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ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant De Wikipédia, l'encyclopédie libre
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Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l'intérieur de chaque cellule d'un être vivant et lui permettent notamment de se maintenir en vie, de se reproduire (se diviser), de se développer et de répondre aux stimuli de son environnement (échanges par exemple). Certaines de ces réactions chimiques se déroulent en dehors des cellules de l'organisme, comme la digestion ou le transport de substances entre cellules. Cependant, la plupart de ces réactions ont lieu dans les cellules elles-mêmes et constituent le métabolisme intermédiaire.
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La biochimie cellulaire repose sur des réactions chimiques catalysées par des enzymes, c'est-à-dire des protéines possédant chacune la faculté de faciliter une réaction chimique spécifique. Ces réactions sont régies par les principes de la thermodynamique et s'organisent en voies métaboliques. Ces dernières sont constituées d'un ensemble de transformations permettant de convertir un composé chimique en un autre à travers des transformations successives, parallèles ou cycliques, catalysées par des enzymes. Certaines de ces enzymes sont soumises à une régulation par des métabolites cellulaires ou par des signaux extracellulaires. Ces facteurs de régulation modifient la cinétique enzymatique, accélérant ou ralentissant certaines réactions déterminantes, et aboutissant à l'autorégulation du système par l'ouverture et la fermeture des différentes voies métaboliques selon les circonstances.
Dans l'ensemble des réactions constituant le métabolisme, on distingue d'une part l'anabolisme, qui représente l'ensemble des voies de biosynthèse des constituants cellulaires (et/ou autres constituants), et d'autre part le catabolisme, qui représente l'ensemble des voies de dégradation de ces constituants cellulaires en petites molécules pour en libérer l'énergie par oxydation ou pour rebâtir d'autres constituants cellulaires. Les réactions de l'anabolisme et du catabolisme sont interconnectées à travers des molécules spécialisées jouant le rôle de cofacteurs enzymatiques. C'est par exemple le cas de l'adénosine triphosphate (ATP), dont l'hydrolyse en adénosine diphosphate (ADP) et en phosphate inorganique (Pi) est souvent couplée aux réactions d'anabolisme pour les rendre thermodynamiquement favorables. Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+ à l'état oxydé) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH à l'état réduit), quant à eux, sont des transporteurs d'électrons utilisés dans les réactions d'oxydoréduction cellulaires, le NAD+ plutôt dans le catabolisme et le NADPH dans l'anabolisme. Des coenzymes permettent également d'échanger de la matière entre les différentes voies métaboliques. Ainsi, la coenzyme A permet d'activer des groupes acyle pour former une acyl-CoA, dont la plus importante est l'acétyl-CoA : cette dernière se trouve au carrefour de plusieurs voies métaboliques majeures, telles que la dégradation des glucides et des lipides, la production d'énergie métabolique, ou encore la biosynthèse des acides gras et des oses.
Le métabolisme d'un être vivant définit les types de substances chimiques qui sont des nutriments pour cet organisme et lesquels sont au contraire des poisons : ainsi, le sulfure d'hydrogène H2S est indispensable au développement de certains procaryotes, alors que ce gaz est toxique pour les animaux[1] en général. L'intensité du métabolisme de base détermine également la quantité de nourriture nécessaire à l'organisme.
Il est frappant d'observer la similitude des voies métaboliques fondamentales et des composés biochimiques à travers les organismes les plus divers[2]. Ainsi, les acides carboxyliques constituant les intermédiaires du cycle de Krebs se retrouvent chez tous les êtres vivants connus de nos jours, allant d'un procaryote tel qu'E. coli jusqu'à un métazoaire tel que l'éléphant[3]. Ces similitudes remarquables sont très certainement dues à l'apparition précoce de ces voies métaboliques au cours de l'évolution des formes de vie sur Terre et à leur conservation en raison de leur efficacité[4],[5].
« On peut considérer, de façon arbitraire, trois périodes dans l'évolution des modes de raisonnement sur le fonctionnement des organismes vivants, depuis l'Antiquité grecque jusqu'à la Renaissance : la période des philosophes grecs riche d'idées audacieuses, souvent spéculatives, le Moyen Âge dominé par le pouvoir ecclésiastique qui prend de l'héritage grec ce qui est en accord avec le finalisme de la tradition biblique, enfin la période ou fleurit l'alchimie qui marque un renouveau dans la pratique expérimentale et annonce le nouvel esprit de la Renaissance[6]. »
Certains des philosophes grecs méditent sur la structure et la dynamique du vivant. Leur théorie des quatre éléments, enseignée jusqu'au XVIIIe siècle, considère que le monde (et donc les organismes vivants, leurs organes et tissus) résultent de l'association de la terre, du feu, de l'air et de l'eau et qu'elle devrait faire mieux comprendre le métabolisme des humeurs (chaque humeur étant associée à un organe)[7]. Dans son traité Parties des animaux, Aristote décrit le processus métabolique à partir d'un principe vital, le pneuma (pneuma inné apporté par le sperme ou pneuma inspiré, souffle vital produit par l'évaporation du sang qui a lieu dans le cœur, siège immédiat de l'âme)[8]. Ce souffle vital, fabriqué dans le cœur à partir de l'air inspiré « répartit dans le corps la chaleur qui donne la vie ; il permet la digestion et l'assimilation des aliments. Les aliments broyés par les dents sont désintégrés dans l'estomac, puis dans l'intestin pour être portés au cœur et transformés en sang[9]. »
La physiologie expérimentale plonge ses racines dans les alchimistes de l'Antiquité orientale, du Moyen Âge et de la Renaissance et dont les expérimentations sur les métaux ont préparé la méthode expérimentale. Dans ce contexte, Santorio Santorio fait figure de pionnier en inventant une balance reliée à un siège, afin de peser à la fois ce qu'il absorbe, et ce qu'il rejette à travers la transpiration et les excréments. Son expérience métabolique réalisée pendant une trentaine d'années donne les premiers résultats d'une étude à long terme sur le métabolisme humain, publiés dans son livre Ars de statica medicina en 1614[10].
