Métabolisme, anabolisme et catabolisme

Définir le métabolisme et expliquer la différence entre anabolisme et catabolisme, en donnant un exemple de processus de chaque type.

Classer les processus suivants en anaboliques ou cataboliques et justifier brièvement son choix : la synthèse des protéines, la respiration cellulaire, la photosynthèse et la digestion des aliments.

Distinguer les organismes autotrophes et hétérotrophes du point de vue métabolique (source de carbone et d'énergie) et donner un exemple de chaque type.

Classer les activités suivantes d'une cellule musculaire selon qu'elles consomment ou libèrent de l'ATP, en justifiant chaque cas : la contraction, la synthèse du glycogène, la dégradation du glucose lors de la glycolyse et le transport actif d'ions à travers la membrane.

Les transformations métaboliques se déroulent dans des voies formées de nombreuses réactions enchaînées, chacune catalysée par une enzyme. Expliquer ce qu'est une voie métabolique et quels avantages offre la décomposition d'une transformation en de nombreuses étapes.

Lors d'un exercice physique, la consommation de dioxygène d'une personne peut être multipliée par dix ou plus. Expliquer le lien entre ce fait et le métabolisme cellulaire et justifier pourquoi le dioxygène n'est nécessaire que pour une partie du métabolisme énergétique.

Qu'est-ce que l'ATP et pourquoi l'appelle-t-on la « monnaie énergétique » de la cellule ? Indiquer ce qui se produit lorsqu'il est hydrolysé en ADP.

Décrire la composition chimique de la molécule d'ATP (base azotée, sucre et groupements phosphate), indiquer quelle liaison est rompue lors de son hydrolyse en ADP et pourquoi cette liaison est dite riche en énergie.

Donner deux exemples de processus de la vie quotidienne qui dépendent de l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP (contraction musculaire, transport actif, synthèse de molécules, transmission de l'influx nerveux) et expliquer brièvement l'un d'eux.

Pourquoi la source immédiate d'énergie de la cellule est-elle l'ATP et non le glucose ? Justifier la réponse en comparant la façon dont l'énergie est libérée dans chaque cas (en petites quantités utilisables, par opposition à la combustion rapide et incontrôlée que représenterait la libération brutale de toute l'énergie du glucose).

Un être humain adulte de 70 kg possède à tout instant une masse totale constante d'à peine 50 g d'ATP. Pourtant, son activité basale et quotidienne exige d'hydrolyser et de resynthétiser environ 50 kg d'ATP toutes les 24 heures.

1. a) Calculer combien de fois par jour chaque molécule d'ATP est recyclée en moyenne chez cet individu et en déduire le temps moyen (en secondes ou en minutes) qui s'écoule entre la synthèse d'une molécule d'ATP et son hydrolyse ultérieure.
2. b) Si notre organisme ne pouvait pas recycler l'ADP et devait stocker à l'avance sous forme d'ATP libre les 50 kg nécessaires pour la journée, justifier les conséquences insurmontables que cela aurait sur le volume cellulaire et la pression osmotique des cellules. Expliquer pourquoi les graisses neutres (triacylglycérols) et les polysaccharides sont des macromolécules physiologiquement adaptées comme réserves énergétiques à long terme, par opposition à l'ATP.

Un poison bloque l'hydrolyse de l'ATP sans empêcher sa synthèse. Prévoir, en le justifiant, ce qu'il adviendra de la concentration cellulaire en ATP, de l'anabolisme, du catabolisme et des travaux cellulaires, et expliquer pourquoi la cellule finira par mourir bien qu'elle soit « pleine » d'ATP.

Un élève affirme : « Puisque la combustion directe d'une mole de glucose au laboratoire et son oxydation cellulaire complète libèrent la même quantité nette d'énergie ($\Delta G^\circ = -2870\ \text{kJ/mol}$), il serait plus avantageux pour la cellule vivante de brûler le glucose en une seule réaction rapide pour synthétiser d'un coup tout l'ATP et éviter les pertes intermédiaires. » a) Réfuter cette affirmation en justifiant deux raisons cytologiques ou thermodynamiques pour lesquelles la libération instantanée de cette énergie serait destructrice ou impossible pour la cellule. b) Expliquer l'avantage biologique de l'oxydation par étapes et justifier le rôle clé que jouent des coenzymes comme le $\text{NAD}^+$ et le FAD en tant qu'intermédiaires de potentiel redox.

Qu'est-ce qu'une enzyme et pourquoi dit-on que les réactions du métabolisme sont des réactions catalysées ? Indiquer ce qui arrive à l'enzyme à la fin de la réaction.

Qu'est-ce que l'énergie d'activation d'une réaction ? Expliquer comment les enzymes permettent aux réactions métaboliques de se dérouler rapidement à la température du corps humain.

Chez une bactérie, la voie de synthèse de l'acide aminé essentiel L à partir du précurseur P comporte trois étapes consécutives catalysées par les enzymes $E_1, E_2$ et $E_3$. L'enzyme $E_1$ est allostérique et subit une rétro-inhibition par le produit L lui-même. a) Prévoir, en le justifiant, ce qu'il adviendrait de la concentration des intermédiaires de la voie et du bilan énergétique cellulaire si une mutation altérait le site allostérique de $E_1$, empêchant la fixation de L mais laissant intacte son activité catalytique, lorsque la bactérie se développe dans un milieu riche en L exogène. b) Si une autre mutation inactive totalement l'enzyme $E_2$, justifier quel composé s'accumulera et si l'activité de $E_1$ se maintiendra ou sera freinée en l'absence de L dans le milieu. c) Justifier l'avantage sélectif de placer le contrôle allostérique sur la première enzyme propre à la voie et non sur la dernière ($E_3$).

