Métabolisme

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L'essentiel

Le métabolisme cellulaire est le processus de dégradation des éléments extérieurs (aliments, énergie solaire) en nutriments permettant aux cellules de fonctionner. Chez l'homme, cette réaction d'oxydation consomme du dioxygène, apporté par l'appareil respiratoire et l'appareil sanguin, aux divers tissus et organes du corps. La réaction produit des déchets à éliminer, comme le dioxyde de carbone éliminé à chaque expiration par le système respiratoire. Mais elle produit aussi des nutriments et de l'énergie, assurant la matière de base aux fonctions d'entretien, de restauration, de synthèse des cellules.

La fiche

Parmi les fonctions vitales du corps humain figurent celles de la nutrition et de la respiration, et celles associées à la perception de son environnement. La fonction de reproduction permet quant à elle d'assurer la survie de l'espèce. Tout organisme est composé d'organes qui forment des systèmes (système respiratoire par exemple) ; les organes sont eux-mêmes composés de tissus, eux-mêmes constitués de groupements de cellules ; la cellule est la plus petite unité vitale de l'organisme. Chaque cellule est une petite usine vivante qui peut fonctionner de manière autonome, mais qui reste en connexion avec les autres.
Pour appréhender son environnement, l'organisme possède des récepteurs sensoriels (fosses nasales, papilles de la langue, peau, rétine de l'œil, oreille interne) dispersés ou groupés selon les sens, et qui répondent à certaines stimulations (stimuli). Cette stimulation (lumière, son, odeur, goût, pression, température…) s'accompagne de la production de messages nerveux, qui, conduits par les nerfs, arrivent au cerveau. La perception de l'environnement est donc un phénomène cérébral.
Métabolisme de l'organisme et de la cellule
Historique
Claude Galien (vers 131-vers 201) exerce la médecine à Pergame et à Rome. Il fait d'importantes découvertes en anatomie. Mais il se méprend sur le rôle des organes et fait du foie le centre de la circulation sanguine. Comme Hippocrate, Galien s'appuie sur la théorie des humeurs. Ibn al-Nafis est un médecin syrien de l'école du Caire. En 1242, il décrit la circulation pulmonaire (petite circulation) et l'enrichissement du sang en air par les poumons. W. Harvey (1578-1657), médecin anglais, publie en 1628, Exercitatio Anatomica de Motu Cordis et Sanguinis in Animalibus où il décrit le rôle des organes et du cœur dans la circulation sanguine. Ses théories sont alors en désaccord avec les conceptions en vigueur à l'époque et l'ouvrage est tout d'abord rejeté par la communauté des savants, avant d'être ensuite accepté. Son influence restera considérable jusqu'au xviie siècle.
C'est en 1665 que fut observée pour la première fois la cellule, par R. Hooke (cellule du liège). En 1839, Schwann constate que tous les êtres vivants sont faits de cellules, alors que la croyance en vigueur était celle de la génération spontanée, que L. Pasteur (1822-1895) réfutera. En 1858, la division cellulaire est démontrée.
Métabolisme
Le métabolisme, c'est l'ensemble des transformations moléculaires ou des échanges d'énergie, qui ont lieu dans les cellules, et plus généralement, dans un organisme vivant. Ce processus physico-chimique est une dégradation de réactifs (catabolisme), et une synthèse (anabolisme). Lors de l'anabolisme, la cellule synthétise ce dont elle a besoin pour sa survie et ses fonctions. Parfois, elle utilise des éléments venant de l'extérieur.
Exemple : une cellule végétale exploite la lumière solaire lors de la photosynthèse.
Le catabolisme permet de dégrader de grosses molécules (nutriments) en petites molécules (glucose, lipides, protides) libérant de l'énergie, qui sera stockée sous forme d'ATP. Cette transformation est lente.
