biologie cellulaire (1)

BIOLOGIE CELLULAIRE

1- Introduction.
La cellule est l'unité de base du monde vivant. Elle est capable de vivre et de reproduire de manière autonome. La cellule est un assemblage de molécules simples et de macromolécules. La vie de la cellule dépend de la présence et du fonctionnement de structures qui se trouvent en son sein : les organites cytoplasmiques.
La cellule est séparée de tout ce qui lui est extérieur par la membrane plasmique (membrane cellulaire). Elle permet d'isoler la cellule du milieu extracellulaire mais aussi d'effectuer des échanges avec ce milieu.
Le milieu externe de la cellule, dans lequel évoluent les organites, est appelé le cytoplasme. Les organites sont délimités du cytoplasme par des membranes similaires à la membrane cellulaire. Chaque famille d'organites a un rôle bien défini, et ces rôles sont coordonnés de manière à permettre le fonctionnement cohérent de la cellule pendant sa vie.
La reproduction de la cellule contrôlée par des organites spécifiques qui apparaissent uniquement pendant la division : le fuseau achromatique et les centrioles.
L'ensemble de l'activité cellulaire est sous le contrôle d'une série de molécules spécialisées : les acides nucléiques (ADN et ARN) qui peuvent se trouver libre dans le cytoplasme ou rassemblés dans une structure à part : le noyau.
Les cellules pourvues d'un noyau sont les cellules eucaryotes (cellule des organismes animaux ou végétaux). Les autres sont des cellules procaryotes comme les cellules bactériennes.
L'activité propre d'une cellule peut suffire à sa survie, dans ce cas, la cellule forme une unité indépendante : un organisme unicellulaire. Plusieurs cellules du même type ou dont les activités sont complémentaires peuvent se réunir et former un tissu. Plusieurs tissus dont les activités sont complémentaires forment un organe et plusieurs organes forment un organisme pluricellulaire.

2- Structure et ultra structure de la cellule.
A- la membrane plasmique (feuille 2).
La structure de la membrane cellulaire également appelée membrane plasmique ou cytoplasmique, est la même que celle des membranes qui délimitent les organites cytoplasmiques.
Les molécules qui sont à la base de cette structure sont les phospholipides (feuille 2, schéma 1). Chaque molécule de phospholipides a un pôle hydrophile (aime l'eau) et un pôle hydrophobe (qui n'aiment pas l'eau).
Les milieux extracellulaires et intracellulaires étant des solutions aqueuses, ces molécules s'organisent dans l'espace en deux couches (bicouche) de telle manière que les pôles hydrophiles soient en contact avec ses 2 milieux et que les pôles hydrophobes se trouvent face à face.
Dans cette structure de base se trouvent intercalé d'autres molécules :
- les molécules de cholestérol qui interviennent dans la fluidité de la membrane.
- les molécules de glucides toujours situés sur le versant externe de la membrane et ancrée sur des protéines.
- les protéines qui peuvent se situer sur l'un des versants de la membrane (protéines extrinsèques) où traversent la membrane (protéines intrinsèques). Les protéines membranaires ont de multiples fonctions : elles transportent certaines cellules à travers la membrane, permettent ou non l'accès de certains ions à la cellule, reconnaissent les molécules signalent comme les neurotransmetteurs par exemple.
L'ensemble de ces molécules constitue une barrière entre deux milieux différents, souvent définie comme " une mosaïque fluide". Les déplacements de molécules sont très fréquents selon l'activité cellulaire.
Les fonctions de la membrane cellulaire sont :
- la délimitation et la protection de la cellule, et le maintien de sa forme.
- le transport de substances : dans son ensemble la membrane cellulaire se comporte comme un filtre sélectif bidirectionnel qui sépare le milieu extracellulaire du milieu intracellulaire.
- la liaison entre les cellules par des jonctions intercellulaires.
- la synthèse de certaines molécules notamment l'épidique. La membrane est le siège d'une importante activité enzymatique de synthèse. Dans les cellules procaryotes, la membrane est également le siège des enzymes du métabolisme énergétique.
- le transport et les échanges de substances avec le milieu extracellulaire.

B- le cytoplasme.
Ils représentent 85 à 90 % du volume de la cellule. Il est formé d'une substance fondamentale : le hyaloplasme et d'organites cytoplasmiques.

