Toute cellule est le siège de milliers de réactions chimiques qui mettent en jeu des transferts de matière et/ou d'énergie.

Cet ensemble de réactions biochimiques s'appelle le métabolisme.

Les réactions forment un réseau de voies métaboliques le long desquelles les molécules, que l'on appelle des métabolites, sont transformées.

Le schéma ci-dessous illustre l'interdépendance des voies métaboliques.

Chaque point est un métabolite : une molécule biologique synthétisée lors d'une réaction biochimique précise.

Les traits qui relient les points sont les réactions biochimiques.

Chaque métabolite est issu d'un (ou plusieurs) précurseur(s) et est le précurseur d'un (ou plusieurs) métabolite(s).

Bien que la plupart des cellules (organismes) possède le même ensemble de voies métaboliques de base (exemple typique : la glycolyse), les cellules (organismes) peuvent se distinguer par des voies métaboliques qui leur sont propres.

Cette spécialisation est liée aux sources d'énergie, aux sources de carbone et à la compartimentation sub-cellulaire.

La classification basée sur les sources d'énergie définit 2 groupes majeurs d'organsimes :

• les phototrophes qui utilisent l'énergie lumineuse du soleil et qui la convertissent en une énergie chimique sous forme de molécules organiques complexes.

• les chimiotrophes qui utilisent ces molécules organiques comme source d'énergie en les dégradant par oxydation et qui refournissent des molécules simples aux phototrophes.

• les chimiotrophes peuvent aussi utiliser comme source d'énergie des substances inorganiques oxydables comme le Fe²⁺, NO₂^-, NH₄⁺ ou des formes élémentaires de soufre.

La classification basée sur les sources de carbone définit 2 autres groupes majeurs d'organsimes :

• les autotrophes qui utilisent le dioxide de carbone (CO₂) comme seule source.

• les hétérotrophes qui utilisent une forme organique du carbone (par exemple, le glucose) afin de synthétiser d'autres composés carbonés qui leur sont essentiels.

• les 2 principaux "réservoirs" de carbone sont le CO₂ atmosphérique et le carbone constitutfs des êtres vivants.

En conséquence, tout organisme appartient à l'un des 4 groupes : photo-autotrophes, photo-hétérotrophes, chimio-autotrophes, chimio-hétérotrophes.

Ainsi, pour vivre, la cellule doit puiser de l'énergie du milieu extérieur. Il s'agit, par exemple, de l'énergie lumineuse dans le cas de la cellule végétale.

Cette énergie initiale sert à la photosynthèse, au cours de laquelle le CO₂ et l'eau se combinent (réaction de réduction) pour former des glucides.

Puis, chez les organismes aérobies, ces glucides sont oxydés pour reformer de l'eau et du CO₂ au cours de la respiration.

Photosynthèse et respiration permettent de transformer :

• une partie de l'énergie lumineuse initiale

• en une forme d'énergie chimique, qui est seule utilisable par la cellule pour effectuer ses divers travaux : l'adénosine triphosphate ou ATP.

Au cours des processus cataboliques, la partie utile de l'énergie initiale (l'énergie libre de Gibbs) est stockée dans des intermédiaires particuliers qui sont deux coenzymes réduits porteurs d'électrons :

• la nicotinamide adénine dinucléotide (NADH)

• la flavine adénine dinucléotide (FADH2)

Par ailleurs, les voies de biosynthèse et de dégradation qui pourraient être en compétition sont, chez les Eucaryotes, souvent localisées dans des compartiments sub-cellulaires distincts. Exemple : la voie de dégradation oxydative des acides gras est localisée dans la mitochondrie et celle de leur biosynthèse est localisée dans le cytosol.

Toutes les réactions du métabolisme se déroulent à une très grande vitesse, bien supérieure à celles qu'elles auraient isolément dans la nature, grâce à des catalyseurs biologiques : les enzymes. 

La variation d'énergie libre de Gibbs

En permanence, une cellule :

• capte de l'énergie du milieu extérieur (par exemple l'énergie lumineuse)
• céde une partie de cette énergie au milieu extérieur sous forme de chaleur
• transforme le "reste" de cette énergie en travaux cellulaires.

