Les besoins des cellules
La plupart des activités cellulaires nécessitent de l'énergie. De nombreuses cellules se procurent leur énergie grâce aux transformations biochimiques de la respiration cellulaire.
Les cellules réalisent de nombreuses activités cellulaires : elles se divisent, elles exportent des molécules dans la matrice extracellulaire, elles fabriquent des protéines, etc. Ces activités nécessitent de l'énergie.
Cette énergie vient des molécules organiques qui contiennent une énergie potentielle. L'énergie est libérée lorsque ces molécules sont « cassées ». La manière la plus efficace de « casser » ces molécules est la respiration cellulaire.
Respiration cellulaire
La respiration cellulaire est un ensemble de transformations biochimiques qui permet aux cellules de tirer l'énergie contenue dans la matière organique.
La respiration est un ensemble de transformations biochimiques faisant intervenir le dioxygène \ce{O2} et des molécules organiques, telles que le glucose \ce{C6H12O6}. Les produits de la respiration sont le dioxyde de carbone \ce{CO2} et l'eau \ce{H2O}.
Le bilan global de la respiration est :
\ce{C6H12O6}+\ce{6 O2}\ce{->}\ce{6 CO2} +\ce{6H2O}+ \text{Énergie}
Les transformations biochimiques de la respiration se déroulent en partie dans les mitochondries, des organites du cytoplasme.
Transformation biochimique
Une transformation biochimique est le nom donné à une réaction chimique réalisée dans une cellule.
Organite
Un organite est un compartiment du cytoplasme qui assure une fonction précise. Le noyau, le chloroplaste et les mitochondries sont des exemples d'organites.
Lorsque le dioxygène n'est pas présent (conditions anaérobies), qu'il n'est pas fourni en quantités suffisantes, ou lorsque les cellules sont dépourvues de mitochondries, la respiration ne peut se faire. Toutefois, il faut produire de l'énergie. Elle est alors produite par des mécanismes de fermentation, moins rentables sur le plan énergétique.
Les approvionnements en matière organique
Les êtres vivants, qu'il s'agisse des végétaux chlorophylliens, des animaux ou des champignons, sont constitués de cellules qui ont besoin de matière organique pour respirer et produire leur énergie. Alors qu'un végétal produit lui-même sa matière organique grâce aux transformations biochimiques de la photosynthèse, les animaux et les champignons en sont incapables : ils consomment la matière organique d'autres êtres vivants.
Un flux de matière au sein d'un végétal chlorophyllien
Les cellules chlorophylliennes des végétaux verts produisent de la matière organique grâce aux transformations biochimiques de la photosynthèse. La matière organique ainsi produite permet la respiration des cellules chlorophylliennes et des cellules non chlorophylliennes du végétal.
Photosynthèse
La photosynthèse est un ensemble de transformations biochimiques qui permet aux cellules de produire leur propre matière organique à partir de matière minérale et d'énergie lumineuse.
Un végétal chlorophyllien possède deux types de cellules : des cellules chlorophylliennes, localisées dans les organes verts tels que les feuilles et des cellules non chlorophylliennes, localisées par exemple dans ses racines. Ces deux types de cellules doivent disposer de matière organique pour respirer et produire leur énergie.
Les cellules chlorophylliennes produisent leur propre matière organique : on les qualifie de cellules autotrophes. Pour cela, elles réalisent les transformations biochimiques de la photosynthèse. La photosynthèse nécessite de la lumière et de la matière minérale (dioxyde de carbone \ce{CO2} et eau \ce{H2O} ). Elle conduit à la production de matière organique (glucose \ce{C6H12O6} ) et de dioxygène \ce{O2}. La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes, des organites spécifiques des cellules chlorophylliennes.
Le bilan global de la photosynthèse est :
\ce{6 CO2} + \ce{6H2O}+ \text{Énergie lumineuse}\ce{->}\ce{C6H12O6} +\ce{6 O2}
Autotrophe
Autotrophe se dit d'un organisme ou d'une cellule capable de produire sa propre matière organique.
Une partie de la matière organique produite par photosynthèse dans les cellules chlorophylliennes est utilisée pour la respiration de ces cellules chlorophylliennes. Une autre partie migre dans la sève élaborée et atteint les cellules non chlorophylliennes, permettant alors leur respiration. Les cellules non chlorophylliennes ne pouvant pas produire leur propre matière organique, elles sont qualifiées de cellules hétérotrophes.
Hétérotrophe
Hétérotrophe se dit d'un organisme ou d'une cellule qui consomme la matière organique issue d'autres êtres vivants.
Un flux de matière entre les végétaux et les autres êtres vivants
Les animaux et les champignons consomment la matière organique d'autres êtres vivants pour assurer la respiration de leurs cellules.
Les animaux et les champignons sont constitués de cellules hétérotrophes. Leurs cellules doivent disposer de matière organique pour respirer. Pour cela, ils consomment la matière organique d'autres êtres vivants.
Dans un écosystème, il existe donc des flux de matière (et d'énergie) entre les êtres vivants. Les végétaux occupent une place fondamentale dans tous les écosystèmes puisque grâce à la photosynthèse, ils sont les premiers maillons des chaînes alimentaires.
Le métabolisme des cellules
Le métabolisme d'une cellule désigne l'ensemble des transformations biochimiques qui se déroulent dans son cytoplasme. Ces transformations sont permises par des enzymes. Les cellules n'ayant pas toutes les mêmes enzymes, elles ne réalisent pas toutes les mêmes transformations biochimiques.
Dans une transformation biochimique, une molécule A qui est le réactif d'une réaction, est transformée en produit B. Ce produit B sert alors de réactif à une autre transformation biochimique et ainsi de suite. La molécule B est à la fois le réactif d'une transformation et le produit d'une autre, on dit que c'est une molécule intermédiaire.
Une voie métabolique désigne une succession de transformations biochimiques.
\underbrace{\text{Molécule A} \ce{->} \text{Molécule B} \ce{->} \text{Molécule C}}_{\text{Voie métabolique}}
Voie métabolique
Une voie métabolique est une succession de transformations biochimiques transformant une molécule en une autre.
La respiration cellulaire est une voie métabolique qui comporte plus de 20 réactions.
Au sein d'une cellule, certaines molécules intermédiaires interviennent dans plusieurs voies métaboliques et permettent de les interconnecter. Le métabolisme correspond à l'ensemble des transformations biochimiques réalisées par une cellule.
Métabolisme
Le métabolisme désigne l'ensemble des transformations biochimiques qui se déroulent dans une cellule.
Ces transformations biochimiques sont fortement accélérées par des enzymes, des macromolécules. Les enzymes sont souvent localisées dans des organites précis. Par exemple, les enzymes qui permettent les transformations de la photosynthèse n'existent que dans les chloroplastes. Seules les cellules ayant des chloroplastes (les cellules chlorophylliennes) peuvent donc réaliser la photosynthèse.
Enzyme
Une enzyme est une macromolécule qui accélère fortement la vitesse d'une transformation biochimique.