Le cytoplasme est traversé dans tous les sens par un réseau complexe : micro filaments ou microtubules qui constitue le cytosquelette. Leur fonction est de maintenir la forme cellulaire, d'assurer ses mouvements dans les tissus, le déplacement des organites et des molécules à l'intérieur de la cellule. À ce squelette peuvent s'attacher des structures protéiques qui se prolongent en dehors de la cellule comme les cils ou flagelles.


C- les organites cytoplasmiques.
• les mitochondries.
Les mitochondries sont des organites responsables de la production, de la mise en réserve et de l'utilisation de l'énergie. Elles sont délimitées par une double membrane dont le feuillet interne forme des plis profonds qu'on appelle crêtes mitochondriales.
L'intérieur de l'organite est occupé par une matrice. Les mitochondries ont la double particularité de pouvoir assurer par leurs propres moyens une partie de la synthèse des protéines nécessaires à leur fonctionnement et de se reproduire indépendamment de la division cellulaire.
Pour cela, elles contiennent une molécule d'ADN et des ribosomes. Le métabolisme énergétique a lieu dans la matrice.

• réticulum endoplasmique et appareils de Golgi.
Le réticulum endoplasmique est un réseau étendu de membrane en continuité avec la membrane du noyau. Certains endroits de ce système sont couplés aux ribosomes, ce qui leur donne un aspect granuleux ou rugueux, d'autre part : le réticulum lisse.
Le réticulum endoplasmique rugueux est en étroite interconnexion avec un autre système de membrane : appareils de Golgi.
Dans le réticulum endoplasmique rugueux, les ribosomes sont le siège de la synthèse des protéines destinées à entrer dans la constitution des membranes, à l'exportation ou aux lysosomes. Ces protéines transitent le long du RER, forment des vésicules de transports sont transférés vers l'appareil de Golgi, où elles acquièrent leurs structures définitives. Elles sont finalement transférées sous forme de vésicules vers leur destination finale. La partie du réticulum endoplasmique contient dans sa structure les enzymes nécessaires à la synthèse de lipides (phospholipides et hormones stéroïdiennes) et constitue en même temps pour certaine cellule une réserve d'ions calcium (un exemple : la fibre musculaire).

• les ribosomes.
Ce sont des particules constituées essentiellement d'ARN (ARN ribosomal) et de protéines. Ils sont des catalyseurs de la synthèse des protéines. Un ribosome est formé de deux unités de poids moléculaire différents entre lesquels s'insère le brin d'ADN messager qui doit servir de matrice à la synthèse des protéines.
Ces organites peuvent se trouver libre dans le cytoplasmique ou attacher au réticulum endoplasmique pour former le RER. Lorsqu'ils sont actifs, plusieurs ribosomes se couplent à l'ARN messager et à l'ARN de transfert.

• lysosomes.
Ce sont des organites de formes très variables qui se trouvent en grand nombre dans les cellules. Ils ont pour fonction la dégradation des molécules cellulaires et sont pourvus à cet effet d'un équipement enzymatique important. Toutes ces enzymes sont des hydrolases (cassure grâce à l'eau) et leur pH d'action est acide. Ils sont également responsables de la digestion des molécules ou particules ingérées par la cellule (hormones, bactérie...)

D- Le noyau.
Structure cellulaire, spécificité des eucaryotes. Il est constitué d'une double membrane à l'intérieur dans laquelle se trouve du cytoplasme nucléaire (nucléoplasme) de l'ADN sous forme de chromatine et un ou plusieurs nucléoles.
La membrane nucléaire se continue avec le RER et est recouverte par de nombreux ribosomes. Elle présente des pores à travers lesquels se font les échanges entre le noyau et le cytoplasme. L'ADN nucléaire est organisé pendant l'interphase en chromatine et pendant la division en chromosome. L'ADN cellulaire se trouve presque intégralement dans le noyau.

3- Les principales fonctions de la cellule.
A- Les échanges avec le milieu extracellulaire.
Les échanges entre les milieux intra et extracellulaire s'effectuent à travers la membrane cellulaire par transport trans-membranaire ou par formation de vésicules à partir de la membrane.