La nutrition humaine devient une discipline scientifique à la fin du XVIIIe siècle et se concentre au XIXe siècle sur le métabolisme de base et la valeur calorique des aliments. Les expériences pionnières pour vérifier les liens entre la nourriture et l'énergie sont en effet réalisées dans le contexte de la crise sociologique de la révolution industrielle[11] où il devient « important pour les gestionnaires de fonder la hiérarchie du travail sur les capacités de chacun et, pour le travailleur, de connaître son rôle dans le système »[12]. L'impact du « paradigme énergétiste » dans les recherches se traduit alors par « la mesure du rendement de l'activité corporelle [qui] devient l’élément central du processus d’expérimentalisation de la physiologie »[13].
Au cours des années 1854 à 1864, Louis Pasteur réalise des expériences démontrant que la fermentation alcoolique n'est pas un processus purement chimique mais un processus physiologique résultant du métabolisme de microorganismes[14]. En 1897, le chimiste Eduard Buchner et son frère Hans (de), bactériologiste, montrent que cette fermentation nécessite des médiateurs du métabolisme, les enzymes, biocatalyseurs qui permettent d'accélérer la plupart des réactions biochimiques se déroulant dans la cellule (anabolisme, catabolisme, oxydo-réduction, transferts d'énergie)[15].
Depuis les années 1950, les recherches biochimiques se multiplient. S'appuyant sur le développement de techniques telles que la chromatographie, la microscopie électronique, la cristallographie aux rayons X, le traçage isotopique, la spectroscopie RMN ou la dynamique moléculaire, elles aboutissent à une meilleure connaissance des voies métabolique et des molécules impliquées.
Les animaux, les plantes et les microbes sont formés de trois grandes familles de molécules :
Ces molécules étant essentielles à la vie, le métabolisme cellulaire consiste ou bien à les synthétiser pour produire de nouvelles cellules et faire croître les tissus, ou bien à les dégrader lors de la digestion pour les utiliser comme sources d'énergie et de constituants élémentaires qui peuvent être recyclés dans la biosynthèse de nouvelles biomolécules.
Les macromolécules biologiques sont elles-mêmes des polymères appartenant à trois familles différentes :
Les protéines sont constituées d'acides α-aminés liés entre eux par une liaison peptidique pour former une chaîne linéaire. De nombreuses protéines sont des enzymes qui catalysent des réactions chimiques du métabolisme. D'autres protéines ont un rôle structurel ou mécanique, comme celles du cytosquelette, qui maintient la forme générale de la cellule[16]. Les protéines jouent également un rôle clé dans la signalisation cellulaire, comme anticorps du système immunitaire, l'adhérence cellulaire, le transport actif à travers les membranes et le cycle cellulaire. Les acides aminés contribuent également à fournir de l'énergie au métabolisme cellulaire en alimentant le cycle de Krebs[17], en particulier lorsque les principales sources d'énergie, telles que le glucose, font défaut, ou lorsque la cellule est soumise à un stress métabolique[18].
Les lipides sont le groupe de composés biochimiques le plus diversifié. Leur fonction structurelle principale est celle de constituant des membranes cellulaires, notamment de la membrane plasmique et du système endomembranaire des cellules eucaryotes, ainsi que de celles d'organites telles que les mitochondries et les chloroplastes, voire de sous-organites tels que les thylakoïdes. Ils sont également utilisés comme sources d'énergie. On les définit généralement comme des molécules biologiques hydrophobes et amphiphiles, solubles dans les solvants organiques tels que le benzène et le chloroforme[19]. Les graisses sont, parmi les lipides, un grand groupe de composés solides essentiellement constitués d'acides gras et de glycérol. Une molécule formée de trois résidus d'acides gras estérifiant les trois hydroxyles d'un résidu de glycérol est appelée triglycéride. Il existe diverses variations autour de ce thème central, par exemple avec de la sphingosine dans le cas des sphingolipides, et des groupes hydrophiles tels que le groupe phosphate dans le cas des phospholipides. Les stéroïdes, tels que le cholestérol, sont une autre famille importante de lipides[20].
Les glucides sont des aldéhydes ou des cétones ayant plusieurs groupes hydroxyle. Ces molécules peuvent exister sous forme linéaire ou cyclique. Ce sont les molécules biologiques les plus abondantes. Elles remplissent un grand nombre de fonctions, comme substances de stockage et le transport de l'énergie (amidon, glycogène) ou comme composants structurels (cellulose chez les plantes, chitine chez les animaux). Les monomères glucidiques sont appelés oses : ce sont par exemple le galactose, le fructose, et surtout le glucose. Ils peuvent polymériser en donnant des polysaccharides avec une variété de structures quasiment infinie[21].
Les nucléosides résultent de la liaison d'une molécule de ribose ou de désoxyribose à une base nucléique. Ces dernières sont des composés hétérocycliques contenant des atomes d'azote ; elles se divisent en purines et pyrimidines. Les nucléotides sont formés d'un nucléoside et d'un ou plusieurs groupements phosphates liés au sucre.
Les deux acides nucléiques, l'acide ribonucléique (ARN) et l'acide désoxyribonucléique (ADN), sont des polymères de nucléotides, ou polynucléotides. L'ARN est constitué de ribonucléotides (contenant un ribose) et l'ADN de désoxyribonucléotides (contenant un désoxyribose). Les acides nucléiques permettent le codage et l'expression de l'information génétique ainsi que son décodage à travers les processus successifs de transcription et de traduction génétique de la biosynthèse des protéines. Cette information est préservée par les mécanismes de réparation de l'ADN et transmise à travers le processus de réplication de l'ADN. De nombreux virus, dits virus à ARN, ont un génome constitué d'ARN et non d'ADN — c'est par exemple le cas du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) ou du virus de la grippe— certains ont recours à des transcriptases inverses pour générer dans la cellule hôte une matrice d'ADN à partir du génome viral en ARN[22], d'autres sont directement répliqués d'ARN en ARN par une ARN polymérase-ARN dépendante (ou réplicase). L'ARN des ribozymes, tels que les splicéosomes (ou particules d'épissage) et les ribosomes, est semblable aux enzymes dans la mesure où il est capable de catalyser des réactions chimiques.