La variation d'énergie libre de Gibbs, ΔG', mesure la partie de l'énergie d'un système qui produit un travail utile.

• Quand ΔG' est négatif, la réaction se déroule spontanément.
• Quand ΔG' est positif, la réaction ne peut avoir lieu sans un apport d'énergie libre de Gibbs d'une autre réaction qui lui est couplée.
• Quand ΔG' = 0, la réaction ne peut plus effectuer de travail utile : la réaction se déroule à l'équilibre.

La mesure de l'énergie libre de Gibbs nécessite de définir un état standard. Les conditions standard pour les biochimistes sont pH = 7, donc une concentration [H⁺] de 10^-7 M.

La variation d'énergie libre de Gibbs standard est désignée par ΔG°'.

Variation d'énergie libre de Gibbs et constante d'équilibre

Pour une réaction quelconque : A + B <=> C + D

                                                            [C]_φ . [D]_φ
ΔG'_réaction =   ΔG°'_réaction  +  RT Ln  ( ------------ )
                                                            [A]_φ . [B]_φ

Equivalent à :  ΔG'_réaction = ΔG°'_réaction + RT Ln (rapport des concentrations dans la cellule)

A l'équilibre, ΔG' = 0 :

                                                        [C]_éq . [D]_éq
Alors :    ΔG°'_réaction  =  - RT Ln ( --------------- )  =  - RT Ln  K_éq
                                                        [A]_éq . [B]_éq

• [A]_φ est la concentration du métabolite dans la cellule ou concentration physiologique (indice _φ) 
• R est la constante des gaz parfaits
• T la température absolue

Couplage des réactions biochimiques

L'énergie libre de Gibbs libérée par une réaction dont ΔG' est très négative peut-être utilisée pour qu'une réaction dont ΔG' est positive se déroule.

On parle alors de couplage des réactions.

Rôle et structure de l'ATP

L'ATP joue donc un rôle central dans le métabolisme cellulaire :

• C'est le composé à haut potentiel énergétique le plus abondant dans la cellule.
• L'hydrolyse des composés à potentiel plus énergétique que celui de l'ATP sert la plupart du temps à la synthèse de l'ATP.
• C'est l'énergie libre de Gibbs libérée lors de l'hydrolyse de l'ATP qui est utlisée pour les différents travaux cellulaires.

L'ATP est un triphosphate de nucléoside dans lequel :

• Une liaison ester phosphate relie le phosphate α à l'oxygène 5' du ribose.
• Une liaison phosphoanhydride relie les phosphates α et β.
• Une liaison phosphoanhydride relie les phosphates β et γ.

Phosphorylation des protéines

Les protéines kinases ou phosphotransférases catalysent le transfert du groupe phosphoryle γ de l'ATP (ou plus rarement d'un autre nucléoside triphosphate) à un autre substrat. Ces enzymes catalysent des réactions irréversibles.

Figure ci-dessous : mécanisme catalytique (simplifié) du transfert du groupement phosphoryle de l'ATP par les protéines kinases. L'état de transition est au milieu. Le produit est une tyrosine ou une serine/threonine phosphorylée de la protéine cible.

Source : Endicott et al. (2012)

Visualisation de l'ATP au sein de la "RNA editing ligase 1"
("editosome") à une résolution de 1,20 Å.

Code PDB : 1XDN

L'énergie libre de Gibbs contenue dans la structure de l'ATP est transférée au moment où la liaison ester phosphate ou les liaisons phosphoanhydrides sont hydrolysées.

• L'hydrolyse de la liaison ester phosphate libère dans les conditions standard : ΔG°' = - 3,5 kcal.mol^-1

• L'hydrolyse de chacune des 2 liaisons phosphoanhydride libère dans les conditions standard : ΔG°' = - 7,3 kcal.mol^-1

Le pouvoir réducteur des coenzymes

Ces molécules constituent une forme d'énergie universelle. Leur énergie chimique est contenue dans les électrons qu'elles portent à l'état réduit.