• Transport trans-membranaire.
Transport passif : Il se fait dans le sens d'un gradient de concentration (depuis la concentration la plus importante vers la concentration la plus faible) et ne nécessite pas de consommation d'énergie. Il peut être de deux types de la diffusion libre ou la diffusion facilitée.
- diffusion libre :
Les petites molécules non chargées du point de vue électrique comme les gaz, l'eau, l'urée... peuvent traverser librement les membranes cellulaires. Les facteurs limitants de ce type de transport, sont la taille des molécules et leur polarité.
- diffusion facilitée :
Elle s'effectue à l'aide de deux types de protéines membranaires : les protéines canaux et les protéines de transport.
Ce mode de transport ne requiert aucune consommation d'énergie.
Les protéines canaux sont des protéines dont la configuration spatiale forme un tube ou un pore et à travers lequel peuvent passer certains ions. Les plus importants sont les canaux pour le potassium, le sodium, calcium, le chlorure. Ces canaux s'ouvrent pendant de brèves périodes pour laisser passer les ions respectifs. Ils peuvent être activés soit pas dépolarisation électrique de la membrane ou soit par couplage d'une molécule chimique à la membrane cellulaire, molécules appelées neurotransmetteurs (l'adrénaline, l'acétylcholine...). Les ions passent à travers ces canaux sans se lier à la protéine.
Les protéines de transport lient certaines molécules et par modification de leur configuration, leur permettent de passer d'une part et d'autre de la membrane.

Transport actif : Il se produit contre un gradient de concentration avec consommation d'énergie fournie le plus souvent par l'ATP. Ce type de transport se fait aussi à travers des canaux qui sont des protéines de membranes couplées à une ATPase permettant d'obtenir l'énergie par dégradation de l'ATP. Certaines molécules qui ne passent pas spontanément les membranes et qui n'ont pas de canal transporteur spécifique peuvent être éventuellement transporté par couplage avec un mécanisme de transport actif. Ce processus s'appelle transport actif secondaire ou couplé.

Exemple : le cas du glucose, couplés à celui des ions sodium au niveau des cellules intestinales. Les protéines canaux ou de transport capable de transporter une seule molécule sont des uniports.
Lorsque deux molécules ou ions peuvent être transportées en même temps les molécules de transport sont des symports. Lorsque le transport se fait par échange d'un ion ou d'une molécule dans un sens contre un autre dans le sens contraire la protéine de transport et un antiport.
Ces différents mécanismes sont utilisés dans le processus d'absorption et/ou d'élimination de certaines substances par les cellules de l'organisme.


• l'endocytose- exocytose.
Endocytose est le processus par lequel la membrane cellulaire forme une invagination puis une vésicule appelée endosome, qui contient la particule à incorporer. Lorsque la vésicule est de petite taille le processus s'appelle pinocytose, lorsqu'elle est de grande taille on parle de phagocytose.

L'endocytose peut-être :
- constitutive lorsqu'elle se produit à partir d'une portion de membrane qui vient au contact avec le produit à incorporer.
- spécifique lorsqu'elle se fait à partir de région bien définie et spécifique contenant des récepteurs pour certaines molécules. C'est le cas pour la protéine qui transporte le fer dans les cellules que l'on appelle l'apoferritine.

La phagocytose consiste en l'incorporation de particules de tailles plus importantes dans des vésicules appelées phagosomes. La phagocytose se déroule en deux temps. La particule à incorporer est fixé sur la membrane (phase de fixation) puis incorporer dans le phagosome (phase d'ingestion). La fixation se fait par le biais de récepteurs membranaires. Chez l'homme, elle a un rôle primordial dans les mécanismes de défense.

Exocytose est le processus inverse à l'endocytose. C'est l'élimination de certaines particules ou molécules de taille importante à l'extérieur de la cellule, par des vésicules qui fusionnent avec la membrane cellulaire.
Ce processus est particulièrement important pour l'élimination de la cellule, les produits de synthèse destinée à l'exportation notamment de protéines. Des fragments de l'appareil de Golgi se détachent et forment des vésicules contenant des protéines, fusionne avec la membrane cellulaire et libèrent leurs contenus dans l'espace extra cellulaire.