Le métabolisme implique un très grand nombre de réactions chimiques différentes formant un réseau de transformations complexe, mais la plupart d'entre elles peuvent être rapprochées de quelques types de réactions basiques consistant en des transferts de groupes fonctionnels[23]. Cela résulte du fait que la biochimie cellulaire fait appel à un nombre relativement restreint de molécules agissant comme des activateurs susceptibles de transporter des groupes d'atomes entre différentes réactions[24]. De telles molécules sont appelées coenzymes. Chaque type de transfert de groupe fonctionnel fait appel à une coenzyme spécifique. Chacune de ces coenzymes est également spécifique d'un certain nombre d'enzymes qui catalysent les réactions de transfert, enzymes qui les altèrent et les régénèrent en permanence[25].
L'adénosine triphosphate (ATP) est la coenzyme universelle des échanges d'énergie chez tous les organismes connus. Ce nucléotide permet de transférer de l'énergie métabolique entre les réactions qui libèrent de l'énergie et celles qui en absorbent. Il n'y a à chaque instant qu'une faible quantité d'ATP dans les cellules, mais, comme ce capital d'ATP est continuellement consommé et régénéré, le corps humain peut en réalité consommer chaque jour une masse d'ATP pratiquement équivalente à son poids total[25]. L'ATP permet de coupler l'anabolisme au catabolisme, le premier consommant l'ATP produit par le second. Il sert également de transporteur de groupes phosphate dans les réactions de phosphorylation.
Les vitamines sont des composés organiques indispensables en petite quantité au fonctionnement des cellules mais que ces dernières ne peuvent pas produire elles-mêmes. Chez l'homme, la plupart des vitamines deviennent des coenzymes après quelques transformations dans les cellules. Ainsi, les vitamines hydrosolubles (vitamines B) sont phosphorylées ou couplées à des nucléotides lorsqu'elles sont utilisées dans les cellules. Par exemple, la niacine (acide nicotinique) entre dans la composition du nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) et du nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+), qui sont des coenzymes importantes impliquées dans les réactions d'oxydoréduction comme accepteurs d'hydrogène. Il existe des centaines de déshydrogénases, qui soustraient des électrons de leur substrat et réduisent le NAD+ en NADH et H+. Cette forme réduite de la coenzyme peut alors être utilisée par une réductase[26]. Le couple NAD+ / NADH intervient davantage dans les réactions cataboliques tandis que le couple NADP+ / NADPH est spécifique à l'anabolisme.
Les sels minéraux jouent un rôle déterminant dans le métabolisme. Certains sont abondants, comme le sodium et le potassium, tandis que d'autres ne sont actifs qu'à faible concentration. Environ 99 % de la masse des mammifères est constituée des éléments carbone, azote, calcium, sodium, chlore, potassium, hydrogène, phosphore, oxygène et soufre[27]. Les composés organiques (protéines, lipides et glucides) contiennent l'essentiel du carbone et de l'azote, tandis que l'essentiel de l'oxygène et de l'hydrogène sont présents sous forme d'eau.
Les sels minéraux les plus abondants agissent comme électrolytes. Les principaux ions sont le sodium Na+, le potassium K+, le calcium Ca2+, le magnésium Mg2+, le chlorure Cl−, le phosphate PO43− et l'ion organique bicarbonate HCO3−. Le maintien de gradients de concentration déterminés à travers les membranes cellulaires permet de maintenir l'équilibre osmotique et le pH du milieu intracellulaire. Les ions sont également essentiels au fonctionnement des nerfs et des muscles grâce au potentiel d'action issu de l'échange d'ions, à travers la membrane plasmique, entre le fluide extracellulaire (en) et le fluide intracellulaire, c'est-à-dire le cytosol. Les ions entrent et quittent les cellules en empruntant des protéines membranaires appelées canaux ioniques. Ainsi, la contraction musculaire dépend du passage des ions calcium, sodium et potassium à travers les canaux ioniques de la membrane cellulaire et les tubules T[28].
Les métaux de transition sont généralement présents à l'état de trace chez les organismes vivants, le zinc et le fer étant les plus abondants d'entre eux[29],[30]. Ces métaux interviennent comme cofacteurs de certaines protéines et enzymes et sont essentiels à leur bon fonctionnement. C'est par exemple le cas d'une enzyme telle que la catalase et d'une protéine transporteuse d'oxygène telle que l'hémoglobine[31]. Les cofacteurs métalliques se lient spécifiquement à certains sites des protéines. Bien que les cofacteurs puissent être modifiés au cours de la réaction catalysée, ils reviennent toujours à leur état d'origine à la fin de la réaction. Ils sont absorbés par les organismes à l'aide de transporteurs spécifiques, par exemple les sidérophores pour absorber le fer, et sont liés à des protéines de stockage telles que la ferritine et les métallothionéines lorsqu'ils ne sont pas utilisés[32],[33].
Le catabolisme est l'ensemble des processus métaboliques de dégradation des biomolécules. Cela comprend par exemple la dégradation et l'oxydation des nutriments. Le catabolisme a pour fonction de fournir l'énergie et les constituants élémentaires indispensables au métabolisme de la cellule. La nature exacte de ces réactions dépend de chaque organisme. Les êtres vivants peuvent être classés en fonction de leur sources d'énergie et de carbone, ce qu'on appelle leur type trophique :
| Source d'énergie | Lumière solaire | photo- | -trophe | ||
| Composés chimiques | chimio- | ||||
| Donneur d'électrons | Composés organiques | organo- | |||
| Composés inorganiques | litho- | ||||
| Source de carbone | Composés organiques | hétéro- | |||
| Composés inorganiques | auto- | ||||
Les organotrophes utilisent des molécules organiques comme source d'énergie tandis que les lithotrophes utilisent des substrats inorganiques et que les phototrophes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique. Ces différents métabolismes reposent cependant tous sur le transfert d'électrons de composés donneurs — tels que des molécules organiques, l'eau, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène ou encore des cations de fer(II) Fe2+ (fer ferreux) — vers des composés accepteurs d'électrons tels que l'oxygène, les nitrates ou encore les sulfates[34]. Chez les animaux, ces réactions conduisent à dégrader des molécules organiques complexes en molécules plus simples telles que le dioxyde de carbone et l'eau. Chez les organismes photosynthétiques tels que les plantes et les cyanobactéries, ces réactions permettent de libérer l'énergie de la lumière solaire absorbée et stockée par l'organisme.
