Le métabolisme des cellules : cours de Seconde

Un organisme pluricellulaire, comme tu l'as vu au chapitre précédent, est un ensemble de cellules spécialisées. Une cellule du muscle, une cellule de feuille ou une cellule du foie n'ont pas la même forme ni le même travail. Mais toutes ont un point commun : elles transforment sans cesse de la matière pour vivre.

Ce chapitre répond à une question simple : que se passe-t-il chimiquement à l'intérieur d'une cellule, et pourquoi deux cellules différentes ne fonctionnent-elles pas de la même façon ? En seconde, le métabolisme est étudié d'abord à l'échelle de la cellule ¹². Les notions à maîtriser sont le métabolisme, les cellules autotrophes et hétérotrophes, les organites et les enzymes ¹.

Ce cours suit un fil logique :

• ce qu'est le métabolisme et à quoi il sert ;
• le rôle des enzymes, qui rendent les réactions possibles ;
• l'organisation des réactions en voies métaboliques, puis leur interconnexion ;
• le lien entre métabolisme et spécialisation de la cellule ;
• la différence entre cellules autotrophes et hétérotrophes, illustrée par la plante ;
• le rôle de l'énergie et de l'ATP.

Le mot « ensemble » compte. Le métabolisme n'est pas une réaction unique, c'est la somme de nombreuses transformations qui ont lieu en même temps dans la même cellule. Le programme le formule ainsi : pour couvrir ses besoins, une cellule réalise de nombreuses transformations biochimiques, et leur ensemble constitue son métabolisme ¹.

Prends l'exemple d'une cellule qui doit se diviser. Elle doit fabriquer de nouvelles molécules pour se doubler, trouver l'énergie nécessaire à ce travail, et éliminer ce qui devient inutile. Chacune de ces tâches correspond à des réactions chimiques. Le métabolisme, c'est tout cela réuni.

Dans un tube à essai, beaucoup de réactions entre molécules biologiques sont très lentes, voire ne démarrent pas aux températures du vivant. Dans une cellule, elles se déroulent pourtant en quelques instants. La différence vient des enzymes.

Retiens deux idées.

1. Une enzyme, une réaction : elle ne convient qu'à une transformation donnée. Une cellule a donc besoin de nombreuses enzymes différentes, une par réaction à faciliter.
2. Une enzyme n'est pas un ingrédient consommé : elle aide la transformation d'une molécule en une autre, mais ce n'est pas elle qui est transformée.

Le programme insiste sur ce point : les différentes voies métaboliques dépendent de l'équipement en enzymes des cellules ³. Une cellule qui ne possède pas l'enzyme d'une réaction ne peut pas réaliser celle-ci.

On peut lire une voie métabolique comme une recette en plusieurs temps. La molécule de départ est transformée en un premier intermédiaire, puis en un deuxième, jusqu'au produit final. Chaque flèche correspond à une réaction et donc à une enzyme.

Cette organisation en étapes a un avantage concret : si l'une des étapes est ralentie, toute la voie est ralentie. La cellule peut ainsi régler sa production en agissant sur quelques enzymes clés. Certaines enzymes voient leur activité modifiée par des molécules de la cellule ou par des signaux venus de l'extérieur, ce qui accélère ou ralentit des réactions déterminantes ⁵.

Une cellule ne possède pas une voie isolée. Elle en compte de nombreuses, qui fonctionnent en même temps. Ces voies ne sont pas étanches les unes aux autres.

Pourquoi est-ce utile ? Parce que la cellule peut ainsi réutiliser ce qu'elle a produit. Un même composé peut servir de matière première pour plusieurs fabrications ; si une voie en produit trop, une autre peut le prendre en charge.

Cette idée s'applique aussi à l'échelle de l'organisme. Entre cellules d'un même organisme, et entre organismes, les échanges de matière et d'énergie assurés par le métabolisme participent au bon fonctionnement ².

Au chapitre précédent, tu as vu qu'un organisme pluricellulaire est formé de cellules spécialisées. Le métabolisme explique en partie ce que « spécialisée » signifie concrètement.

Deux cellules de l'organisme contiennent le même type de réactions de base, mais pas les mêmes enzymes en même quantité ni les mêmes organites en même nombre. Résultat : elles ne réalisent pas toutes les mêmes voies métaboliques, ou pas avec la même intensité.

Tu peux résumer par une chaîne logique :

équipement (organites, enzymes) → voies métaboliques possibles → fonction de la cellule

Toutes les cellules ont besoin de matière organique et d'énergie. Elles ne se procurent pas ces ressources de la même manière. C'est le critère du type trophique. Les êtres vivants peuvent être classés selon leurs sources d'énergie et de carbone ⁵.

Cette différence n'existe pas qu'entre espèces. Certains êtres vivants sont constitués à la fois de cellules autotrophes et de cellules hétérotrophes : c'est le cas des plantes ³. Les cellules chlorophylliennes d'une feuille sont autotrophes. Les cellules d'une racine, non chlorophylliennes, sont hétérotrophes et reçoivent de la matière organique des autres cellules de la plante ³.

Tu as déjà rencontré une partie du métabolisme hétérotrophe, notamment chez les levures ²³.

Fabriquer de la matière demande de l'énergie ; en dégrader en libère. Le métabolisme se divise donc, selon le sens des transformations, en deux grands ensembles.

L'ensemble inverse, qui construit des molécules, s'appelle l'anabolisme. L'anabolisme consomme l'ATP que le catabolisme a produit ⁵. Ces notions vont un peu au-delà du programme de seconde.

Un détail surprenant : à un instant donné, une cellule contient très peu d'ATP. Mais cet ATP est consommé et régénéré en continu. Au total, le corps humain peut consommer en un jour une masse d'ATP proche de son propre poids ⁵. L'ATP est donc moins un stock qu'un circuit : il est utilisé puis refabriqué en permanence.