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Le métabolisme cellulaire : influence de l'environnement et du programme génétique

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Objectif(s)

Connaître les métabolismes existants.
Comment est contrôlé ce métabolisme ?
L’étude du métabolisme des cellules met-il en évidence une unité du monde vivant ?

Les cellules sont de "petites usines" dans lesquelles se déroulent de nombreuses réactions chimiques. Des molécules sont fabriquées et d'autres sont dégradées.
Ces réactions chimiques permettent la reproduction et la croissance des êtres vivants.
On appelle métabolisme l'ensemble de ces réactions chimiques.
Il existe deux grands types de métabolismes chez les être vivants : l'hétérotrophie et l'autotrophie.

1. Les différents métabolismes

a. L'hétérotrophie

L’hétérotrophie est le métabolisme des cellules animales, des cellules végétales non chlorophylliennes, des cellules de champignon, des protozoaires (et de certaines bactéries).
Elle consiste à fabriquer des molécules organiques à partir d’autres molécules organiques prélevées dans l’environnement (alimentation). Les molécules de départ peuvent aussi avoir été fabriquées par la cellule auparavant.
L’hétérotrophie est associée au phénomène de respiration cellulaire.
La respiration cellulaire se déroule dans les mitochondries et permet aux cellules de produire l’énergie indispensable à la synthèse des molécules organiques.
La respiration cellulaire correspond à la destruction de molécules de glucose par le dioxygène (O₂).
Outre la production d’énergie, elle aboutit aussi à la formation de molécules de dioxyde de carbone et de molécules d’eau.

Équation de la réaction :
Glucose (C₆H₁₂O₆) + dioxygène (O₂) → dioxyde de carbone (CO₂) + eau (H₂O)

b. L'autotrophie

L’autotrophie est le métabolisme des cellules végétales chlorophylliennes (et de certaines bactéries).
Elle consiste à fabriquer des molécules organiques à partir de substances minérales uniquement qui sont prélevées dans l’environnement (eau et sels minéraux dans la terre ; CO₂ dans l’air).
L’autotrophie est associée au phénomène de photosynthèse qui se déroule dans les chloroplastes.
La photosynthèse permet aux cellules chlorophylliennes de fabriquer de l’amidon à partir de CO₂ prélevé dans l’air par les feuilles et de molécules d'H₂O prélevées dans le sol.
Cette synthèse aboutit également à la production d’O₂.
Elle nécessite de l’énergie.
Les cellules chlorophylliennes utilisent celle de la lumière (soleil).

Équation de la réaction :

dioxyde de carbone (CO₂) + eau (H₂O) → amidon + dioxygène (O₂)

L’amidon est ensuite dégradé dans les mitochondries afin de permettre aux cellules chlorophylliennes de produire l’énergie dont elles ont besoin pour fabriquer les autres substances organiques.

Donc les cellules autotrophes « respirent » comme les cellules hétérotrophes.

2. Le contrôle du métabolisme

a. Contrôle par l'environnement

Les levures sont des cellules hétérotrophes. Elles dégradent du glucose pour produire de l'énergie.
Toutefois, certaines sont capables de dégrader du saccharose si elles ne trouvent pas de glucose dans leur milieu de vie.
Leur métabolisme est différent selon le sucre présent dans leur environnement.
Le métabolisme est donc contrôlé par l'environnement.

b. Contrôle par le programme génétique

Les levures sont habituellement de couleur crème, mais on peut parfois observer des levures de couleur rouge.
Ces levures présentent une anomalie métabolique. Elles ne sont plus capables de synthétiser une molécule organique appelée adénine.

molécule A → molécule B → molécule rouge → adénine (incolore)

Les réactions de synthèse de l'adénine s'arrêtent à l'avant dernière étape qui aboutit à une molécule rouge. Celle-ci s'accumule dans le cytoplasme. C'est pour cela que les levures ont cette couleur.
Chez les levures qui ne présentent pas d'anomalie, la molécule rouge est tout de suite transformée et ne s’accumule pas dans le cytoplasme.

Les levures rouges présentent une mutation dans un gène qui permet la transformation de la molécule rouge en adénine.
Cette observation montre que le programme génétique contrôle le métabolisme.

L'essentiel

Les cellules hétérotrophes comme les cellules autotrophes fabriquent de la matière organique pour renouveler leurs constituants et se reproduire. Pour cela, elles ont besoin d’énergie qu’elles produisent elle-même grâce à la respiration cellulaire.
Les cellules hétérotrophes sont capables d’utiliser directement une substance organique (le glucose) pour leur production d’énergie.
Par contre, les cellules autotrophes ne peuvent consommer que des substances minérales. Elles doivent donc d’abord fabriquer de l’amidon grâce à la photosynthèse pour pouvoir ensuite produire de l’énergie à partir de ce dernier.
Le métabolisme reste le même pour chaque type cellulaire. Toutefois, il peut être modifié par des facteurs environnementaux ou des mutations.
Il est donc contrôlé par l'environnement et le programme génétique des cellules.
Nous pouvons malgré tout constater des similitudes importantes dans les deux types de métabolisme qui permettent de conclure que les cellules représentent une unité fonctionnelle du monde vivant.

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