Les principaux groupes de réactions cataboliques chez les animaux peuvent être classés en trois étapes principales. Dans la première, les grandes molécules organiques telles que les protéines, les polysaccharides ou les lipides sont digérés en leurs composants élémentaires à l'extérieur des cellules. Puis ces composants élémentaires sont absorbés par les cellules et convertis en métabolites encore plus petits, le plus souvent en acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA), avec libération d'un peu d'énergie. Enfin, le résidu acétyle de l'acétyl-CoA est oxydé en eau et dioxyde de carbone par le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, cette dernière permettant de libérer l'énergie des électrons à haut potentiel transférés au NADH au cours du cycle de Krebs.
Les macromolécules telles que l'amidon, la cellulose et les protéines, qui sont des biopolymères, ne peuvent être absorbées facilement par les cellules et doivent être clivées en oligomères, voire en monomères, afin de pouvoir être métabolisées. C'est ce qu'on appelle la digestion. Plusieurs classes d'enzymes communes réalisent ces transformations, par exemple les peptidases, qui clivent les protéines en oligopeptides et en acides aminés, ou encore les glycoside hydrolases (ou glycosidases), qui clivent les polysaccharides en oligosaccharides et en oses.
Les microorganismes sécrètent leurs enzymes digestives dans leur voisinage[35],[36] alors que les animaux sécrètent ces enzymes uniquement à partir de cellules spécialisées situées dans leur appareil digestif. Les acides aminés et les oses libérés par ces enzymes extracellulaires sont ensuite absorbées à travers la membrane plasmique des cellules par des protéines membranaires de transport actif[37],[38].
Les glucides sont généralement absorbés par les cellules après avoir été préalablement digérés en oses[39]. La principale voie de dégradation des oses à l'intérieur de la cellule est la glycolyse, qui produit quelques molécules d'ATP et deux molécules de pyruvate par molécule de glucose dégradée[40]. Le pyruvate est un métabolite commun à plusieurs voies métaboliques, mais l'essentiel est converti en acétyl-CoA pour alimenter le cycle de Krebs. Ce dernier produit encore quelques molécules d'ATP, mais son produit essentiel est le NADH, issu de la réduction du NAD+ lors de l'oxydation de l'acétyl-CoA. Cette oxydation libère du dioxyde de carbone comme sous-produit. En conditions anaérobies, la glycolyse produit du lactate par transfert des électrons du NADH au pyruvate par une lactate déshydrogénase en vue de régénérer du NAD+ pour la glycolyse. Une voie alternative pour la dégradation du glucose est la voie des pentoses phosphates, qui a pour fonction première non pas de libérer de l'énergie, mais de produire des précurseurs de diverses biosynthèses tels que du NADPH, utilisé notamment pour la biosynthèse des acides gras, ainsi que du ribose-5-phosphate, utilisé pour la synthèse des nucléotides, et de l'érythrose-4-phosphate, précurseur d'acides aminés aromatiques.
Les lipides sont dégradés par hydrolyse en glycérol et acides gras. Le glycérol est dégradé par la glycolyse tandis que les acides gras le sont par la β-oxydation pour produire de l'acétyl-CoA, dégradé à son tour par le cycle de Krebs. L'oxydation des acides gras libère davantage d'énergie que les glucides car ces derniers contiennent plus d'oxygène et sont donc davantage oxydés que les acides gras.
Les acides aminés sont utilisés ou bien pour produire des protéines et diverses autres biomolécules, ou bien oxydés en urée et dioxyde de carbone pour libérer de l'énergie[41]. Leur oxydation commence par leur conversion en α-cétoacide par une transaminase qui clive leur groupe amine, ce dernier alimentant le cycle de l'urée. Plusieurs de ces α-cétoacides sont des intermédiaires du cycle de Krebs : la désamination du glutamate donne ainsi de l'α-cétoglutarate[42]. Les acides aminés glucoformateurs peuvent également être convertis en glucose à travers la néoglucogenèse[43].
Au cours de la phosphorylation oxydative — qu'il faudrait appeler plus correctement en français oxydation phosphorylante — les électrons à haut potentiel, issus des réactions d'oxydation du métabolisme, sont transférés à de l'oxygène avec libération d'énergie, cette énergie étant récupérée pour synthétiser de l'ATP. Ceci est réalisé par les eucaryotes à travers une série de protéines membranaires des mitochondries formant la chaîne respiratoire. Chez les procaryotes, ces protéines se trouvent dans la membrane interne[44]. Ces protéines membranaires utilisent l'énergie libérée par la circulation des électrons depuis les coenzymes réduites telles que le NADH et le FADH2 vers l'oxygène pour pomper des protons à travers la membrane mitochondriale interne (chez les eucaryotes) ou la membrane plasmique (chez les procaryotes)[45].
Le pompage des protons hors de la matrice mitochondriale ou du cytoplasme génère un gradient de concentration de protons à travers les membranes — c'est-à-dire une différence de pH. Il en découle un gradient électrochimique[46]. Cette « force proton motrice » actionne une enzyme appelée ATP synthase qui fonctionne comme une turbine qui catalyse la phosphorylation de l'ADP en ATP au passage des protons qui retournent vers la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne[25].
La chimiolithotrophie (en) est un type trophique définissant les procaryotes qui tirent leur énergie de composés inorganiques. Ces organismes peuvent utiliser l'hydrogène[47], les composés réduits du soufre[1] — sulfure S2−, sulfure d'hydrogène H2S, thiosulfate S2O32− — le fer ferreux (Fe2+)[48] et l'ammoniac (NH3)[49] comme donneurs d'électrons qu'ils transfèrent à des accepteurs tels que l'oxygène O2 ou l'anion nitrite (NO2−)[50]. Ces processus microbiens sont importants du point des vue des cycles biogéochimiques planétaires tels que le cycle de l'azote, la nitrification et la dénitrification, et sont déterminants pour la fertilité des sols[51],[52].
