Métabolisme

L' adénosine triphosphate (ATP) , coenzyme essentielle, est la monnaie énergétique des cellules. Ce nucléotide sert au transfert d'énergie chimique entre différentes réactions. Les cellules ne contiennent qu'une faible quantité d'ATP, mais comme elle est constamment régénérée, le corps humain peut utiliser chaque jour une quantité d'ATP équivalente à son propre poids. L'ATP fait le lien entre le catabolisme et l'anabolisme . Le catabolisme dégrade les molécules, tandis que l'anabolisme les synthétise. Les réactions cataboliques produisent de l'ATP, et les réactions anaboliques le consomment. L'ATP sert également de transporteur de groupements phosphate lors des réactions de phosphorylation .

Une vitamine est un composé organique nécessaire en petites quantités et que les cellules ne peuvent synthétiser. En nutrition humaine , la plupart des vitamines fonctionnent comme coenzymes après modification ; par exemple, toutes les vitamines hydrosolubles sont phosphorylées ou liées à des nucléotides lorsqu’elles sont utilisées dans les cellules. Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD ⁺ ), un dérivé de la vitamine B3 ₍ niacine ) , est une coenzyme importante qui agit comme accepteur d’hydrogène. Des centaines de déshydrogénases différentes extraient des électrons de leurs substrats et réduisent le NAD ⁺ en NADH. Cette forme réduite de la coenzyme est ensuite un substrat pour les réductases cellulaires qui doivent transférer des atomes d’hydrogène à leurs substrats. Le nicotinamide adénine dinucléotide existe sous deux formes apparentées dans la cellule : NADH et NADPH. La forme NAD ⁺ /NADH est prédominante dans les réactions cataboliques, tandis que la forme NADP ⁺ /NADPH est utilisée dans les réactions anaboliques.

Les éléments inorganiques abondants agissent comme électrolytes . Les ions les plus importants sont le sodium , le potassium , le calcium , le magnésium , le chlorure , le phosphate et l'ion organique bicarbonate . Le maintien de gradients ioniques précis à travers les membranes cellulaires assure la stabilité de la pression osmotique et du pH . Les ions sont également essentiels au fonctionnement des nerfs et des muscles , car les potentiels d'action dans ces tissus sont générés par l'échange d'électrolytes entre le liquide extracellulaire et le cytosol , le liquide intracellulaire . Les électrolytes entrent et sortent des cellules grâce à des protéines membranaires appelées canaux ioniques . Par exemple, la contraction musculaire dépend du passage du calcium, du sodium et du potassium à travers les canaux ioniques de la membrane cellulaire et des tubules T.

Les métaux de transition sont généralement présents à l' état de traces dans les organismes, le zinc et le fer étant les plus abondants. Les cofacteurs métalliques sont fortement liés à des sites spécifiques des protéines ; bien que les cofacteurs enzymatiques puissent être modifiés au cours de la catalyse, ils retrouvent toujours leur état initial à la fin de la réaction catalysée. Les micronutriments métalliques sont absorbés par les organismes grâce à des transporteurs spécifiques et se lient à des protéines de réserve telles que la ferritine ou la métallothionéine lorsqu'ils ne sont pas utilisés.

Les microbes sécrètent simplement des enzymes digestives dans leur environnement , tandis que les animaux ne sécrètent ces enzymes qu'à partir de cellules spécialisées de leur tube digestif , notamment l' estomac , le pancréas et les glandes salivaires . Les acides aminés ou les sucres libérés par ces enzymes extracellulaires sont ensuite transportés dans les cellules par des protéines de transport actif .

Les lipides sont catabolisés par hydrolyse en acides gras libres et en glycérol. Le glycérol entre dans la glycolyse et les acides gras sont dégradés par β-oxydation pour libérer de l'acétyl-CoA, qui est ensuite intégré au cycle de l'acide citrique. L'oxydation des acides gras libère plus d'énergie que celle des glucides. Les stéroïdes sont également dégradés par certaines bactéries selon un processus similaire à la β-oxydation. Ce processus de dégradation implique la libération de quantités importantes d'acétyl-CoA, de propionyl-CoA et de pyruvate, qui peuvent tous être utilisés par la cellule comme source d'énergie. Mycobacterium tuberculosis peut également se développer en utilisant le cholestérol comme unique source de carbone, et les gènes impliqués dans les voies métaboliques du cholestérol ont été validés comme étant importants à différentes étapes du cycle de vie infectieux de M. tuberculosis .

