Dans l'usine cellulaire : respiration, photosynthèse et enzymes au travail

Tu viens de monter quatre étages en courant : tu respires fort, ton cœur cogne. Pendant ce temps, le basilic sur le rebord de la fenêtre fabrique tranquillement sa matière avec de la lumière et de l'air. Deux scènes très différentes, une même histoire : des milliards de cellules qui transforment matière et énergie. Bienvenue dans l'usine cellulaire.

La cellule, unité de base du vivant

Tous les êtres vivants sont faits de cellules : une seule chez les bactéries et les levures (des champignons microscopiques, à noyau), environ 30 000 milliards chez toi. Une cellule animale mesure en général 10 à 30 µm (micromètres), soit quelques centièmes de millimètre.

Au microscope optique (grossissement ×400), tu reconnais :

• la membrane plasmique, fine enveloppe qui délimite la cellule et contrôle les échanges avec l'extérieur (entrée du glucose et du dioxygène, sortie du dioxyde de carbone) ;
• le cytoplasme, gel aqueux où se déroulent la plupart des réactions chimiques ;
• le noyau, qui renferme l'ADN, le programme génétique.

Le microscope électronique révèle des organites spécialisés : les mitochondries (environ 1 µm), centrales énergétiques de presque toutes les cellules animales et végétales, et, dans les seules cellules végétales vertes, les chloroplastes, remplis de chlorophylle. La cellule végétale possède en plus une paroi rigide de cellulose et une grande vacuole pleine d'eau. Les bactéries, elles, n'ont ni noyau ni organites : leur ADN flotte dans le cytoplasme. Ce sont des procaryotes ; les cellules à noyau sont des eucaryotes.

Le métabolisme : des réactions chimiques organisées

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques d'une cellule. Deux grands modes de vie existent : les cellules autotrophes (végétaux chlorophylliens, algues, certaines bactéries) fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale (eau, dioxyde de carbone) et de lumière ; les cellules hétérotrophes (animaux, champignons, la plupart des bactéries, et même les cellules non vertes des plantes, comme les racines) doivent prélever de la matière organique toute faite.

La respiration cellulaire

Dans les mitochondries, le glucose est dégradé en présence de dioxygène :

glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau + énergie utilisable

soit C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O. L'énergie libérée est stockée dans une petite molécule, l'ATP, qui alimente tous les travaux de la cellule : voilà pourquoi tu haletais dans l'escalier. Expérience classique : des levures dans une enceinte fermée munie d'une sonde ; dès qu'on ajoute du glucose, le dioxygène chute, et le gaz produit trouble l'eau de chaux, signature du CO2.

La fermentation

Sans dioxygène, certaines cellules se rabattent sur la fermentation, qui libère beaucoup moins d'énergie. La levure de boulanger transforme le glucose en éthanol et en CO2 (fermentation alcoolique) : ce sont ces bulles qui font lever le pain. Tes cellules musculaires, lors d'un sprint, produisent de l'acide lactique (fermentation lactique).

La photosynthèse

Dans les chloroplastes, à la lumière, la chlorophylle capte l'énergie lumineuse pour fabriquer du glucose à partir de CO2 et d'eau, en libérant du dioxygène :

dioxyde de carbone + eau + lumière → glucose + dioxygène

soit 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. Le glucose est ensuite stocké sous forme d'amidon. Attention : une cellule végétale verte respire aussi, jour et nuit ; la photosynthèse ne s'y ajoute qu'à la lumière. Expérience historique de Julius Sachs (années 1860) : une feuille à moitié masquée par un cache noir, puis décolorée à l'alcool et trempée dans de l'eau iodée, ne révèle de l'amidon (bleu-noir) que sur la zone éclairée.

Les enzymes, ouvrières du métabolisme

Aucune de ces réactions ne se ferait assez vite toute seule à 37 °C. Chaque étape est accélérée par une enzyme, une protéine qui agit comme un catalyseur biologique : elle se lie à une molécule précise (son substrat), la transforme, puis repart intacte pour recommencer. Une enzyme est spécifique : l'amylase de ta salive découpe l'amidon en sucres, mais ne touche pas aux protéines. Trop chauffée, elle se déforme et cesse de fonctionner : elle est dénaturée. Comme les enzymes sont des protéines codées par les gènes, l'équipement enzymatique d'une cellule décide de ce qu'elle sait faire.

Exemple concret : une pomme de terre crue mousse dans l'eau oxygénée, car son enzyme catalase décompose l'eau oxygénée en eau et en dioxygène ; cuite, elle ne mousse plus : la chaleur a dénaturé la catalase.

À retenir

• La cellule : membrane plasmique, cytoplasme, noyau chez les eucaryotes ; mitochondries presque partout ; chloroplastes, paroi et vacuole chez les végétaux ; bactéries sans noyau.
• Respiration cellulaire (mitochondries) : glucose + O2 → CO2 + eau + énergie (ATP). La fermentation, sans O2, libère beaucoup moins d'énergie.
• Photosynthèse (chloroplastes, lumière) : CO2 + eau → glucose + O2. Les cellules vertes respirent aussi.
• Autotrophe : fabrique sa matière organique ; hétérotrophe : la prélève.
• Les enzymes sont des protéines spécifiques qui accélèrent les réactions sans être consommées ; une forte chaleur les dénature.

★ Pour aller plus loin

Les mitochondries et les chloroplastes possèdent leur propre ADN, différent de celui du noyau. Selon la théorie de l'endosymbiose (Lynn Margulis, fin des années 1960), ils descendent de bactéries avalées par une cellule ancestrale il y a plus d'un milliard d'années, puis devenues partenaires permanentes.

Au fond des océans, près des sources hydrothermales, aucune lumière n'arrive. Des bactéries y fabriquent pourtant de la matière organique grâce à l'énergie de réactions chimiques sur le sulfure d'hydrogène : c'est la chimiosynthèse, une autotrophie sans lumière.

Sources pour creuser

• Bill Bryson, Le Corps : mode d'emploi (Payot) : une visite vivante du corps humain, des cellules aux organes.
• Chaîne YouTube DirtyBiology (Léo Grasset) : cherche ses vidéos sur les mitochondries et l'origine de la vie.
• lumni.fr : vidéos et fiches de SVT de Seconde sur le métabolisme cellulaire.
• planet-vie.ens.fr (École normale supérieure) : articles de référence sur la respiration, la photosynthèse et les enzymes.