L'énergie lumineuse est absorbée par les plantes, les cyanobactéries, les bactéries pourpres, les bactéries vertes sulfureuses et certains protistes. Ce processus est souvent couplé à la conversion du dioxyde de carbone en composés organiques dans le cadre de la photosynthèse. Ces deux processus — absorption de l'énergie lumineuse et biosynthèse de composés organiques — peuvent néanmoins fonctionner séparément chez les procaryotes. Ainsi, les bactéries pourpres et les bactéries vertes sulfureuses peuvent utiliser la lumière du soleil comme source d'énergie et en même temps mettre en œuvre ou bien un processus de fixation du carbone ou bien un processus de fermentation des composés organiques[53],[54].
Chez de nombreux organismes, l'absorption de l'énergie solaire repose sur des principes semblables à ceux de la phosphorylation oxydative dans la mesure où un phénomène physique — la récupération de l'énergie des électrons de coenzymes réduites — est couplé à un phénomène chimique — la phosphorylation de l'ADP en ATP — par chimiosmose au moyen d'un gradient de concentration de protons générant un gradient électrochimique à travers une membrane[25]. Dans le cas de la photosynthèse, les électrons à haut potentiel sont issus de protéines d'absorption de l'énergie lumineuse appelées centres réactionnels photosynthétiques ou rhodopsines. Les centres réactionnels se déclinent en deux photosystèmes selon le pigment photosynthétique présent : la plupart des bactéries photosynthétiques n'en ont qu'un, tandis que les plantes et les cyanobactéries en ont deux[55].
Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, le photosystème II transfère l'énergie lumineuse à deux électrons d'une molécule d'eau qui sont captés par le complexe cytochrome b6f tandis que de l'oxygène O2 est libéré. L'énergie des électrons à haut potentiel transférés au complexe cytochrome b6f est utilisée pour pomper des protons à travers les membranes des thylakoïdes dans les chloroplastes, protons dont le retour dans le lumen s'accompagne de la phosphorylation d'ADP en ATP par une ATP synthase, comme dans le cas de la phosphorylation oxydative. Les électrons passent ensuite à travers le photosystème I et peuvent réduire une coenzyme NADP+ en NADPH en vue de son utilisation par le cycle de Calvin, ou bien être utilisés pour produire encore davantage d'ATP[56].
L'anabolisme comprend l'ensemble des voies métaboliques qui utilisent l'énergie (ATP) et le pouvoir réducteur (NADH) produits par le catabolisme pour synthétiser des biomolécules complexes. De manière générale, les molécules complexes qui contribuent aux structures cellulaires sont construites étape par étape à partir de précurseurs bien plus petits et plus simples.
L'anabolisme comprend trois étapes principales :
Les organismes diffèrent dans le nombre des constituants de leurs cellules qu'ils sont capables de produire eux-mêmes. Les autotrophes tels que les plantes peuvent synthétiser les molécules organiques complexes de leurs cellules tels que les polysaccharides et les protéines à partir de molécules très simples comme le dioxyde de carbone CO2 et l'eau H2O. En revanche, pour produire leurs biomolécules complexes, les hétérotrophes ont besoin de nutriments plus complexes comme des sucres et des acides aminés. Les organismes peuvent être classés plus finement en fonction de leur source d'énergie première : les photoautotrophes et les photohétérotrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil tandis que les chimioautotrophes et les chimiohétérotrophes tirent leur énergie de réactions d'oxydoréduction.
La photosynthèse est la biosynthèse de glucides à partir d'eau et de dioxyde de carbone en utilisant la lumière du soleil. Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, la molécule d'eau H2O est scindée en oxygène O2 et en électrons à haut potentiel dont l'énergie est utilisée pour phosphoryler de l'ADP en ATP et pour former du NADPH utilisé pour réduire le dioxyde de carbone en 3-phosphoglycérate, lui-même précurseur du glucose. Cette réaction de fixation du carbone est réalisée par la Rubisco, une enzyme essentielle du cycle de Calvin[57]. Il existe trois types différents de photosynthèse chez les plantes : la fixation du carbone en C3, la fixation du carbone en C4 et le métabolisme acide crassulacéen (CAM). Ces types de réactions diffèrent par la voie empruntée par le dioxyde de carbone pour entrer dans le cycle de Calvin : les plantes en C3 le fixent directement, tandis que les plantes en C4 et à photosynthèse CAM fixent le CO2 préalablement sur un autre composé comme adaptation aux températures élevées et aux conditions arides[58].
Chez les procaryotes photosynthétiques, les mécanismes de fixation du carbone sont plus diversifiés. Ce processus peut être réalisé par le cycle de Calvin, mais aussi par un cycle de Krebs inverse[59] ou par carboxylation de l'acétyl-CoA[60],[61]. Les organismes chimioautotrophes procaryotiques fixent également le carbone du CO2 en utilisant le cycle de Calvin mais avec de l'énergie provenant de l'oxydation de composés inorganiques[62].
Au cours de l'anabolisme des glucides, des acides organiques simples peuvent être convertis en oses tels que le glucose, puis être polymérisés en polysaccharides tels que l'amidon. La biosynthèse du glucose à partir de composés tels que pyruvate, lactate, glycérol, 3-phosphoglycérate et acides aminés est appelée néoglucogenèse. La néoglucogenèse convertit le pyruvate en glucose-6-phosphate en passant par une série de métabolites dont de nombreux sont également des intermédiaires de la glycolyse[40]. Cependant, cette voie métabolique ne doit pas être vue comme la glycolyse prise en sens inverse car plusieurs de ses étapes sont catalysées par des enzymes différentes de la glycolyse. Ce point est important car il permet de réguler la biosynthèse et la dégradation du glucose de façon distincte l'une de l'autre et donc d'empêcher de voir ces deux processus fonctionner en même temps, l'un détruisant l'autre en pure perte[63],[64].
