Introduction au métabolisme

L'objectif de l'étude du métabolisme est de comprendre comment l'énergie et la matière circulent dans le vivant.

Le métabolisme se compose de deux types d'activité :

• anabolisme qui correspond à la synthèse de molécules
• catabolisme qui correspond à la dégradation de molécules.

L'activité anabolique consiste à additionner de petites molécules simples pour en former des plus complexes. Cette opération nécessite de l'énergie.

Note

Une réaction thermodynamiquement impossible càd endergonique peut se dérouler si elle est couplée avec une réaction exergonique.

Voie métabolique succession d'étapes au cours desquelles une molécule subit une suite de réactions intermédiaires pour synthétiser un produit.

Note

Certains intermédiaires servent dans plusieurs voies métaboliques.

Voie métabolique séquence est modifiée.

La cellule a besoin de gérer les ressources :

• matérielles.
• énrrgétiques.

Bioénergétique étude de la gestion de l'énergie dans la cellule.

Énergie capacité de changer la disposition de la matière.

Note

La lumière est un type d'énergie cinétique.

L'énergie utilisée par les cellules est extraite en brisant les liaisons chimiques entre les atomes. Avant d'être utilisé puis elle est stockée dans des molécules d'ATP. Utilise un intermédiaire.

Les cellules ont besoins d'énergie pour fonctionner notamment pour réaliser trois types de travail c'est-à-dire de :

• chimique : la synthèse de molécules plus complexe.
• transport : qui va dans le sens opposé.
• mécanique : changement de forme, battement des cils, mouvement.

Note

L'énergie pénètre sous forme de lumière dans un écosystème et le quitte sous forme de chaleur.

Couplage d'énergie processus qui consiste à utiliser l'énergie dégagée par une réaction exothermique pour en déclencher une endothermique.

La cascade de signalisation est le mécanisme par lequel une cellule répond à un signal (chimique, électrique...). Elle aboutit à la réalisation d'activités cellulaires, par exemple, la synthèse de protéines. Elle se compose de trois phases :

1. la réception du signal extra-cellulaire par un récepteur.
2. la réalisation de voies de transduction càd d'un ensemble de processus cellulaires.
3. la réponse cellulaire.

État stationnaire les concentrations en composés restent stables. Elles sont maintenues par la cellule grâce à des échanges de matière et d'énergie.

Pour fonctionner, les cellules ont besoin d'énergie qu'elles extraient soit de :

• la dégradation de molécules (chimiotrophe).
• la photosynthèse (phototrophe).

L'énergie libérée est stockée dans un nombre réduit de molécules telles que l'ATP ou NADPH. L'énergie chimiques pourra être libérée pour servir à :

• créer des liaisons et fabriquer des molécules plus complexes à partir de plus simples.
• lutter contre l'entropie (par exemple, en maintien un gradient chimique).

Les réactions chimiques

Pour qu'une réaction chimique est lieu, il faut que les molécules atteignent un niveau d'énergie plus élevé que celui initial appelé état de transition. Les réactions principales sont :

• l'hydrolyse (hydrolase).

• l'addition et l'élimination.

• Isomérisation (isomérase) transfert d'un groupement au sein d'une molécule.

• Transfert de groupe (transférase) transfert d'un groupement entre deux molécules.
• Oxydo-réduction (oxydoréductase). Elle utilise deux sortes de co-enzymes NADH et \(FADH_2\).
• Ligation (ligase) liaison entre deux substrats. Ce type de réaction nécessite de l'ATP.

Note

Les réactions où l'état de transition est inférieur au niveau d'énergie sont spontanées et par définition, elles ont déjà eu lieu.

Les réactions font intervenir des transporteurs.

Particules échangées	Transporteurs
Groupement acyle (ex : cétone)	Coenzyme A
Électrons	\(NADH\); \(FADH_2\)
Énergie	ATP
### Les enzymes

Les [[enzyme]] sont des protéines qui jouent le rôle de catalyseur. Elles servent à faciliter la réaction càd à augmenter sa vitesse en :

• Diminuant la barrière énergétique de la réaction.
• Facilitant la rencontre et le positionnement des groupements réactionnels.

La régulation de l'activité métabolique peut se faire par :

• La régulation de la quantité d'enzymes disponible. Elle dépend de l'activités de dégradation et de synthèse pré ou post traductionnelle.
• La catalyse enzymatique. Par exemple, l'ajout de groupement sur certaines protéines permet de modifier l'activité de l'enzyme comme pour les enzymes digestives qui adoptent leur conformation active à la suite d'une coupure d'une partie de la chaine peptidique.
• L'accessibilité du substrat. Par exemple, la quantité de glucose dans la cellule dépend du nombre de molécules phosphorylées.

Les site de contrôle sont souvent des étapes irréversibles.

---

Certaines protéines sont des catalyseurs. Ce sont des molécules qui permet d'accélérer les réactions chimiques.

