Lo metabolisme, dau grèc ancian metabolê (« cambiament », « transformacion »), designa l'ensemble de las reaccions quimicas que se debanan dins las cellulas dels organismes vivents e que lor permeton de demorar en vida. Aquelas reaccions, fòrça nombrosas e estrechament coordinadas, asseguran la transformacion de la matèria e de l'energia necessàrias a totas las foncions biologicas (creissença, reproduccion, responsa als estimulús, manten de l'integritat estructurala e foncionala de las cellulas e dels teissuts). Son una proprietat universala del vivent e de reaccions metabolicas son presentas dins totas las cellulas de totes los organismes coneguts, de las bacterias mai simplas als organismes multicellulars mai complèxes.
Son classicament distinguidas doas grandas compausantas del metabolisme : lo catabolisme que designa l'ensemble de las reaccions de degradacion de las moleculas organicas complèxas en moleculas mai simplas, amb liberacion d'energia. l'anabolisme que l'ensemble de las reaccions de sintèsi de moleculas complèxas a partir de precursors simples, amb consomacion d'energia. Aqueles procediments son ligats e s'equilibran de longa dins las cellulas viventas. L'energia liberada pel catabolisme es captada e estocada jos forma d'adenosina trifosfat (ATP), la font d'energia principala del vivent, qu'es puèi utilizada per alimentar las reaccions anabolicas e totas las autras foncions cellularas que demandan d'energia.
L'estudi del metabolisme es un dels domenis centrals de la bioquimia e de la biologia. A d'implicacions nombrosas en medecina, en nutricion o en farmacologia que permet de comprendre e de tractar de malautiás coma lo diabèta, l'obesitat o las dislipedemias
Istòria e descobèrtas
Las primièras intuicions
Las primièras reflexions suls procediments de transformacion de la matèria dins los organismes vivents datan de l'Antiquitat. Los mètges grècs, especialament Ipocrates (430-360 abC) e Galen (129-216 apC), observèron que los aliments ingerits pels animals èran transformats e assimilats pel còs e qu'aquela transformacion èra associada a una produccion de calor. Galen desvolopèt una version de la teoria dels « esperits animals » e de las « umors » que, en despièch de son caractèr totalament erronèu, pausava la question fondamentala de la relacion entre l'alimentacion, la calor corporala d'un individú e la vitalitat. Sas concepcions marquèron la pensada medicala occidentala pendent mai d'un millenari.
Durant l'Edat Mejana, de sabents arabs, coma Avicena (980-1037) e Averroès (1126-1198), enriquiguèron e transmetèron la tradicion medicala grèga(fr) Roshdi Rashed, Histoire des sciences arabes (3 volumes), París, Le Seuil, 1997.(it) Sayyed Hossein Nasr, Scienza e civiltà nell'Islam, Milan, Feltrinelli, 1977.. Pasmens, remetèron pas en question sos fondaments teorics sus la natura de las transformacions corporalas. Aital, las primièras temptativas d'apròchi experimental d'aquelas questions se faguèron en Euròpa durant la Renaissença. Mostrèron rapidament los limits de las concepcions ancianas. En particular, a partir d'experiéncias quantitativas sus la nutricion de las plantas, lo mètge flamenc Jan Baptist van Helmont (1577-1644) formulèt lo concèpte de « gas » per designar las substàncias volatilas produchas per de transformacions quimicas se debanant dins la planta(en) Walter Pagel, Joan Baptista Van Helmont. Reformer of science and medicine, Cambridge University Press, 1982..
La revolucion quimica del sègle XVIII
La compreneson modèrna del metabolisme nasquèt amb la revolucion quimica de la segonda mitat del sègle XVIII iniciada pels trabalhs d'Antoine de Lavoisier (1743-1794)(fr) Michelle Goupil, Lavoisier et la révolution chimique, Palaiseau, Sabix Ecole Polytechnique, 1992, 372 p.. En establissent que la combustion èra una reaccion d'oxidacion implicant una absorpcion d'oxigèn e una liberacion de dioxid de carbòni e d'aiga, pausèt las basas de la descripcion de la respiracion cellulara. Aital, dins sas experiéncias mai famosas, mostrèt que la respiracion animala èra una forma de combustion lenta e contrarotlada que produsiá de calor e de dioxid de carbòni a partir d'oxigèn e d'aliments. Aquela descobèrta fondamentala permetèt d'observar pel primièr còp l'existéncia d'un ligam quantitatiu entre alimentacion, respiracion e produccion de calor. Venguèt tanben la basa de la calorimetria e de la termodinamica biologica.