Bien que les organismes stockent couramment l'énergie sous forme de lipides, les vertébrés tels que les humains ne peuvent convertir les acides gras de leurs graisses en glucose au moyen de la néoglucogenèse car ils ne peuvent pas convertir l'acétyl-CoA en pyruvate : les plantes disposent de l'équipement enzymatique nécessaire pour ce faire, mais pas les animaux[65]. En conséquence, les vertébrés soumis à un jeûne prolongé utilisent leurs lipides pour produire des corps cétoniques destinés à pallier le manque de glucose dans les cellules qui ne sont pas en mesure de dégrader les acides gras pour produire leur énergie, notamment les cellules du cerveau[66]. D'autres organismes, tels que les plantes et les bactéries, traitent ce stress métabolique à l'aide du cycle du glyoxylate, qui court-circuite l'étape de décarboxylation du cycle de Krebs et permet la transformation de l'acétyl-CoA en oxaloacétate, ce dernier pouvant alors être utilisé pour produire du glucose[65],[67].
Les polysaccharides et les glycanes sont produits par addition séquentielle d'oses par une glycosyltransférase à partir d'un donneur ose-phosphate tel que l'uridine diphosphate glucose (UDP-glucose) sur un groupe hydroxyle accepteur d'un polysaccharide en cours de biosynthèse. Comme chacun des groupes hydroxyle du substrat peut être accepteur, les polysaccharides peuvent être linéaires ou ramifiés[68]. Les polysaccharides produits peuvent avoir un rôle structurel ou métabolique en eux-mêmes, ou bien encore être transférés à des lipides ou à des protéines par des enzymes appelées oligosaccharyltransférases[69],[70].
Les acides gras sont synthétisés par l'acide gras synthase (FAS), un ensemble d'enzymes qui catalyse la condensation de Claisen d'unités malonyl-CoA sur une amorce d'acétyl-CoA. Les chaînes acyle sont allongées par une séquence de quatre réactions qui se reproduisent en boucle à l'occasion de chaque condensation d'une nouvelle unité malonyl-CoA. Chez les animaux et les mycètes (champignons), ces réactions sont réalisées par un complexe enzymatique multifonctionnel appelé FAS I[71], tandis que chez les plantes et les bactéries ces réactions sont catalysées par un ensemble d'enzymes distinctes appelé FAS II dont chaque enzyme est monofonctionnelle[72],[73].
Les terpènes et terpénoïdes forment une grande famille de lipides qui comprennent les caroténoïdes et constituent la principale classe de produits naturels des plantes[74]. Ces composés résultent de l'assemblage et de la modification d'unités isoprène issues de précurseurs réactifs tels que l'isopentényl-pyrophosphate et le diméthylallyl-pyrophosphate[75]. Ces précurseurs peuvent être produits de différentes façons. Chez les animaux et les archées, la voie du mévalonate les synthétise à partir de l'acétyl-CoA[76] tandis que chez les plantes et les bactéries la voie du méthylérythritol phosphate, dite également voie non mévalonique par anglicisme, les produit à partir du pyruvate et du 3-phosphoglycérate[75],[77]. Ces donneurs d'unités isoprène sont utilisés notamment dans la biosynthèse des stéroïdes, tout d'abord pour former du squalène, qui est ensuite replié pour faire apparaître des cycles constituants du lanostérol[78]. Ce stérol peut alors être converti en d'autres stéroïdes tels que le cholestérol et l'ergostérol[78],[79].
Les organismes possèdent des capacités très variables de synthétiser les 22 acides aminés protéinogènes. La plupart des bactéries et des plantes peuvent produire tous ceux dont ils ont besoin, mais les mammifères ne peuvent synthétiser eux-mêmes que douze acides aminés, dits non essentiels, ce qui signifie que leur alimentation doit leur en apporter neuf autres : histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane et valine — ils n'utilisent pas la pyrrolysine, spécifique aux archées méthanogènes.
Certains organismes simples, tels que la bactérie Mycoplasma pneumoniae, sont incapables de synthétiser le moindre acide aminé et les absorbent tous à partir de leur hôte[80]. Tous les acides aminés sont synthétisés à partir d'intermédiaires de la glycolyse, du cycle de Krebs et de la voie des pentoses phosphates. L'azote provient du glutamate et de la glutamine. La synthèse des acides aminés dépend de la formation de l'α-cétoacide approprié, qui est alors transaminé pour former l'acide aminé.
Les acides aminés sont assemblés en protéines en formant entre eux des liaisons peptidiques aboutissant à des chaînes linéaires polypeptidiques. Chaque protéine a une séquence déterminée en résidus d'acides aminés : c'est leur structure primaire. Les acides aminés peuvent s'associer en un nombre pratiquement illimité de combinaisons différentes, chaque combinaison correspondant à une protéine particulière. Les protéines sont assemblées à partir d'acides aminés qui sont préalablement activés sur une molécule d'ARN de transfert (ARNt) par une liaison ester. Ce précurseur, appelé aminoacyl-ARNt, est formé sous l'action d'enzymes spécifiques, les aminoacyl-ARNt synthétases[81]. Cet aminoacyl-ARNt peut alors être traité par un ribosome, dont la fonction est de lier les acides aminés entre eux en suivant la séquence indiquée par l'ARN messager transcrit à partir des gènes[82].
Les nucléotides sont produits à partir d'acides aminés, de dioxyde de carbone et de formiate à travers des voies métaboliques qui consomment beaucoup d'énergie[83]. C'est la raison pour laquelle la plupart des organismes disposent de systèmes efficaces pour récupérer les nucléotides déjà existants[83],[84]. Les purines sont produites sous forme de nucléosides, c'est-à-dire d'une base nucléique liée au ribose. L'adénine et la guanine dérivent toutes deux de l'inosine monophosphate (IMP), produite à partir d'atomes issus de la glycine, de la glutamine, de l'aspartate et du formiate transféré au tétrahydrofolate. Les pyrimidines, quant à elles, sont produites à partir de l'orotate, lui-même issu de la glutamine et de l'aspartate[85].
