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JF Perrin mise à jour 2004-2020
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Les cellules vivantes grandissent, se multiplient, se maintiennent. Elles doivent ainsi constituer ou reconstituer leur matière vivante à partir de matériaux chimiques extérieurs. Les microbiologistes s'intéressent ainsi aux sources chimiques extérieures que peuvent utiliser les micro-organismes pour fabriquer leur propre matière. Un peu comme un entrepreneur du bâtiment peut utiliser du bois et/ou de la terre mélangée à de la paille et/ou des pierres et/ou du béton et/ou des plastiques pour construire une maison...
Beaucoup des voies métaboliques qui permettent à une cellule de constituer ou reconstituer sa matière vivante requièrent un apport d'énergie. Le métabolisme énergétique est un domaine d'études très important en microbiologie. Les microbiologistes s'intéressent énormément aux sources primaires d'énergie possibles pour le vivant. Il y en a deux : soit la lumière (la cellule récupère l'énergie de photons sous forme "interne" qu'elle sait utiliser), soit la récupération de l'énergie associée à des réactions chimiques exergoniques à partir de composés chimiques trouvés dans l'environnement (globalement, la source chimique primaire d'énergie est oxydée et la cellule récupère de l'énergie sous une forme "interne" qu'elle sait utiliser). Comme analogie, on peut par exemple prendre l'image d'une maison tout équipée en électrique : l'énergie "interne" utilisée dans la maison est l'électricité, la source primaire d'énergie qui a permis de "fabriquer" l'électricité a pu être hydroélectrique, photovoltaïque, éolienne, nucléaire, bois, charbon, gaz ...
Remarque. Si les voies métaboliques qui permettent à une cellule de fabriquer ou de reconstituer de la matière vivante requièrent de l'énergie, il n'y a pas que ce poste de dépenses énergétiques dans une cellule. il y a aussi d'autres postes de dépense énergétique : l'osmorégulation, la locomotion, les systèmes qui permettent d'absorber les nutriments...
Dans ce chapitre, on ne s'intéressera pas à l'aspect énergétique mais uniquement à l'aspect "constitution ou reconstitution de matière vivante à partir de matériaux chimiques extérieurs".
On va commencer par classer la matière qui constitue toute cellule vivante
en 3 catégories :
• L'eau, le solvant du vivant ;
• la matière organique (au sens de la chimie organique, des structures
moléculaires covalentes à squelette carboné) ;
• la matière retrouvée sous forme d'ions minéraux (en solution dans l'eau
où associés de façon plus ou moins labile à des molécules organiques).
La matière organique (hors ions minéraux associés de façon plus ou moins
labile) est constituée avec 6 éléments, 6 atomes : C, H, O, N, P, S. Une composition type
en % (masse/masse) étant 50% d'élément C ; 8% d'élément H ; 20% d'élément O ;
12% d'élément N ; 8% d'élément H ; 3 % d'élément P et 1% d'élément S (le total
est légèrement supérieur à 100% car on a donné des valeurs types à la louche
...). Ou alors si on l'exprime en se ramenant à 1 atome de C contenu : pour 1
C il y a environ 1,9 H,
0,4 O, 0,28 N, 0,02 P, 0,04 S (vous pouvez
vérifier la cohérence de la composition en % avec celle en atomes en utilisant
les valeurs des masses atomiques de C, H, O, N, P, S).
Evidemment la composition proposée ci-dessus est sensiblement variable selon
l'espèce et l'état physiologique.
Les ions minéraux du vivant sont très nombreux : K+, Cl-, Na+, Ca2+, Mg2+, H2PO4-/ HPO42-/PO43- (dans les cellules, on trouve ainsi l'élément P à l'état de phosphates inorganiques ou à l'état organique sous forme d'esters ou d'anhydride d'acide phosphorique) , Fe2+, Zn2+, Cu2+ , Mn2+...
Pour constituer sa matière organique, toute cellule
vivante doit disposer d'une source externe de C, d'une source de H, d'une
source de O, d'une source de N, d'une source de S et d'une source de P qu'elle
doit pouvoir "bricoler chimiquement à sa sauce" pour se faire ses molécules
organiques particulières bien à elle.
Voyons donc cette affaire de composition élémentaire du vivant (au sens de la classification périodique des éléments) d'un peu plus près.