B- Production et mise en réserve de l'énergie.
L'existence de la cellule est définie par sa capacité à maintenir à l'intérieur de sa membrane un milieu différent de ce qui se trouve en dehors. Cette particularité est essentiellement le fait de l'activité de transport trans-membranaire et surtout du transport actif qui se fait contre le gradient de concentration pour une substance donnée. Ce transport nécessite une consommation d'énergie.
Dans la cellule, l'énergie est produite à partir de molécules simples comme le glucose ou les acides gras, plus rarement à partir d'acides aminés. Ses molécules constituent le substrat énergétique cellulaire et leur origine est l'alimentation. L'organisme est capable de stocker une certaine quantité de substrat énergétique sous forme de réserve glucidique et lipidique (les graisses) notamment dans le tissu adipeux, le foie et les muscles. (Voir cours précédent)
La dégradation de ces molécules nécessite l'intervention de ces nombreuses enzymes qui sont des protéines synthétisées par la cellule. Pour accomplir cette dégradation, la cellule a besoin d'oxygène fourni par la respiration. Une fois produite, l'énergie peut être utilisée immédiatement, ou stockée. La plus importante forme de stockage de l'énergie est l'ATP.


• structure et fonction de l'ATP.
L'ATP (adénosine triphosphate) est une molécule constituée de :
- une base azotée : l'adénine.
- un sucre : le ribose (cinq carbones).
- trois radicaux phosphates liés entre eux.

La production d'ATP nécessite la présence d'une enzyme c'est l'ATP synthase. Celle-ci est fournie dans les cellules eucaryotes essentiellement au niveau mitochondrial suite à la dégradation de substrat énergétique dans la matrice des mitochondries grâce au cycle de Krebs appelé aussi béta-oxydation. Ils sont ensuite transportés par des coenzymes dans l'espace séparant les deux membranes des mitochondries sous forme de protons H+. Leur retour dans la matrice ne peut se faire que par l'ATP synthase (figure 5). Celle-ci est une protéine constituée de deux unités, l'une constituant un canal pour les protons et l'autre permettant la synthèse de l'ATP. Plus rarement, l’ATP peut être obtenu par transfert d'un groupe phosphate à partir d'une autre molécule comme la créatine phosphate (figure 2).
Les trois liaisons phosphate de l'ATP ne sont pas équivalentes du point de vue de l'énergie qu'elles emmagasinent. La plus énergétique est la liaison la plus éloignée de l'adénosine. C'est aussi celle qui est le plus souvent utilisé, couplé avec d'autres réactions, pour fournir de l'énergie. Une fois cette troisième liaison phosphate dégradée la molécule devient ADP (adénosine diphosphate).


• enzymes et catalyse enzymatique.
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques. Ce sont des substances qui sans modifier les produits d'une réaction chimique sont capables d'augmenter la vitesse à laquelle l'équilibre de la réaction est atteint.

Structure.
Les enzymes sont des molécules dont la structure de base est protéique. Elles peuvent être des protéines simples ou des hétéroprotéines. Certaines enzymes peuvent présenter plusieurs configurations spatiales tout en gardant une même action. Ses molécules sont appelées iso enzymes. Les molécules d'enzymes présentes un centre actif, qui est la portion de la molécule se liant au substrat.

Fonction des enzymes.
Les fonctions des enzymes sont :
- d'augmenter la vitesse de réaction
- de rendre possible les réactions biochimiques dans les conditions particulières de l'organisme.
- de coupler si nécessaire des réactions consommatrice d'énergie avec des réactions productrices d'énergie (ATPase).

Spécificités.
L'action des enzymes est spécifique à plusieurs titres :
- spécificités de réaction : une enzyme de catalyser un seul type de réaction (hydrolyse, phosphorilation) ou même une seule réaction biochimique (lactase déshydrogénase, alcool déshydrgénase, glucose).
- spécificités de substrat : elle peut être large (hydrolase du tube digestif: la pepsine et trypsine), de groupe (alcool déshydrogénase qui agit sur plusieurs alcool) ou absolue (uréase qui ne catalyse que la décomposition de l'urée).
- spécificités stéréochimique : certaines enzymes ne peuvent utiliser comme substrat que les isomères (dextrogyre et évogyres).