Tous les organismes sont exposés en permanence à des espèces chimiques qu'ils ne peuvent pas utiliser comme nutriments et qui pourraient être dangereuses si elles s'accumulaient dans les cellules, n'apportant aucun bénéfice métabolique. De tels composés sont appelés xénobiotiques[86]. L'organisme peut détoxiquer certains d'entre eux tels que les drogues, les poisons et les antibiotiques à l'aide de groupes d'enzymes spécifiques. Chez l'homme, de telles enzymes comprennent les cytochromes P450[87], les glucuronosyltransférases[88] et les glutathion S-transférases[89]. Ce système enzymatique agit en trois étapes pour d'abord oxyder le xénobiotique (phase I) puis conjuguer des groupes hydrosolubles sur le composé (phase II) et enfin pomper ce dernier hors des cellules pour être éventuellement encore métabolisé chez les organismes multicellulaires avant d'être finalement excrété (phase III). Ces réactions sont particulièrement importantes du point de vue écologique car elles interviennent dans la dégradation microbienne des polluants et la bioremédiation des sols contaminés et des marées noires[90]. De nombreuses réactions métaboliques microbiennes sont présentes également chez les organismes multicellulaires mais, compte tenu de l'extrême diversité des organismes unicellulaires, ces derniers sont en mesure de traiter un bien plus grand nombre de xénobiotiques que les multicellulaires et peuvent dégrader jusqu'aux polluants persistants tels que les composés organochlorés[91].
Les organismes aérobies sont confrontés au stress oxydant[92]. En effet, la phosphorylation oxydative et la formation des ponts disulfure indispensables au repliement de nombreuses protéines produisent des dérivés réactifs de l'oxygène tels que le peroxyde d'hydrogène[93]. Ces oxydants dangereux sont traités par des antioxydants tels que le glutathion et des enzymes telles que les catalases et les peroxydases[94],[95].
Les êtres vivants étant soumis à de constants changements de leur environnement, leur métabolisme doit être continuellement adapté pour maintenir leurs constantes physiologiques — comme la température et la concentration intracellulaire des différentes espèces chimiques — dans un intervalle de valeurs normales, ce qu'on appelle l'homéostasie[96],[97]. La régulation du métabolisme permet également aux êtres vivants de répondre aux stimulus et d'interagir avec leur environnement[98]. Deux mécanismes apparentés sont particulièrement importants pour comprendre les modes de contrôle du métabolisme cellulaire : d'une part, la régulation d'une enzyme est la modulation de la cinétique réactionnelle de cette enzyme, c'est-à-dire l'accroissement ou la réduction de son activité en réponse à divers signaux chimiques, et, d'autre part, le contrôle exercé par une enzyme est l'effet de ses variations d'activité sur l'activité globale d'une voie métabolique, représentée par le flux de métabolites qui empruntent cette voie[99]. En effet, une enzyme peut être fortement régulée, et ainsi montrer d'importantes variations d'activité, tout en n'ayant pas d'incidence sur le flux global de métabolites à travers une voie dans laquelle elle intervient, de sorte qu'une telle enzyme n'exerce pas de contrôle sur cette voie métabolique[100].
Il existe plusieurs niveaux de régulation du métabolisme. La régulation intrinsèque est l'autorégulation d'une voie métabolique en réponse aux changements de concentration des substrats ou des produits. Ainsi, la baisse de la concentration du produit d'une voie métabolique peut accroître le flux de métabolites à travers cette voie pour compenser la raréfaction de ce composé dans la cellule[99]. Ce type de régulation repose souvent sur la régulation allostérique de plusieurs enzymes de la voie métabolique[101]. Le contrôle extrinsèque concerne les cellules d'organismes multicellulaires répondant aux signaux d'autres cellules. Ces signaux prennent généralement la forme de « messagers hydrosolubles », tels que des hormones et les facteurs de croissance, qui sont détectés par des récepteurs membranaires spécifiques à la surface des cellules[102]. Ces signaux sont transmis à l'intérieur de la cellule par un mécanisme de transduction de signal faisant intervenir des messagers secondaires qui agissent souvent à travers la phosphorylation de certaines protéines[103].
Un exemple de contrôle extrinsèque très bien compris est la régulation du métabolisme du glucose par l'insuline[104]. L'insuline est produite en réponse à l'augmentation de la glycémie, c'est-à-dire du taux de glucose dans le sang. La liaison de cette hormone à ses récepteurs cellulaires active une cascade de protéine kinases qui conduisent les cellules à absorber du glucose et à le convertir en molécules de stockage telles que des acides gras et du glycogène[105]. Le métabolisme du glycogène est contrôlé par l'activité de la glycogène phosphorylase, qui dégrade le glycogène, et de la glycogène synthase, qui le produit. Ces enzymes font l'objet d'une régulation symétrique, la phosphorylation activant la glycogène phosphorylase mais inhibant la glycogène synthase. L'insuline favorise la production de glycogène en activant des phosphatases qui réactivent la glycogène synthase et désactivent la glycogène phosphorylase en réduisant leur phosphorylation[106].
Les grandes voies métaboliques évoquées plus haut, telles que la glycolyse et le cycle de Krebs, sont présentes chez les organismes appartenant aux trois domaines du vivant : bactéries, eucaryotes et archées. Il est possible qu'elles remontent toutes les trois à un dernier ancêtre commun universel[3],[107], vraisemblablement procaryotique et peut-être méthanogène doté d'un métabolisme complet des acides aminés, des nucléotides, des glucides et des lipides[108],[109] ; les chlorobactéries pourraient être les plus anciens organismes encore vivants[110]. La conservation au cours de l'évolution de ces voies métaboliques anciennes pourrait provenir du fait qu'elles sont apparues comme des solutions optimales à des problèmes métaboliques particuliers, la glycolyse et le cycle de Krebs produisant leurs métabolites de façon efficace et en un minimum d'étapes[4],[5]. Il est possible que les premières voies métaboliques fondées sur des enzymes aient été relatives aux purines, tandis que les voies alors préexistantes seraient apparues dans un monde à ARN fondé sur des ribozymes[111].