Les organismes photosynthétiques obtiennent leur ATP à partir de la lumière et les hétérotrophes à partir des nutriments, mais tous le produisent par le même mécanisme final : l'utilisation d'un gradient de protons. Expliquer ce qu'est la chimiosmose et dans quelles structures membranaires elle a lieu chez les uns et chez les autres.

Les réactions anaboliques ont besoin, en plus de l'ATP, d'un pouvoir réducteur sous forme de NADPH. Expliquer ce qu'apporte le NADPH aux synthèses et en quoi sa fonction diffère de celle du NADH dans le métabolisme.

Considérer les deux réactions métaboliques indépendantes suivantes dans des conditions physiologiques :

1. $\text{Glucose} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glucose-6-phosphate} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13,8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30,5\text{ kJ/mol})$

1. a) Justifier, au niveau moléculaire, pourquoi l'hydrolyse de l'ATP présente un $\Delta G^{\circ\prime}$ aussi fortement exergonique (faire référence à la répulsion des charges électrostatiques et à la stabilisation par résonance des produits formés).
2. b) Écrire l'équation de la réaction nette couplée catalysée par l'enzyme hexokinase, calculer son $\Delta G^{\circ\prime}$ global et expliquer comment ce mécanisme de couplage énergétique rend possibles des processus cellulaires qui, pris isolément, seraient thermodynamiquement impossibles.

Dans une recherche sur le métabolisme musculaire, on analyse une lignée cellulaire porteuse d'une mutation qui rend l'enzyme glycogène synthase constitutivement active et insensible à l'inhibition par phosphorylation, de sorte qu'elle reste à 100 % d'activité même en cas de fortes décharges d'adrénaline.

1. a) Lors d'une contraction musculaire vigoureuse déclenchée par l'adrénaline, la glycogène phosphorylase est activée par une cascade de phosphorylations. Prévoir, en le justifiant, la conséquence métabolique immédiate du fonctionnement simultané des deux enzymes (synthase et phosphorylase) à vitesse maximale et justifier pourquoi ce phénomène (cycle futile) est énergétiquement néfaste pour la cellule.
2. b) Expliquer comment la régulation réciproque coordonnée (par modification covalente réversible et par des modulateurs allostériques comme l'AMP et l'ATP) évite que ce conflit se produise dans les fibres musculaires normales au repos et pendant l'exercice.

Expliquer pourquoi les êtres vivants sont dits des systèmes ouverts du point de vue des échanges de matière et d'énergie, et quelle différence il y a sur ce point avec une machine isolée.

Observer le schéma des échanges de matière et d'énergie dans le métabolisme. Indiquer quel processus (anabolisme ou catabolisme) représentent A et B, quelle molécule est désignée par ? et expliquer, à l'aide d'un exemple, comment l'énergie libérée par un processus alimente l'autre.

Un élève soulève un paradoxe apparent : « Le second principe de la thermodynamique dit que les processus spontanés s'accompagnent d'un $\Delta G < 0$. Puisque l'anabolisme construit des molécules complexes par des réactions fortement endergoniques ($\Delta G > 0$), la biosynthèse des macromolécules ne viole-t-elle pas les lois de la physique ? »

1. a) Réfuter l'objection de l'élève en justifiant, à l'aide du principe du couplage énergétique et du rôle d'intermédiaire du système ATP/ADP, comment la cellule parvient à rendre une voie anabolique globale thermodynamiquement favorable.
2. b) Si l'on ajoute à une suspension d'hépatocytes un composé découplant de la phosphorylation oxydative (comme le DNP) qui dissipe le gradient électrochimique de protons mitochondrial, prévoir, en le justifiant, ce qu'il adviendra du taux de catabolisme du glucose, de la synthèse des biomolécules (anabolisme) et de la température du milieu.

Un détracteur de la théorie de l'évolution affirme que l'apparition et le maintien d'êtres vivants complexes et ordonnés à partir de précurseurs simples est physiquement impossible parce que cela contredit le second principe de la thermodynamique, selon lequel le désordre (l'entropie) doit obligatoirement augmenter.

1. a) En utilisant la formulation $\Delta S_\text{univers} = \Delta S_\text{système} + \Delta S_\text{environnement} \ge 0$, réfuter cet argument en distinguant système ouvert et système isolé, et justifier comment le catabolisme cellulaire permet de compenser la diminution locale de l'entropie interne produite lors de l'anabolisme.
2. b) Concevoir une expérience de pensée dans laquelle on enferme un animal et sa nourriture dans un récipient rigide, parfaitement hermétique et adiabatique (isolé de l'extérieur en matière et en chaleur). Prévoir le devenir vital et thermodynamique du système au cours du temps et expliquer pourquoi la biosphère terrestre ne subit pas ce même effondrement entropique grâce au flux solaire continu.