En fait, on pense que la photosynthèse a évolué à partir d'organismes procaryotes, comme les cyanobactéries, qui utilisaient la photosynthèse pour capter l'énergie du soleil.

En examinant la réaction nette de la photosynthèse ci-dessous, on constate que les organismes photosynthétiques convertissent le dioxyde de carbone, l'eau et la lumière en sucres simples et en oxygène.

$6C{O}_{\mathit{2}}+6H_{\mathit{2}}O+light\to C_{\mathit{6}}{H}_{\mathit{12}}{O}_{\mathit{6}}+6O_{\mathit{2}}$

Il est important de noter que l'équation ci-dessus est la réaction nette et que plusieurs réactions intermédiaires ont également lieu et impliquent la production de molécules riches en énergie telles que l'adénosine 5'-triphosphate (ATP) et le phosphate de nicotinamide adénine dinucléotide réduit (NADPH). En général, l'ATP est la monnaie de l'énergie. De nombreuses réactions biologiques décomposent l'ATP afin de générer suffisamment d'énergie pour faire avancer la réaction chimique.

Chez les organismes eucaryotes, un grand nombre de ces réactions intermédiaires ont lieu dans un organite appelé chloroplaste (Fig. 4). Le chloroplaste est un organite membranaire qui abrite un pigment vert appelé chlorophylle. La chlorophylle elle-même contient des électrons qui sont excités lorsqu'ils sont touchés par l'énergie solaire. Les protéines de la membrane du chloroplaste, appelées protéines de la chaîne de transport des électrons (CTE), utilisent alors ces électrons excités comme source d'énergie pour entraîner la formation d'un gradient de protons. Finalement, ce gradient de protons sera utilisé pour générer de l'ATP, une molécule riche en énergie. L'ATP est ensuite transféré dans une région du chloroplaste appelée stroma , où l'énergie est utilisée pour créer des sucres simples dans le cadre d'un processus appelé cycle de Calvin.

La respiration cellulaire

Larespiration cellulaire et la fermentation sont des processus cellulaires réalisés par tous les organismes vivants qui convertissent l'énergie des macromolécules biologiques en énergie sous forme d'ATP utilisable par la cellule. Bien que dans le passé, la respiration cellulaire ait pu être exprimée à l'aide de l'équation nette ci-dessous, il est important de noter que, comme la photosynthèse, la respiration cellulaire et la fermentation impliquent toutes deux de multiples réactions catalysées par des enzymes.

$C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O+energy\left(ATP\right)$

Comme l'énergie est formée par la décomposition de grandes macromolécules, comme le glucose, en molécules plus petites, la respiration cellulaire est appelée un processus catabolique. Les principales étapes de la respiration cellulaire sont la glycolyse, l'oxydation du pyruvate, le cycle de Kreb et la phosphorylation oxydative.

Laglycolyse est la décomposition du glucose en ATP, NADH et pyruvate. Le pyruvate est ensuite transféré du cytosol à la mitochondrie où se produit l'oxydation du pyruvate. Dans la mitochondrie, le cycle de Kreb implique une série de réactions catalysées par des enzymes impliquant des intermédiaires organiques pour former du dioxyde de carbone, de l'ATP, du NADH et du _FADH2. Le dernier ensemble de la respiration cellulaire est la phosphorylation oxydative qui a lieu dans la membrane mitochondriale interne. Au cours de la phosphorylation oxydative, une réaction de la chaîne de transport d'électrons (CTE) se produit, au cours de laquelle les électrons stockés à partir de la glycolyse et du cycle de Kreb sous forme de NADH et de _FADH2 sont transmis le long des protéines de la CTE dans la membrane mitochondriale interne (Fig. 5). Le passage des électrons libère de l'énergie qui sert à alimenter la formation d'un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne. Le dernier arrêt des électrons désénergisés est l'oxygène. Enfin, les protons sont transportés le long de ce gradient à travers l'ATP synthase située sur la membrane, ce qui permet d'alimenter l'énergie nécessaire à la fabrication de l'ATP à partir de l'ADP. L'ATP peut alors être utilisé pour fournir de l'énergie à tous les processus de la cellule.

Alors que la respiration cellulaire s'effectue généralement en aérobie, c'est-à-dire en présence d'oxygène, dans le cas d'un exercice extrême où la cellule ne dispose pas de suffisamment d'oxygène, la glycolyse peut s'effectuer en anaérobie, ou sans oxygène, dans le cadre d'un processus appelé fermentation. La fermentation produit de l'ATP ainsi que de l'alcool et de l'acide lactique comme déchets.

Dérégulation de l'énergie cellulaire

Dans certains cas, l'énergétique cellulaire est dérégulée. Cela signifie que l'énergie n'est pas correctement captée ou qu'elle n'est pas utilisée efficacement par la cellule. Les deux principaux scénarios de dérégulation de l'énergie cellulaire sont les changements environnementaux de température et de pH et le cancer.

Changements environnementaux

Rappelle que les enzymes sont présentes dans presque toutes les réactions biologiques et que sans elles, nous ne pourrions pas survivre. Les enzymes sont des protéines, ce qui signifie qu'elles sont très sensibles aux changements de température et de pH. Les changements de température entraînent la dénaturation de la protéine, ce qui signifie qu'elle se déplie et que sa forme en trois dimensions change. La compatibilité du site actif de l'enzyme et de son substrat étant essentielle à la fonction enzymatique, une enzyme dénaturée ne pourra plus catalyser une réaction. De même, les changements de pH peuvent également dénaturer une enzyme en brisant les liaisons hydrogène qui maintiennent la forme de l'enzyme.

Le cancer

L'une des caractéristiques du cancer est la dérégulation de l'énergie cellulaire. Le cancer est une croissance cellulaire incontrôlée qui peut ensuite se propager à d'autres parties du corps. Comme la croissance nécessite de l'énergie, le cancer absorbe plus de glucose que les cellules normales. De plus, il peut utiliser d'autres sources d'énergie comme le glutamate pour fournir de l'énergie aux cellules cancéreuses. De plus, certaines cellules cancéreuses présentent des mutations d'enzymes spécifiques de la voie de respiration cellulaire qui permettent à la respiration cellulaire de se poursuivre sans s'arrêter, fournissant ainsi une source d'énergie inépuisable.

Résumé de l'énergétique cellulaire

Dans ce qui précède, nous avons abordé le mécanisme de l'énergétique cellulaire dans les moindres détails, ainsi que l'importance de l'énergétique cellulaire au sein des organismes biologiques. Nous savons que la photosynthèse, qui est le processus de collecte de nourriture et d'énergie à partir du soleil, ne se fait que dans les organismes qui contiennent des organites spéciaux connus sous le nom de chloroplastes. La respiration cellulaire est une autre forme d'énergie cellulaire que la plupart des organismes biologiques, y compris les humains, utilisent. Les principales étapes de la respiration cellulaire sont la glycolyse, l'oxydation du pyruvate, le cycle de Kreb et la phosphorylation oxydative. Chacun de ces processus joue un rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie et de nombreux facteurs tels que les changements environnementaux et le cancer peuvent entraîner une perturbation de l'homéostasie par le biais d'un dérèglement de l'énergie cellulaire.