De nombreux modèles ont été proposés pour décrire les mécanismes par lesquels de nouvelles voies métaboliques apparaissent. Cela passe par l'addition séquentielle de nouvelles enzymes à des voies plus courtes, la duplication ou la divergence de voies préexistantes ou encore l'intégration d'enzymes préexistantes dans des voies métaboliques nouvelles[112]. L'importance relative de ces différents mécanismes reste obscure, mais la génomique a montré que les enzymes d'une même voie métabolique ont de fortes chances de partager un ancêtre commun, ce qui tendrait à montrer que de nombreuses voies ont évolué progressivement par apparition de nouvelles fonctionnalités à partir d'étapes préexistantes dans la voie métabolique en question[113]. Un autre modèle provenant d'études sur l'évolution des structures protéiques impliquées dans les réseaux de voies métaboliques a suggéré que les enzymes y sont très largement intégrées pour réaliser des fonctions semblables dans différentes voies métaboliques, ce qui apparaît clairement dans la base de données MANET[114]. Ces processus d'intégration se déroulent selon un modèle en mosaïque[115]. Une troisième possibilité est la présence de certains segments de voies métaboliques utilisables de façon modulaire pour faire apparaître d'autres voies métaboliques et réaliser des fonctions semblables sur des molécules différentes[116].
Outre l'apparition de nouvelles voies métaboliques, l'évolution peut également faire disparaître certaines fonctionnalités biochimiques. C'est par exemple le cas chez certains parasites, qui tendent à absorber les biomolécules de leur hôte et à perdre la capacité à les synthétiser eux-mêmes[117]. On observe une semblable réduction des aptitudes métaboliques chez les organismes endosymbiotiques[118].
Le métabolisme est soumis aux principes de la thermodynamique, qui régissent les échanges de chaleur et de travail. Le deuxième principe de la thermodynamique indique que, dans tout système fermé, l'entropie (c'est-à-dire le désordre) tend à augmenter. Bien que l'extrême complexité des êtres vivants semble en contradiction avec ce principe, la vie n'est cependant possible que parce que tous les organismes sont des systèmes ouverts, qui échangent matière et énergie avec leur environnement. Par conséquent, les êtres vivants ne sont pas en équilibre, mais sont des systèmes dissipatifs qui maintiennent leur haut degré de complexité par l'augmentation plus importante de l'entropie de leur environnement[119]. Le métabolisme cellulaire y parvient en couplant les processus spontanés du catabolisme avec les processus non spontanés de l'anabolisme : du point de vue thermodynamique, le métabolisme maintient l'ordre en créant le désordre[120].
Le métabolisme de dégradation de grosses molécules en petites molécules, qui permet la libération d'énergie, est appelé catabolisme. L'énergie est mise en réserve lors de la phosphorylation de l'ADP (adénosine diphosphate) en ATP (adénosine-triphosphate). Cette énergie servira à assurer les différentes fonctions de la cellule.
Trois modes de productions principaux d’énergie :
Cependant diverses voies métaboliques existent comme en témoigne cette image :
Chez les organismes fongiques, bactériens, végétaux ou animaux à sang chaud ou froid, divers processus font interagir la température interne, externe et le métabolisme[121], avec des boucles de rétroactions plus ou moins complexes, variant selon les espèces, les individus, leur forme et taille[121] et leur masse corporelle[122] et les milieux[123].
Plantes et levures semblent disposer d'un thermostat biologique simple ; Chez l’arabette Arabidopsis thaliana, une seule protéine (l'histone H2A.Z) joue ce rôle pour des variations de température de moins de 1 °C. Cette protéine modifie l’enroulement de l’ADN sur lui-même et contrôle ainsi l’accès à l’ADN de certaines molécules inhibant ou activant plusieurs dizaines de gènes. Cet effet « bio-thermostat » semble fréquent dans la nature, car également détecté chez des organismes aussi différents que la levure et une crucifère commune[124],[125].
La compréhension de ces mécanismes devrait aussi aider à mieux comprendre certains effets (sur les gènes) du dérèglement climatique.
La métabonomique mesure l'empreinte des perturbations biochimiques causées par les maladies, les médicaments ou des produits toxiques[126]. Introduite dans les années 1980, cette discipline n'a commencé à jouer un rôle important en recherche et développement dans l’industrie pharmaceutique qu'au XXIe siècle. Complémentaire de la génomique et de la protéomique, elle permet par exemple de caractériser les modèles animaux de diverses pathologies afin d’identifier de nouvelles cibles pharmacologiques. La particularité de la métabonomique est l'analyse simultanée d'un très grand nombre de métabolites, c'est-à-dire de petites molécules intermédiaires des voies métaboliques, dans les milieux biologiques tels que l'urine ou le plasma. Des outils de screening (exploration large et systématique) métabolique tels que la résonance magnétique nucléaire ou la spectrométrie de masse sont utilisés afin d’identifier des marqueurs de toxicité (ou des séries de marqueurs, correspondant à des profils métaboliques), dans le but de déceler, tôt dans le cycle de développement, les médicaments candidats qui présenteront des effets indésirables. Idéalement, les biomarqueurs identifiés en phase préclinique seront non-invasifs et utilisables en phase clinique pour suivre le déclenchement, la progression et la guérison d’une pathologie. Afin d’identifier de nouveaux métabolites marqueurs de toxicité, il est également nécessaire de connaître les variations dites « normales » du pool métabolique (effet du rythme circadien, du stress, du régime alimentaire, de l'amaigrissement, etc.). Il est ainsi possible de découvrir les perturbations métaboliques qui sont spécifiques de la pathologie étudiée.
Métaphoriquement et par extension on parle parfois de métabolisme urbain (thème notamment développé en France par Sabine Barles), métabolisme industriel ou social[127],[128] ou sociétal[129] pour décrire les intrants (ressources naturelles, énergétique, foncières, humaines...) et extrants (déchets, plus ou moins dégradables et/ou recyclés) qui caractérisent ces systèmes.
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