La régulation des enzymes pour
- l'excès d'enzymes bloquent sa propre production.
- l'abondance du substrat induit la synthèse de l'enzyme en quantité de plus en plus importante et augmente son activité. C'est le cas de l'alcool des hydrogénases chez les personnes qui consomment régulièrement de l'alcool. Un contre-exemple celui de la lactase. Dans les populations dont l'alimentation est pauvre en laitage. Cette enzyme disparaît du tube digestif après l'âge de quatre à cinq ans. Son activité peut reprendre si l'alimentation lactée reprend.
- inversement, l'excès de produits de réaction bloque l'activité et la synthèse des enzymes par un mécanisme de rétrocontrôle.
- la synthèse des enzymes se fait comme toute synthèse de protéines : dans le noyau cellulaire. L'absence du gène codant un enzyme induit l'absence définitive de cette enzyme dans l'organisme. L'absence du gène codant le lactase induit l'absence totale de cette enzyme chez les nouveau-nés et chez l'individu pendant toute sa vie ce qui entraîne la possibilité de digérer le lactose.
- pour certains enzymes qui catalysent des réactions nécessitant une consommation d'énergie, les possibilités de couplage à l'ATP comme fournisseurs d'énergie peuvent constituer un facteur de modulation de leur activité.

Les conditions d'action.
Les principaux paramètres qui influencent l'activité des enzymes sont :
- la température : chaque enzyme à une température d'action optimale. Pour les enzymes de l'organisme humain la température optimale se situe aux alentours de 40°. L'augmentation de cette augmentation peut élever l'activité enzymatique et donc le métabolisme cellulaire. Au-delà de certaines limites, non seulement l'activité enzymatique n'augmente plus, mais peu diminuer et la structure protéique de l'enzyme peut même être dénaturée de manière irréversible. La diminution de la température peut diminuer l'activité enzymatique et dans certaines conditions particulières la bloquer:
- le pH: dans l'organisme humain, le pH d'action optimale des enzymes dépend de l'endroit où celle-ci se trouve. Pour les enzymes cellulaires, ce pH se situe environ à 7,4.
- la concentration de l'enzyme et du substrat. En principe, l'augmentation de la quantité de substrat augmente l'activité de l'enzyme.
- la présence d'inhibiteur : certaines substances sont capables d'inhiber et même de bloquer l'activité des enzymes. Cette inhibition peut être réversible ou irréversible.
- la présence d'activateurs: certains enzymes sont secrétés sous forme inactive (du pro enzymes). Les molécules capables de modifier la structure du pro enzymes pour en faire un enzyme active sont des activateurs. En général, l'activation induit la séparation d'un fragment de la molécule initiale.

Localisation des enzymes.
Les enzymes peuvent être localisées dans les cellules (enzymes intracellulaires) ou sécrétés par les cellules (enzymes extracellulaires).

• coenzyme et vitamine.
Coenzyme.
Les coenzymes sont des molécules non protéiques qui favorise l'activité des enzymes et qui sont modifiés au cours de la réaction. Dans les réactions catalysées par des enzymes, il est fréquent d'observer un transfert d'électrons ou de groupes d'atomes d'une molécule à une autre. Ces transferts se font par l'intermédiaire de tiers molécules qui prennent transitoirement en charge le groupe transporté. Ses molécules sont les coenzymes. Elles ne sont pas directement actives dans les réactions et ne sont pas spécifiques c'est-à-dire qu'un même coenzyme peut servir pour plusieurs enzymes.

Deux grands groupes de coenzyme sont importants pour le fonctionnement de l'organisme humain :
-les coenzymes de l'oxydoréductions : molécules capables de transporter des particules chargées électriquement (protons ou électrons) d'une molécule à une autre.
Les principaux représentants sont :
* les pyridines nucléotides: NAD et NADP.
* les flaviniques: FAD et FMN.
* groupement hème : impliqués dans la chaîne respiratoire (cytochromes).
* coenzyme Q.
Ces molécules ont un rôle fondamental, dans le métabolisme énergétique cellulaire.

