Métabolisme cellulaire

En clair. Métabolisme cellulaire : catabolisme et anabolisme, glycolyse, respiration mitochondriale, fermentations, bilans en ATP comparés et régulation.

Ce qu'on te demande au bac STL : maîtriser le vocabulaire de « Métabolisme cellulaire », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

1. Définitions

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques d'une cellule.

• Catabolisme : voies de dégradation de molécules organiques, exergoniques, productrices d'ATP (respiration, fermentation).
• Anabolisme : voies de synthèse de molécules complexes, endergoniques, consommatrices d'ATP (synthèse protéique, photosynthèse).
• Voie métabolique : suite de réactions enzymatiques où le produit de l'une est le substrat de la suivante.
• ATP : adénosine triphosphate, « monnaie énergétique » ; son hydrolyse en ADP + Pi libère environ 30 kJ·mol⁻¹.
• Coenzymes d'oxydoréduction : NAD⁺/NADH, FAD/FADH₂, transporteurs d'électrons et de protons.

2. La glycolyse

Dans le cytosol, une molécule de glucose est scindée en deux pyruvates :

$C_6H_{12}O_6 + 2\,NAD^+ + 2\,ADP + 2\,P_i \rightarrow 2\,C_3H_4O_3 + 2\,NADH + 2\,H^+ + 2\,ATP$

Bilan net : 2 ATP et 2 NADH par glucose. Cette voie est commune à la respiration et à la fermentation, ce qui explique son caractère universel chez les êtres vivants.

3. La respiration cellulaire

En présence de dioxygène, le pyruvate entre dans la mitochondrie.

1. Décarboxylation oxydative du pyruvate en acétyl-CoA (production de NADH, dégagement de CO₂).
2. Cycle de Krebs dans la matrice : oxydation complète en CO₂, production de NADH, FADH₂ et d'un peu d'ATP.
3. Chaîne respiratoire de la membrane interne : les électrons de NADH et FADH₂ sont transférés jusqu'au dioxygène, accepteur final, formant de l'eau. Le flux d'électrons crée un gradient de protons utilisé par l'ATP synthase (phosphorylation oxydative).

Bilan global : environ 30 à 32 ATP par glucose, contre 2 pour la seule glycolyse — soit un rendement énergétique de l'ordre de 15 fois supérieur.

$C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O$

4. Les fermentations

En anaérobie, la chaîne respiratoire est inutilisable : la cellule doit régénérer le NAD⁺ pour poursuivre la glycolyse.

• Fermentation lactique : pyruvate → lactate (muscle en effort intense, bactéries lactiques du yaourt).
• Fermentation alcoolique : pyruvate → éthanol + CO₂ (levures, vinification, panification).

Bilan : 2 ATP seulement par glucose ; la matière organique reste partiellement oxydée, ce qui explique le faible rendement.

5. Comparaison chiffrée

6. Régulation du métabolisme

Le débit d'une voie est ajusté aux besoins :

• Rétro-inhibition : le produit final inhibe une enzyme du début de la voie (contrôle de type allostérique).
• Disponibilité du substrat et du dioxygène : au-delà d'une certaine intensité d'effort, l'apport d'O₂ devient limitant et la fermentation lactique prend le relais.
• Régulation hormonale chez les animaux : insuline et glucagon orientent le stockage ou la mobilisation du glucose.

7. Exploitations expérimentales

• Suivi respirométrique (ExAO) : mesure de la consommation d'O₂ et du dégagement de CO₂ d'une suspension de levures avec et sans glucose.
• Test à l'eau de chaux : trouble caractéristique du CO₂.
• Dosage du lactate ou de l'éthanol pour identifier le type de fermentation.

8. Erreurs fréquentes

• Écrire que la glycolyse a besoin de dioxygène.
• Situer le cycle de Krebs dans le cytosol.
• Croire que la fermentation « ne produit pas d'énergie » : elle en produit peu (2 ATP), mais elle en produit.
• Oublier que la finalité de la fermentation est la régénération du NAD⁺.

À retenir

• Glycolyse (cytosol) : 2 ATP + 2 NADH, universelle.
• Respiration (mitochondrie, O₂) : ≈ 30–32 ATP, CO₂ + H₂O.
• Fermentations (anaérobie) : 2 ATP, régénération du NAD⁺, produits organiques.