Les acides aminés sont soit utilisés pour la synthèse des protéines et autres biomolécules, soit oxydés en urée et en dioxyde de carbone pour produire de l'énergie. La voie d'oxydation débute par l'élimination du groupe amine par une transaminase . Ce groupe amine est ensuite intégré au cycle de l'urée , laissant un squelette carboné désaminé sous forme de cétoacide . Plusieurs de ces cétoacides sont des intermédiaires du cycle de l'acide citrique, par exemple l'α- cétoglutarate formé par désamination du glutamate . Les acides aminés glucogéniques peuvent également être convertis en glucose par gluconéogenèse .

L'expulsion des protons hors des mitochondries crée une différence de concentration protonique de part et d'autre de la membrane et génère un gradient électrochimique . Cette force repousse les protons dans la mitochondrie par la base d'une enzyme appelée ATP synthase . Le flux de protons induit la rotation de la sous-unité de la tige, ce qui modifie la conformation du site actif du domaine synthase et provoque la phosphorylation de l'adénosine diphosphate , la transformant ainsi en ATP.

Chez de nombreux organismes, la capture de l'énergie solaire est similaire, dans son principe, à la phosphorylation oxydative, car elle implique le stockage de l'énergie sous forme de gradient de concentration de protons. Cette force proton-motrice entraîne ensuite la synthèse d'ATP. Les électrons nécessaires au fonctionnement de cette chaîne de transport d'électrons proviennent de protéines photosensibles appelées centres réactionnels photosynthétiques . Ces centres réactionnels sont classés en deux types selon la nature du pigment photosynthétique présent : la plupart des bactéries photosynthétiques n'en possèdent qu'un seul type, tandis que les plantes et les cyanobactéries en possèdent deux.

Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, le photosystème II utilise l'énergie lumineuse pour extraire des électrons de l'eau, libérant ainsi de l'oxygène comme déchet. Ces électrons sont ensuite transférés au complexe cytochrome b6f , qui utilise leur énergie pour pomper des protons à travers la membrane thylakoïde du chloroplaste . Ces protons traversent à nouveau la membrane et activent l'ATP synthase, comme précédemment. Les électrons circulent alors à travers le photosystème I et peuvent être utilisés pour réduire le coenzyme NADP ⁺ . Ce coenzyme peut entrer dans le cycle de Calvin ou être recyclé pour la synthèse d'ATP

Chez les procaryotes photosynthétiques les mécanismes de fixation du carbone sont plus diversifiés. Le dioxyde de carbone peut y être fixé par le cycle de Calvin-Benson, un cycle de l'acide citrique inversé , ou par la carboxylation de l'acétyl-CoA . Les chimioautotrophes procaryotes fixent également le CO₂ _par le cycle de Calvin-Benson, mais utilisent l'énergie de composés inorganiques pour catalyser la réaction

Bien que les lipides constituent un moyen courant de stockage de l'énergie, chez les vertébrés comme l'homme, les acides gras stockés ne peuvent être convertis en glucose par gluconéogenèse , car ces organismes sont incapables de convertir l'acétyl-CoA en pyruvate ; les plantes, contrairement aux animaux, possèdent l'équipement enzymatique nécessaire. Par conséquent, après un jeûne prolongé, les vertébrés doivent produire des corps cétoniques à partir d'acides gras pour remplacer le glucose dans les tissus, comme le cerveau, qui ne peuvent métaboliser les acides gras. Chez d'autres organismes, tels que les plantes et les bactéries, ce problème métabolique est résolu grâce au cycle du glyoxylate , qui court-circuite l' étape de décarboxylation du cycle de l'acide citrique et permet la transformation de l'acétyl-CoA en oxaloacétate , lequel peut être utilisé pour la production de glucose. Outre les lipides, le glucose est stocké dans la plupart des tissus, constituant une source d'énergie disponible au sein même des tissus grâce à la glycogénèse, qui servait généralement à maintenir la glycémie.

Les polysaccharides et les glycanes sont synthétisés par l'addition séquentielle de monosaccharides, catalysée par une glycosyltransférase , à partir d'un donneur de sucre-phosphate réactif tel que l'uridine diphosphate glucose (UDP-Glc), sur un groupe hydroxyle accepteur du polysaccharide en croissance. Comme n'importe quel groupe hydroxyle du cycle du substrat peut servir d'accepteur, les polysaccharides produits peuvent présenter des structures linéaires ou ramifiées. Ces polysaccharides peuvent avoir des fonctions structurales ou métaboliques intrinsèques, ou être transférés aux lipides et aux protéines par les enzymes oligosaccharyltransférases .