-les coenzymes de transfert de groupements sont des molécules permettant le transfert enzymatique de groupements d'une molécule et une autre.
Les principaux représentants sont :
* les nucléosides phosphates : ATP, GTP. Peuvent transférer un radicale phosphate vers d'autres molécules. Par ce moyen ils transfèrent aussi un potentiel énergétique.
* le coenzyme A responsable du transfert de groupements acyl notamment l'acétyl, produit intermédiaire de la dégradation des glucides, des lipides et de certains acides aminés.
* la pyridoxine.
* tétrahydrofolate.


Les vitamines.
Ce sont des substances nécessaires au fonctionnement des animaux supérieurs, substances qui ne peut pas synthétiser et qui ne peuvent se procurer que par la ration alimentaire. Elles sont utilisées en très faible quantité et ils sont pour la plupart des précurseurs des coenzymes la classification des vitamines se fait selon leur solubilité en hydrosoluble et liposoluble.

• les grandes étapes du métabolisme.
Le catabolisme est la partie du métabolisme qui comprend les réactions de dégradation des molécules. Le catabolisme génère des résidus métaboliques, du CO2, l'eau et de l'énergie.
La production d'énergie est une fonction capitale de la cellule. Pour sa production la cellule utilise comme substrat des molécules simples :
-le glucose, le galactose, le fructose.
-les acides gras et quelques monoglycérides
-les acides aminés et très rarement des dioutripeptines.

Le cycle de Krebs.
Le métabolisme énergétique est structuré autour d'une plaque tournante capable d'intégrer les produits de la dégradation métabolique de tous les substrats. Cette tournante est le cycle de Krebs (cycle de l'acide cytrique).
Il s'agit d'une succession de réaction biochimique dans lesquelles est une molécule d'oxalo-acétate est couplé avec le coenzyme A. Le radicale acétyl est un métabolite commun à la dégradation du glucose des acides gras et de certains acides aminés. Le produit de cette réaction est un acide avec trois fonctions carboxyles : l'acide cytrique.
À travers une succession de réaction, l'acide cytrique perd successivement deux atomes de carbone (sous forme de CO2) pour revenir à une molécule d'oxaloacétate qui reprend le cycle.
Dans cette suite de réactions sont également obtenus des atomes d'hydrogène (captée par les coenzymes NAD et FAD) et de l'énergie emmagasinée sous la forme d'une molécule d'ATP ou GTP. L'ensemble des réactions de ce cycle nécessite la présence d'enzymes et tous les enzymes sont localisés dans la matrice des mitochondries. En fait, le bénéfice du cycle de Krebs est la destruction d'une structure de deux atomes de carbone avec génération d'énergie et réduction des coenzymes.

Le rendement énergétique de cette séquence de réaction prise de manière indépendante est limité. La rentabilité est donnée par ceux qui la précèdent (c'est la dégradation de substrat énergétique en molécules d'acétyle CoA). Et surtout par ce qu'il lui succède : c'est l'oxydation des formes réduites des coenzymes NADH, H et FADH dans la chaîne respiratoire. Globalement le cycle de Krebs, fournit 12 ATP.

Les modalités d'accès au cycle de Krebs.
Cet accès se fait différemment selon le substrat énergétique considéré :

La glycolyse.
L'accès du glucose se fait par sa dégradation en acétyl CoA. Elle consiste en la coupure d'une molécule de glucose contenant six atomes de carbone en deux molécules d'acide pyruvique contenant seulement trois atomes de carbone. La glycolyse est dans son ensemble réversible, ce qui veut dire que la cellule peut utiliser les mêmes étapes pour dégrader le glucose ou pour le produire en changeant simplement le sens dans lequel les réactions ont lieu. Seule la dernière étape, l'obtention de l'acide pyruvique est irréversible.

Le bilan énergétique de ces réactions est positif. En elles consomment des molécules d'ATP pour activer le glucose mais en produisent quatre ce qui veut dire que le rendement énergétique de la glycolyse est de deux molécules d'ATP pour une molécule de glucose. Le rendement énergétique global inclut en plus les deux molécules de NADH, H (qui seront dégradés plus tard dans la chaîne respiratoire). Pour chaque molécule de NADH, H oxydées, on obtient pour trois molécules d'ATP ce qui donne un rendement global de 2 + 6= 8 ATP

L'acide pyruvique est la molécule de la glycolyse capable de traverser la membrane de la mitochondrie. Dans la matrice mitochondriale, il subit une dégradation irréversible en acétyl COA par perte d'un atome de carbone sous forme de CO2 et de deux hydrogène cédés en aux coenzymes NAD. Le bilan de cette réaction est :