En moyenne les protéines sont capables de catalyser jusqu'a 1000 réactions par seconde. Un léger changement de quantités peut avoir des répercussion importantes.

Note

En 2015, 4 000 nouvelles enzymes ont été découvertes.

Les enzymes agissent comme catalyseur de plusieurs façons en :

• diminuant l'énergie d'activation
• créant un microenvironnement, par exemple acide ou basique, favorable à la réaction.
• participant à la réaction. Il y a modification de l'enzyme par la création d'une liaison covalente avec l'enzyme. A la fin de la réaction, l'enzyme retrouve sa forme initiale.

La vitesse de réaction avec une enzyme peut être augmenter avec la température jusqu'à un certain point :

• les molécules sont alors trop agitées pour interagir.
• l'enzyme se dénature et n'est plus capable de catalyser la réaction.

Note

La température optimale des protéines humaines se situent entre 35 et 40°C.

Pour fonctionner certaines enzymes ont besoins de s'associer à des autres molécules appelées cofacteurs de type :

• minéraux liés de façon covalente ou non.
• d'autres molécules organiques (non protéique) par des liaisons temporaires. Le complexe s'appelle coenzyme.

Certaines enzymes d'une même réaction métabolique s'associent en complexe multienzymatique.

Régulation enzymatique

Les enzymes besoins de la cellule éviter

• l'utilisation de l'énergie pour des réactions non essentielle
• Diriger vers une voie particulière dans le cas d'un carrefour métabolique. Cette situation est présente quand un substrat peut être utilisé dans plusieurs réactions.

L'activités enzymatique est régulée :

• la synthèse de l'enzyme au niveau des gènes.
• l'activité des enzymes existants (plus rapide chez les Eucaryotes).

Les inhibiteurs

Les inhibiteurs de type non compétitif agissent en déformant l'enzyme pour la rendre non fonctionnelle.

Example

Certains inhibiteurs sont utilisés comme antibiotiques pour bloquer le site de protéines spécifiques. Par exemple, la pénicilline bloque chez les Bactéries, une enzyme impliquée dans la fabrication de la paroi.

Protéine allostérique

Certaines protéines sont de type allostérique (allo signifie autre) car la régulation se fait par la liaison d'une molécule sur un site différent du site actif.

La plupart sont composées de plusieurs sous unités de protéines avec chacune un site actif. L'enzyme oscille entre deux états, actif et inactif, à cause de sa structure. Un inhibiteur ou un activateur peut venir stabiliser une des formes.

Les protéines allostériques sont peu répandues et difficiles à identifier car les molécules qui les régulent, ont une faible affinité.

Coopérativité la fixation d'un substrat stabilise l'enzyme et augmente son affinité avec le substrat. Cela permet, par exemple, à l'hémoglobine de fixer l'\(O_2\), là où il présent en forte concentration, plus rapidement et efficacement. Inversement, de le libérer dans les tissus, là où elle est faible.

Certaines enzymes allo stériques présentent un phénome de rétro inhibition. La présence du produit finale ralenti ou arrête une voie métabolique.

Régulation de l'activité

Le rétrocontrôle enzymatique peut être :

• positif.
• négatif (ou inhibiteur).

L'inhibiteur peut être réversible ou irréversible. Dans le deuxième cas, site de liaison est permanent sur le site actif (compétitif) ou non (non compétitif).

Compartimentation de l'organisme

L'apparition des compartiments a permis :

• de faciliter la rencontre entre les substrats.
• à des réactions antagonistes de pouvoir se dérouler au même moment dans la cellule.

On trouve des compartiments à la fois au niveau :

• cellulaire (Cellulaire mitochondrie, cytosol, lysosome, REL, peroxysome).
• tissulaire (par exemple, le foie produit du glucose).

Note

Il est possible de catégoriser les organes en fonction de leur rôle : utilisateur, de stockage ou synthétiseur.

La catabolisme

Le catabolisme consiste en :

1. La dégradation de macromolécules en petites unités :

   • les lipides en acide gras et glycérols par les lipases.
   • les protéines en acide aminées par les protéases (appelé aussi peptidases). Elles subissent une dénaturation par la diminution du pH pour pouvoir être dégradées.
   • les polysaccharides (polymère de sucres) en glucose et sucres simples par les glycosidases.

2. Une partie des plus petites unités est transformée en un nombre restreint de molécules appelées métabolites comme le pyruvate ou l'acétyl-coA. Par exemple :

   • l'oxydation complète de l'acétyl-coA sert à produire les molécules énergétiques notamment l'ATP au cours du cycle de l'acide citrique et de la phosphorylation oxydative.
   • le pyruvate sera utilisé dans la fermentation alcoolique, la respiration aérobie et la production de lactate dans les cellules musculaires.

Note

Seuls les nucléotides issus de la dégradation de ADN, ARN par les nucléases ne peuvent pas être utilisés pour fabriquer de l'énergie.