Exemple : métabolisme musculaire. Lors d'un effort physique, il y a synthèse d'acide lactique, et selon l'utilisation de cet acide, le muscle peut produire beaucoup ou peu d'énergie. Un muscle peut travailler de manière « aérobie » : la respiration est normale et l'acide lactique produit est réexploité et dégradé pour produire de l'énergie. En travail « anaérobie », il y a production d'acide lactique au cours de l'effort ; si cet acide lactique est lui-même immédiatement dégradé, le muscle peut fournir un grand effort, si l'acide lactique est stocké, alors l'énergie produite est moindre et le foie devra travailler pour dégrader cet acide lactique en glucose.
Organisation et fonctionnement cellulaire : métabolisme cellulaire
Il existe chez l'homme environ 220 types distincts de cellules : globule, neurone, spermatozoïde… Une cellule comprend : de l'ADN (contenu dans un noyau pour des eucaryotes, mais libre pour des procaryotes), des protéines et une membrane plasmique qui isole la cellule de l'extérieur. L'intérieur de la cellule est appelé le cytoplasme. La membrane plasmique sert aussi de barrière aux attaques infectieuses.
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Organisation interne d'une cellule
Organisation interne d'une cellule
Les bactéries sont des procaryotes ; les animaux sont des eucaryotes.
Une cellule peut assurer des fonctions de reproduction cellulaire (elle peut se diviser ; ce processus de division cellulaire est appelé mitose chez les animaux) ; de métabolisme cellulaire (elle convertit l'énergie des nutriments en énergie cellulaire ; dans le cas des plantes, elle utilise l'énergie solaire). Enfin, elle assure la fabrication de protéines, à partir du modèle donné par l'ADN.
Au total, il y a environ 1013 cellules dans le corps d'un homme. La taille typique d'une cellule est d'environ 10 microns.
La membrane permet aussi de résister à l'effet de la pression « osmotique ».
Chez les animaux, l'ADN du noyau s'organise sous la forme de molécules linéaires, appelées chromosomes.
La composition d'une cellule est essentiellement de l'eau (70 %), des protéines (20 %), des lipides (5 %), des ions (1 %) et d'autres molécules. Ainsi, l'ADN représente moins de 0,2 % de la masse d'une cellule.
Nutrition et respiration
Les besoins nutritionnels de l'organisme servent à maintenir sa température corporelle (à 37 °C pour l'homme), à assurer ses travaux musculaires (respiration, circulation sanguine, mouvements), à assurer l'entretien, la réparation et la construction de ses cellules.
Les besoins nutritionnels varient par exemple selon l'âge, le sexe et l'activité physique de l'individu. En moyenne, un individu a besoin d'éléments répartis en trois principales catégories : protides (15 %), lipides (35 %) et glucides (50 %), mais aussi d'autres éléments : eau, sels minéraux, vitamines.
L'eau est indispensable à toute forme de vie, dans le cas du corps humain, elle représente environ 70 % de sa masse.
On peut considérer que l'on ressent une sensation de soif (l'organisme s'est appauvri en eau) après une perte de près de 2 % en eau. Une telle information est envoyée au cerveau, et la sensation sera perçue au niveau de la bouche.
Environ 1,5 L à 2 L d'eau sont nécessaires quotidiennement pour compenser la perte d'eau par l'urine (environ 1,3 L), la transpiration (environ 1 L) et par la vapeur d'eau rejetée dans lors de l'expiration (environ 0,5 L). Cette eau sert à transporter les aliments et donc les éléments nutritifs permettant d'alimenter les cellules.
Une fois prélevé dans l'air grâce à la respiration (chaque jour, l'homme inspire environ 15 m3 d'air), le dioxygène se fixe à l'hémoglobine qui est contenue dans les hématies. Ce processus de fixation est renversable, c'est-à-dire que l'oxygène peut indifféremment se fixer ou se détacher de l'hémoglobine. Au niveau des poumons, l'hémoglobine qui a fixé de l'oxygène s'est oxydée et devient de l'oxyhémoglobine (le préfixe oxy- rappelant qu'il s'agit du produit de l'oxydation de l'hémoglobine). Après son transport jusqu'aux cellules, cette oxyhémoglobine y perd son oxygène, qui est nécessaire au fonctionnement des cellules.