Le rendement énergétique de la réaction est donné par l'utilisation du NADH, H avec production de trois ATP. Si le pyruvate n'est pas utilisé, dans le cycle de Krebs il s'accumule et se transforme en acide lactique avec consommation d'une molécule de NADH, H. Cette transformation porte le nom de fermentation lactique et son bilan est le suivant :



* -oxydation des acides gras : l'accès des acides gras au cycle de Krebs se fait également par l'acétyl CoA. Les acides gras entrent dans la cellule, sont couplé avec le CoA avec consommation d'énergie. La dégradation des acides gras a lieu dans la matrice des mitochondries par le détachement successif de groupe de deux atomes de carbone de leurs molécules. Ce processus porte le nom de -oxydation.
Le résultat de la -oxydation est l'obtention directe de molécules d'acéty CoA et d'hydrogène comme les acides gras sont des molécules constituées d'un nombre pair d'atomes de carbone, la quantité d'acétyl CoA obtenu du molécule d'acide gras dépend de la taille de cette dernière.
La -oxydation permet en fait de détruire progressivement une molécule d'acides gras avec formation de molécules d'acétyl CoA et la libération d'hydrogène capté par des coenzymes FAD et NAD. L'acétyl CoA est utilisé dans le cycle de Krebs à l'intérieur des mitochondries.

Les coenzymes FAD et NAD réduits sont utilisés dans la chaîne respiratoire avec génération d'ATP. Par un acide gras en particulier le rendement énergétique est donné par le nombre d'atomes de carbone.

• accès des acides aminés au cycle de Krebs.
L'accès des acides et mini au cycle de Krebs est très différent selon la molécule considérée. Certains acides aminés comme l'alanine ou la sérine sont dégradées en acide pyruvique et rejoignent la voie de la glycolyse. D'autres entrent directement dans le cycle de Krebs à différents niveaux par exemple : la proline ou l'arginine sont dégradées en acétyl CoA le sont en succinyl-CoA.

• le devenir des protons. La chaîne respiratoire.
La chaîne respiratoire est un ensemble cohérent d'enzymes pour la plupart localisées dans la membrane interne des mitochondries qui assurent le transfert de l'hydrogène obtenu dans les réactions précédemment décrites vers un atome d'oxygène. Ce transfert a pour conséquence la formation du molécule d'eau et la libération d'une grande énergie utilisée à la synthèse d'ATP. La particularité de la chaîne respiratoire est que les atomes d'hydrogène ne sont pas transférés directement sur un atome oxygène mais sont d'abord séparés en électrons et protons. Ceux-ci suivent des voies différentes, génère par leur séparation même un potentiel électrique et se rejoignent finalement pour se coupler à l'oxygène (la figure5 et 6).
Chacune des étapes de la chaîne respiratoire donne lieu à un dégagement d'énergie qui sert à activer l'ATP synthase et à produire de l'ATP. Pour chaque molécule de NADH,H entrant dans la chaîne respiratoire, il se dégage un bénéfice énergétique de trois ATP. Pour les molécules de FADH se dégage seulement deux ATP. Si on fait le bilan énergétique de toutes les réactions de dégradation d'une molécule du glucose on obtient:
8 ATP de la glycolyse + 2 3 ATP du cycle de Krebs 38 molécules d'ATP pour une molécule de glucose.
Si l'on tient compte des pertes énergétiques comme la chaleur, le bilan devient 32 ATP par molécules de glucose et 106 ATP par molécule d'acide palmitique au lieu de 129 au départ.

• la mise en réserve de l'énergie.
L'organisme humain comme tous les autres organismes supérieurs à une alimentation discontinue. C'est la raison essentielle pour laquelle l'organisme dispose de réserves énergétiques. Ces réserves sont en fait des dépôts de substrat énergétique : de glucides dans le muscle strié et dans le foie, et de la triglycéride dans le tissu adipeux.