Cette énergie est libérée lors de leur réoxydation et elle sert à la formation d'un gradient de protons, lui-même à l'origine de la force proton motrice utilisée pour la synthèse d'ATP .

La nicotinamide adénine dinucléotide contient la nicotinamide qui est l'amide de l'acide nicotinique.

A cours de la réduction du coenzyme, le groupe nicotinamide capte un proton et un ion hydrure H⁺ d'un substrat qui est déshydrogéné :

NAD⁺ + 2H⁺ + 2 e^- <=> NADH + H⁺

Dans la structure de la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (réduite ou non / NADP⁺ ou NADPH⁺), un groupe phosphoryle supplémentaire substitue l'hydrogène de l'hydroxyle situé en position 2' du ribose lié à l'adénine.

Quelques éléments de la régulation du métabolisme

Voir un ensemble de cours sur la régulation du métabolisme.

L'environnement des organismes et des cellules change en permanence. Les réactions du métabolisme doivent donc être finement régulées pour :

• maintenir le plus possible des conditions de vie constantes (homéostasie)
• qu'un organisme ou une cellule interagissent avec leur environnement
• répondre à des signaux intrinsèques ou extrinsèques

Il existe divers modes de régulation du métabolisme.

1. Les réactions irréversibles du point de vue énergétique

                                                       [C]_φ . [D]_φ
ΔG'_réaction = ΔG°'_réaction + RT Ln ( ------------ )
                                                       [A]_φ . [B]_φ

De cette relation, il ressort que la concentration physiologique des métabolites régit la variation d'énergie libre d'une réaction, donc sa spontanéité, donc le sens dans lequel elle se déroule.

Réactions réversibles :

• Les réactions biochimiques pour lesquelles le rapport des concentrations physiologiques des métabolites est proche du rapport des concentrations à l'équilibre, sont dites se dérouler au voisinage de l'équilibre. Ces réactions sont donc facilement réversibles.

• Pour ces réactions, la moindre tendance à s'éloigner d'un état proche de l'équilibre est immédiatement rétablie par le très haut pouvoir de catalyse des enzymes qui les contrôlent.

Réactions irréversibles :

• Les réactions pour lesquelles ce n'est pas le cas sont des réactions métaboliquement irréversibles qui se caractérisent par des valeurs de ΔG' très négatives.

• Les réactions irréversibles régulent le flux des voies métaboliques. En d'autres termes, elles en sont les points de contrôle.

• Ces réactions sont catalysées par des enzymes qui sont en quantités limitées dans la cellule.

• La transcription des gènes qui codent ces enzymes est soumise à des mécanismes de régulation extrêmement fins.

• Ces enzymes ont des propriétés catalytiques particulières et sont le plus souvent des enzymes à régulation allostérique (par opposition aux enzymes dites Michaéliennes).

• Les réactants ou les produits de ces réactions sont souvent des métabolites qui modulent l'activité d'enzymes qui catalysent d'autres réactions en aval ou en amont. Ces métabolites sont appelés effecteurs de l'activité enzymatique.

Cette dernière caractéristique explique aussi pourquoi les réactions réversibles ne peuvent pas constituer des points de contrôle du métabolisme : l'activité des enzymes qui catalysent les réactions réversibles n'est généralement pas modulable par des effecteurs. 

2. La quantité d'enzymes synthétisées

Les enzymes catalysent les réactions biochimiques : le contrôle de la quantité d'enzymes synthétisées est donc un autre moyen de régulation du métabolisme.

Ce contrôle s'exerce de diverses manières.

a. Le niveau de transcription des gènes

Par exemple, au cours de la répression catabolique de l'opéron lactose chez les bactéries, quand la concentration en glucose diminue, le métabolisme du lactose devient nécessaire.

Le signal de carence alimentaire est une augmentation de la concentration de l'AMP cyclique (AMPc). L'AMPc se fixe à la protéine "CAP" ("Catabolite gene Activator Protein").

Ce complexe se fixe à l'ADN et augmente l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur de l'opéron, ce qui se traduit par une augmentation d'un facteur 50 de la transcription de l'opéron lactose.