Les nutriments sont produits, lors de la digestion, grâce à la dégradation des macromolécules alimentaires : les glucides sont transformés en glucose, les protides en acides aminés et les lipides en acides gras et glycérol.
À la fin du processus de digestion, on trouve dans l'intestin grêle de petites molécules appelées nutriments : glucose (sucre très simple), acides aminés, acides gras, glycérol, vitamines, sels minéraux, et de l'eau. Ces nutriments passent alors dans la circulation sanguine.
Les nutriments sont exploités par l'organisme dans les cellules où, en présence d'oxygène, ils vont subir une réaction dite d'oxydation qui produit l'énergie nécessaire à l'activité cellulaire, et de la chaleur.
Les déchets de cette réaction sont le dioxyde de carbone CO2, l'urée, l'acide urique, la créatinine, qui doivent tous être éliminés par l'organisme. L'élimination se fait grâce à l'appareil urinaire pour l'urée, l'acide urique et la créatinine, sous forme d'urine produite à partir du plasma dans les reins. Le dioxyde de carbone est quant à lui transporté par les hématies et le plasma, jusqu'aux alvéoles pulmonaires où il est expiré.
Systèmes fonctionnels de l'homme : de la cellule à l'organe
En Latin, cellula signifie « petite chambre » ; on parle de la cellule d'une prison. En biologie, la cellule est la plus petite unité structurale vivante qui assure des fonctions et qui peut se reproduire. Tout être vivant est constitué de cellules, qui peuvent se réunir sous la forme de tissus. Ces tissus se regroupent sous la forme d'organes. Pour tous les êtres vivants, le milieu physico-chimique à l'intérieur de la cellule est le même.
Tissus
L'organisme dépend de l'activité cellulaire microscopique, que ses cellules soient isolées ou sous la forme regroupée de tissus. Leur division assure le maintien et l'entretien de l'organisme. Ainsi, la cellule est l'unité de la vie. Selon la fonction, la cellule porte un nom adéquat. Il y a des gamètes (cellules de la reproduction, spermatozoïde ou ovule) ; des globules (leucocytes, globules rouges, lymphocytes). Les globules rouges transportent l'oxygène, ce sont des hématies. Les neurones sont les unités de base du tissu nerveux. Les hépatocytes sont les unités du tissu du foie, etc.
Exemple : lors d'une analyse sanguine, on parle souvent de la « numération »: on compte le nombre de cellules vivantes, cultivées dans une boîte, et comparées à un nombre établi moyen.
Appareil digestif
La digestion a pour but de transformer les macromolécules (grosses molécules) provenant des aliments, en de plus petites. Ainsi, les glucides sont transformés en glucose, les protides en acides aminés et les lipides en acides gras et glycérol.
Le système digestif comprend la bouche (et ses dents), l'œsophage, l'estomac, le pancréas, le foie, l'intestin grêle et le gros intestin.
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L'appareil digestif
L'appareil digestif
La digestion est une action mécanique : les aliments sont coupés grâce aux dents et aux contractions de l'estomac. Mais cela n'est pas suffisant. La digestion est aussi une action chimique. On trouve des enzymes tout au long du tube digestif qui transforment les molécules en nutriments, qui sont ensuite absorbés par la paroi intestinale dans le sang et la lymphe.
Appareil respiratoire et appareil sanguin
L'appareil respiratoire permet d'alimenter le sang en dioxygène nécessaire au métabolisme cellulaire, mais aussi d'éliminer le dioxyde de carbone.
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L'appareil respiratoire
L'appareil respiratoire
L'appareil respiratoire comprend le nez, la bouche, les bronches et les poumons. Les poumons sont sous-organisés en sacs pulmonaires, eux-mêmes formés d'une multitude d'alvéoles pulmonaires.
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Détail du fonctionnement pulmonaire
Détail du fonctionnement pulmonaire
Les deux appareils sanguin et respiratoire sont liés entre eux. En effet, au niveau des alvéoles pulmonaires ont lieu tous les échanges gazeux : le sang riche en dioxyde de carbone, provenant des veines, veinules et collectivement du ventricule droit du cœur, y perd son dioxyde de carbone et s'enrichit en dioxygène. Il retourne dans le ventricule gauche du cœur, qui, comme une pompe, va le renvoyer vers les divers organes, grâce notamment à l'artère aorte, puis les artères et artérioles. Les organes peuvent ainsi être irrigués en sang bien oxygéné.