Les réserves de glucides.
Le stockage de glucides se fait sous forme de glycogène (polysaccharide constitué uniquement de molécules glucose reliant en chaîne avec des ramifications). La constitution et l'allongement de la chaîne constitue la glycogénogenèse et elle est catalysée par une enzyme : la glycogène synthase. La dégradation du glycogène constitue la glycogénolyse grâce au glycogène phosphorylase.
L'organisme humain peut stocker entre 350 et 450 g de glycogène. Cette réserve est située dans sa quasi-totalité dans deux tissus : le tissu musculaire strié (2/3) et le foie (1/3). Cette quantité est relativement limitée et toutefois essentielle au bon fonctionnement de l'organisme car elle est rapidement mobilisable et reconstituable. La réserve hépatique (foie) est surtout destiné à maintenir une concentration constante de glucose dans le sang appelé glycémie pendant quelques jours mêmes dans des conditions de jeun. Par la suite les besoins en glucose sont satisfaits par la synthèse de glucose à partir de molécules non glucidiques, processus connu sous le nom de néoglucogenèse. Le principal organe capable de ce processus est le foie. Cette voie métabolique est importante dans des conditions particulières comme les périodes de jeun prolonger, l'effort musculaire intense ou pour certaines cellules qui ne peuvent utiliser d'autre substrat énergétique que le glucose ou les neurones.
Les molécules à partir desquelles l'organisme peut produire le glucose sont :
-le lactate, résultat de métabolisme des glucides en absence de l'oxygène comme les réactions de la glycolyse ne sont pas toutes réversibles, la voie de la synthèse du glucose est différente de celle de sa dégradation. Cette voie est importante par exemple lors d'un effort musculaire soutenu quand la quantité d'oxygène n'est pas suffisante pour permettre le fonctionnement en régime aérobie l'ensemble de ses réactions se fait avec consommation de six molécules d'ATP ce qui diminue d'autant le rendement énergétique de l'utilisation de la molécule de glucose obtenu.
-le glycérol : trialcool résultant de la dégradation des triglycérides. Il est activé par couplage, un résidu d'acide phosphorique puis oxydé en dihydroxyacétone phosphate qui est le précurseur du fructose phosphate dans la voie commune de la glycolyse et néoglucogenèse. Certains acides aminés peuvent également être utilisés pour la néoglucogenèse et notamment l'alanine, molécule à trois atomes de carbone relativement proche de l'acide pyruvique.

• réserve lipidique.
Les principales molécules de réserves sont les triglycérides leur principal le lieu de mise en réserve est le tissu adipeux et cellules (adipocyte). Ces réserves de graisse sont soumises à un renouvellement continu toutes les deux à trois semaines. Les lipides absorbés dans le tube digestif, circulent dans le sang lié à des protéines sous forme de lipoprotéines. Les acides gras traversent aisément les membranes cellulaires et entre les adipocytes pour former des triglycérides sous action que lipase. Les adipocytes peuvent contenir jusqu'à 95 % de leur volume en triglycérides une deuxième partie des acides gras est dégradés à des fins énergétiques dans les hépatocytes. Une autre voie métabolique importante est la synthèse des acides gras à partir des glucides et dans une moindre mesure.
Lorsqu'une quantité importante de glucose est absorbée et arrive au foie, celui-ci peut l'utiliser pour synthétiser du glycérol. Si les capacités de synthèse du glycérol sont dépassées, le glucose est dégradé jusqu'au stade acétyl CoA pluies et des vieilles vers la synthèse. Cette voie métabolique est importante pour deux raisons majeures :
-tissus qui peuvent stocker du glycogène peuvent disposer de réserves énergétiques. L'organisme peut en magasiner des kilos de lipides 150 fois les réserves glucidiques.
-rendement du stockage lipidique est plus important que celui du stockage glucidique 1 g de lipides renferme l'équivalent énergétique de 2 g et demi de glycogène.

En règle générale l'organisme utilise les glucides tant qu'il existe un surplus glucidique disponible. Les réserves lipidiques ne sont mobilisées qu'en absence de glucides ce qui veut dire que l'amaigrissement ne peut être obtenu que de deux manières : en diminuant l'apport calorique et glucidique ou en augmentant la consommation énergétique. La principale régulation de cet ensemble métabolique est assurée par l'insuline mais d'autres hormones interviennent également comme l'adrénaline, le corti en, les hormones de croissance, les hormones thyroïdiennes.

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