Chapitre 3 : Physiologie cellulaire

I. Flux d'énergie et thermodynamique

1. Flux d'énergie du vivant

  • Organisme vivant :
    • Apports :
    • Énergie chimique
    • Lumière (dans le cas des plantes)
    • Dépenses :
    • Croissance
    • Reproduction
    • Mouvements
    • Chaleur
    • Stockage :
    • Énergie chimique sous forme de sucres et lipides.

2. Thermodynamique du vivant

I. 1ère loi : Conservation de l'énergie
  • L'énergie n'est ni créée ni détruite, elle est seulement transformée.
    • Exemples de transformations d'énergie :
    • Énergie lumineuse $
      ightarrow$ Énergie chimique
    • Énergie cinétique (mouvement)
    • Énergie thermique (chaleur).
  • Exception : L'énergie nucléaire n'est pas applicable aux êtres vivants.
  • La source unique de notre corps provient de l'énergie lumineuse, surtout captée via la photosynthèse.
II. 2e loi : Augmentation du désordre moléculaire
  • Lors d'une transformation d'énergie, tout échange d'énergie augmente l'entropie de l'univers.
    • Les organismes vivants constituent des systèmes ouverts :
    • La création d'ordre moléculaire dans le vivant est compensée par le désordre dans l'environnement.
    • Exemples de déchet : molécules de haute énergie chimique, chaleur, gaz.

3. Prévision des réactions : l'énergie libre

  • Évolution spontanée :
    • Tout système tend vers un état plus stable d'énergie libre (G).
    • Relation : G = H - T.S
    • Où :
      • G = énergie libre
      • H = enthalpie (énergie chimique)
      • T = température
      • S = entropie.
  • Critère de réaction :
    • Si $G{produits} < G{réactifs}$ ou si $ riangle G < 0$, la réaction est exothermique.

4. Équilibre des réactions

  • Réaction équilibrée : $ riangle G$ proche de 0.
    • Exemple : CO2 + H2O
      ightarrow H2CO3
      ightarrow fructose-6-phosphate
      ightarrow glucose-6-phosphate.

5. Réactions endothermiques

  • Les réactifs doivent être couplés avec une réaction productrice d’énergie, souvent via l'hydrolyse de l'ATP :
    • réactifs + ATP + H_2O
      ightarrow ADP + Pi + G
    • Environ -7.3 ext{ kcal/mol } pour la réaction.
    • Bilan global : réaction endothermique.

6. L'ATP : une source d'énergie chimique

  • Structure de l'ATP :
    • 3 phosphates, ribose, base azotée adénine.
  • Liaisons riches en énergie.

II. Enzymes

1. Contraintes du métabolisme cellulaire

  • Respect des lois de la thermodynamique (énergie).
  • Contrôle de la vitesse de réaction (cinétique).
    • Les réactions biochimiques sont souvent très lentes, nécessitant une énergie d’activation (Ea) élevée.

2. Rôle des enzymes

  • Les enzymes accélèrent les réactions (catalyse), allant de 1000 à 10^16 fois, en diminuant l'énergie d'activation (Ea) sans influencer $ riangle G$.
  • Positionnement correct des réactifs :
    • réactifs
      ightarrow produits
    • G atteint un état de transition au cours de la réaction.

3. Spécificité des enzymes

  • Site actif = site catalytique.
    • Les enzymes sont spécifiques à une seule réaction ou substrat pour éviter les produits contaminants ou secondaires.
    • Rendement nettement supérieur aux réactions chimiques en laboratoire.

4. Coenzymes

  • Molécules organiques non protéiques participant aux réactions enzymatiques :
    • ATP, GTP, UTP, NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD/FADH2, Coenzyme A (CoA).

III. Catabolisme

1. Catabolisme des glucides

  • Glycolyse : Catabolisme du glucose en pyruvate avec libération d'énergie.
    • Investissement d'énergie avec un bilan de 2 ATP à partir du glucose.

2. Catabolisme des lipides et acides aminés

  • Les acides gras sont oxydés en acétyl-CoA, puis intégrés au cycle de Krebs.
  • La dégradation des acides aminés se fait en pyruvate, acétyl-CoA ou intermédiaires du cycle de Krebs.

IV. Anabolisme

1. Synthèse du glucose chez les mammifères

  • Néoglucogenèse à partir du pyruvate et des acides aminés, essentiel pour le fonctionnement du cerveau.
  • La synthèse de glucose à partir des graisses est impossible.

2. Photosynthèse chez les plantes

  • Convertit le CO2 et l'eau en glucose et oxygène, vital pour la production de biomasse.

V. Du gène à la protéine

1. Structure des gènes

  • Définition : Segment d'ADN qui contient l'information nécessaire à la production d'un ARN messager.
  • Environ 20,000 gènes chez Homo sapiens.

2. Mécanisme de synthèse des protéines

  • Processus incluant la transcription et la traduction, avec des phases bien définies.
  • Rôle des ribosomes dans la synthèse des protéines, où les ARNt apportent les acides aminés correspondant aux codons de l'ARNm.

3. Contrôle de l'expression des gènes

  • Mécanismes de régulation influençant la quantité de protéine produite.

4. Comparaison procaryotes/eucaryotes

  • Différences clés dans la maturation de l'ARNm et la structure des ribosomes.

5. Les virus

  • Parasites cellulaires qui utilisent la machinerie cellulaire pour se reproduire.

6. Exemple : l'insuline

  • Analyse du gène, des exons, introns et traduction associée à la synthèse de cette protéine clé.