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Le système sanguin
Le système sanguin
Le système d'irrigation sanguine comprend des artères (épaisses et larges), des veines (plus fines et plus allongées). Entre les deux s'établit un réseau de capillaires, où s'effectue le pompage du dioxygène par les tissus et cellules, et le rejet de dioxyde de carbone.
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Comparaison entre une artère et une veine
Comparaison entre une artère et une veine
Quelques influences sur les systèmes respiratoire et sanguin
Obstruction partielle ou totale des voies respiratoires
Lorsqu'un enfant avale « de travers » un objet (cacahuète, bouchon de stylo), l'obstruction de trachée ne permet plus de réaliser convenablement les échanges gazeux, notamment d'enrichir le sang en dioxygène ; elle peut ainsi mener à l'asphyxie. C'est aussi le cas de certains gaz qui peuvent prendre la place du dioxygène sur l'hémoglobine.
Exemple : le monoxyde de carbone est souvent le responsable, pendant l'hiver, d'asphyxies, car il est constitué de deux atomes (C et O) comme le dioxygène (O-O) ; il est produit par des systèmes de chauffage défectueux.
Obstruction de la canalisation sanguine
L'alimentation ou certaines maladies peuvent être responsables du dépôt sur les parois du système sanguin de nutriments pouvant réduire les ouvertures des artères. Dans ce cas, le système sanguin peut être défectueux et mal irriguer les tissus et les organes. C'est donc une question de « colmatage ». L'athérosclérose en est un exemple et la question de la production de « cholestérols » dans l'organisme (bons ou mauvais) est liée à cet endiguement.
Consommation d'alcool
Lors de la consommation modérée d'alcool, (qui est de l'éthanol C2H6OH), sa dégradation permet de produire des nutriments au même titre que les autres aliments. Ce processus de dégradation, enzymatique, fait appel au foie. Si la prise d'alcool est trop importante ou trop fréquente, le foie est « engorgé » et ne peut plus dégrader toutes les molécules d'éthanol, qui restent alors dans le système sanguin. Dans ce cas, l'alcool peut imbiber tous les tissus irrigués normalement par le sang, à savoir les poumons ou le cerveau. C'est pourquoi une consommation excessive peut altérer de manière localisée la matière grise (cellules nerveuses) et de manière diffuse la matière blanche (connexions entre régions du cerveau). C'est particulièrement vrai si l'alcoolisation a débuté à un âge précoce (vers 14 ans).

Zoom sur…

Le polonium : un poison
Un ex-espion russe, Alexander Litvinenko, a été éliminé récemment (novembre 2006) par ingestion d'environ 10 microgrammes de Polonium 210. Cet élément radioactif, découvert par Marie Curie en 1898, des milliers de fois plus toxique que le plutonium ou que le cyanure, est présent à faible dose dans les cigarettes en raison des phosphates légèrement radioactifs utilisés comme engrais dans les champs de tabac. L'inhalation du polonium via les fumées de cigarettes est une raison des cancers du poumon chez les fumeurs. Une fois inhalé, le polonium rentre dans le système sanguin, provoque des lésions des vaisseaux (en se désintégrant), des artères (qu'il bloque), ce qui explique que l'ex-espion russe soit décédé d'une crise cardiaque après des attaques d'apoplexie. De plus, après passage du poison radioactif dans le sang, celui-ci détruit en même temps les globules rouges en les bombardant à l'échelle microscopique, puis le foie, les reins. Après son autopsie, il a été révélé que l'ex-espion russe n'avait plus aucune cellule sanguine, que ses reins, son foie et son système respiratoire ne fonctionnaient plus… ce qui souligne davantage l'extrême corrélation entre les systèmes respiratoire, alimentaire et sanguin.
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