Voir un cours sur les EST ("Expressed Sequence Tags") et la transcriptomique.

b. La modulation de l'activité et de la localisation des facteurs de transcription

La phosphorylation et la déphosphorylation modulent l'activité de certains facteurs de transcription :

• soit en les activant directement
• soit en modifiant leur localisation cellulaire

Exemple : les MAP kinases ("Mitogen-activated protein kinases") sont impliquées dans des voies de signalisation en réponse à des signaux extracellulaires (facteurs de croissance, cytokines, ultraviolets, agents de stress, ... - figure ci-dessous).

Source : Biocarta

Elles régulent un grand nombre d'activités cellulaires, en particulier la transcription des gènes.

En effet, ce sont des sérine/threonine protéines kinases qui phosphorylent certains facteurs de transcription, modifiant ainsi l'activité de ces molécules.

c. La régulation post-transcriptionnelle

• maturation des ARN messagers primaires (épissage alternatifs et modifications structurales)
• dégradation nucléaire (exosome)
• [transport / séquestration / stockage / dégradation] des ARN matures
• ...

Une étude des transcrits de 10 chromosomes humains a montré que prés de la moitié sont non polyadénylés [poly(A)-] (Cheng et al., 2005) :

• 19,4% sont poly(A)+
• 43,7% sont poly(A)-, c'est-à-dire non polyadénylés
• 36,/9% sont poly(A)+ et poly(A)-

La polyadénylation alternative génère différents transcrits à partir d'un même gène (schéma ci-dessous).

Source : D. Gautheret - INSERM ERM206

d. La régulation traductionnelle

Elle régule la quantité d'ARN messagers traduits en protéines ou enzymes. C'est l'interférence ARN (siRNA, miRNA, ...).

3. L'activité des enzymes

La vitesse de catalyse de chacune des réactions du métabolisme et donc le flux global des voies métaboliques dépendent de l'activité des enzymes.

Il existe différents mode de régulation de l'activité des enzymes :

• Les modifications post-traductionnelles modifient la structure des protéines et modulent ainsi leur fonction. Une même protéine peut subir différents types de modifications post-traductionnelles. Exemple : les récepteurs couplés à une protéine G.

• Les inhibiteurs des enzymes.

• La modulation de l'activité par les effecteurs allostériques. Ces molécules modifient la conformation des enzymes, donc leur activité enzymatique.

4. Les signaux extracellulaires

Les signaux extrinsèques jouent un rôle capital dans la régulation du métabolisme.

Les signaux extracellulaires émanent :

• d'hormones, de stimuli divers (photon, molécule odorante, agoniste β-adrénergique, ...), de stress, ...

• d'autres cellules (on recense environ 200 types différents de cellules chez les mammifères). La communication entre cellules, via les contacts qu'elles établissent, joue donc un rôle dans la régulation du métabolisme

Ces signaux sont captés par des récepteurs de différents types :

• soit la molécule signal pénètre dans la cellule pour se lier à un récepteur cytoplasmique
• soit la molécule signal se lie au domaine extracellulaire d'un récepteur transmembranaire

Il existe divers types de récepteurs membranaires :

• les récepteurs ionotropes qui sont des protéines qui ouvrent des canaux ioniques (exemple : le récepteur de l'acétylcholine)
• les récepteurs métabotropes qui sont couplés à des protéines G
• les récepteurs métabotropes dotés d'une activité enzymatique intrinsèque qui est déclenchée par la fixation du ligand (exemple : le récepteur de l'insuline)

Ensuite, des messagers dits "secondaires" vont relayer le signal jusqu'à la cible intracellulaire via un ensemble d'évènements que l'on appelle la transduction du signal ou cascade de signalisation.

Parmi les messagers secondaires, on peut citer : l'AMP cyclique, le calcium, la calmoduline, les phosphatidylinositols, le diacylglycérol, ...

Dans la grande majorité des cas, cette cascade d'évènements de signalisation met en jeu des protéines kinases qui phosphorylent des enzymes. Cette modification post-traductionnelle induit une modification de la structure de ces enzymes qui se traduit par une diminution ou une augmentation de leur activité enzymatique.

En conséquence, le flux des voies métaboliques est modifié.