Les terpènes et les isoprénoïdes constituent une vaste classe de lipides, incluant les caroténoïdes , et forment la plus grande classe de produits naturels végétaux . Ces composés sont synthétisés par l'assemblage et la modification d' unités isoprènes issues des précurseurs réactifs que sont le pyrophosphate d'isopentényle et le pyrophosphate de diméthylallyle . Ces précurseurs peuvent être produits de différentes manières. Chez les animaux et les archées, la voie du mévalonate produit ces composés à partir d'acétyl-CoA , tandis que chez les plantes et les bactéries, la voie non mévalonate utilise le pyruvate et le glycéraldéhyde-3-phosphate comme substrats . Une réaction importante utilisant ces donneurs d'isoprènes activés est la biosynthèse des stérols . Dans ce processus, les unités isoprènes s'assemblent pour former le squalène , puis se replient et s'organisent en cycles pour former le lanostérol . Le lanostérol peut ensuite être converti en d'autres stérols tels que le cholestérol et l'ergostérol .

Les acides aminés sont assemblés en protéines par liaisons peptidiques . Chaque protéine possède une séquence unique de résidus d'acides aminés : c'est sa structure primaire . De même que les lettres de l'alphabet peuvent se combiner pour former une variété quasi infinie de mots, les acides aminés peuvent s'assembler selon différentes séquences pour former une grande variété de protéines. Les protéines sont synthétisées à partir d'acides aminés activés par leur fixation à une molécule d'ARN de transfert (ARNt) via une liaison ester . Ce précurseur , l'aminoacyl-ARNt, est produit par une réaction ATP -dépendante catalysée par une aminoacyl-ARNt synthétase . Cet aminoacyl-ARNt sert ensuite de substrat au ribosome , qui fixe l'acide aminé à la chaîne protéique en cours d'élongation, en utilisant l'information de séquence contenue dans un ARN messager .

L’ ouvrage d’ Aristote , « Les parties des animaux », expose suffisamment en détail sa conception du métabolisme pour permettre l’élaboration d’un modèle à flux ouvert. Il pensait qu’à chaque étape du processus, les matières issues des aliments étaient transformées, la chaleur étant libérée sous la forme de l’ élément classique du feu, et les matières résiduelles étant excrétées sous forme d’urine, de bile ou de matières fécales.

Ibn al-Nafis a décrit le métabolisme dans son ouvrage de 1260 après J.-C. intitulé Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (Le Traité de Kamil sur la biographie du Prophète) qui comprenait la phrase suivante : « Le corps et ses parties sont dans un état continu de dissolution et de nutrition, ils subissent donc inévitablement un changement permanent. »

L'histoire de l'étude scientifique du métabolisme s'étend sur plusieurs siècles et a évolué, passant de l'examen d'animaux entiers lors des premières études à l'étude des réactions métaboliques individuelles en biochimie moderne. Les premières expériences contrôlées sur le métabolisme humain ont été publiées par Santorio Santorio en 1614 dans son ouvrage *Ars de statica medicina* . Il y décrit comment il se pesait avant et après avoir mangé, dormi , travaillé, eu des rapports sexuels, jeûné, bu et déféqué. Il constata que la majeure partie des aliments ingérés était éliminée par ce qu'il appelait la « transpiration insensible ».

Dans ces premières études, les mécanismes de ces processus métaboliques n'avaient pas été identifiés et l'on pensait qu'une force vitale animait les tissus vivants. Au XIXe siècle, en étudiant la fermentation du sucre en alcool par la levure , Louis Pasteur conclut que la fermentation était catalysée par des substances présentes dans les cellules de levure qu'il nomma « ferments ». Il écrivit que « la fermentation alcoolique est un acte corrélé à la vie et à l'organisation des cellules de levure, et non à leur mort ou à leur putréfaction ». Cette découverte, ainsi que la publication par Friedrich Wöhler en 1828 d'un article sur la synthèse chimique de l' urée , est remarquable car elle représente le premier composé organique préparé à partir de précurseurs entièrement inorganiques. La synthèse de l'urée par Wöhler démontra que des composés organiques pouvaient être créés à partir de précurseurs inorganiques, remettant en question la théorie de la force vitale qui dominait la science du début du XIXe siècle. Les analyses modernes considèrent cette découverte comme fondamentale pour l'unification de la chimie organique et inorganique.

C’est la découverte des enzymes par Eduard Büchner au début du XXe siècle qui a séparé l’étude des réactions chimiques du métabolisme de l’étude biologique des cellules et marqué les débuts de la biochimie . Les connaissances biochimiques ont connu une croissance rapide tout au long du début du XXe siècle. Parmi les biochimistes modernes les plus prolifiques, Hans Krebs a apporté des contributions majeures à l’étude du métabolisme. Il a découvert le cycle de l’urée et, plus tard, en collaboration avec Hans Kornberg , le cycle de l’acide citrique et le cycle du glyoxylate. La recherche biochimique moderne a été grandement facilitée par le développement de nouvelles techniques telles que la chromatographie , la spectroscopie RMN , la microscopie électronique et les simulations de dynamique moléculaire . Ces techniques ont permis la découverte et l’analyse détaillée de nombreuses molécules et voies métaboliques dans les cellules.