Lo periòde de la termodinamica e de la quimia organica
Lo sègle XIX foguèt un periòde de progrèsses importants en quimia, en particular dins los domenis de la termodinamica e de la quimia organica. L'aplicacion d'aquelas descobèrtas a l'estudi del metabolisme permetèt alara de pausar las basas de la compreneson modèrna del metabolisme. Lo quimista britanic William Prout (1785-1850) foguèt un dels actors centrals d'aquela evolucion. En efièch, en 1827, sas recèrcas permetèron de definir las tres grandas classas d'aliments (glucids, lipids e proteïnas)(en) Catharine Price, « Probing the Mysteries of Human Digestion », Distillations, vol. 4, n° 2, 2018, pp. 27-35.. Mai tard, pendent la segonda mitat del sègle, lo quimista alemand Justus von Liebig (1803-1873) mostrèt l'importància de l'azòt, del fosfòr, del potassi e del dioxid de carbòni per las plantas(en) William H. Brock, Justus von Liebig : the chemical gatekeeper, Cambridge, Cambridge University Press, 1997.. Puèi, Claude Bernard (1813-1878), fisiològ francés, descobriguèt lo ròtle del fetge dins la sintèsi e l'estocatge del glicogèn. Aquò permetèt de mostrar que los organismes vius èran capables de sintetizar e d'estocar de nutriments(fr) Jean C. Baudet, Histoire de la biologie et de la médecine, De Boeck supérieur, 2018, pp. 169-170.. Aquò obriguèt la via a la descobèrta de l'anabolisme.
En parallèl, lo desvolopament de la teoria cellulara, a partir dels trabalhs de Matthias Schleiden (1804–1881) e Theodor Schwann (1810–1882), permetèt de localizar los procediments metabolics dins las cellulas. Puèi, la descobèrta dels enzims per Wilhelm Kühne (1837–1900) permetèt de començar la compreneson dels mecanismes moleculars del metabolisme(de) Wilhelm Kühne, « Über das Verhalten verschiedener organisirter und sog. ungeformter Fermente », Verhandlungen des Naturhistorisch-medicinischen Vereins zu Heidelberg, vol. 1, 1877, pp. 190-193.(en) James B. Sumner e G. Fred Somers, Chemistry and Methods of Enzymes, Academic Press, 1953, p. 942..
Lo periòde de la bioquimia e de la biologia moleculara
Durant lo sègle XX, los progrèsses en matèria de bioquimia permetèron pauc a pauc d'identificar las grandas vias metabolicas. En 1937, Hans Krebs (1900-1981) descobriguèt lo cicle que pòrta son nom, çò que constituís una de las descobèrtas mai importantas de l'istòria de la biologia del sègle XX. Aquò permetèt de descriure una part importanta del mecanismes catabolics e anabolics. Pasmens, foguèt pas l'unica descobèrta dins lo domeni. Aital, Otto Warburg (1883-1970) elucidèt los mecanismes de la respiracion cellulara e de la glicolisi(en) Hans Adolf Krebs, « Otto Heinrich Warburg. 1883-1970 », Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, vol. 18, 1972, pp. 629–699., Fritz Lipmann (1899-1986) identifiquèt lo ròtle de l'ATP dins los mecanismes d'estocatge e de transferiment d'energia al sen de l'organisme(en) F. Lipmann, « Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy », Adv. Enzymol., n° 1, 1941, pp. 99-162. e descobriguèt lo coenzim A, un element centrau del metabolisme dels lipids e dels glucids, e Peter Mitchell (1920-1992) prepausèt la teoria quimiosmotica, un modèl permetent de precisar lo foncionament de l'ATP(en) P. Mitchell, « Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism », Nature, vol. 191, n° 4784, 1963, pp. 144-148..
Las descobèrtas recentas
Dempuèi los ans 1990, la revolucion genomica a prigondament transformat l'estudi del metabolisme que lo sequenciatge dels genòmas d'un nombre creissent d'organismes permetèt d'identificar l'ensemble dels gèns codant d'enzims metabolics. Venguèt alara possible de bastir de representacions complètas de las rets metabolicas d'organismes entièrs. Apareguèt aital la metabolomica qu'es la disciplina de l'estudi de l'ensemble de las pichonas moleculas presentas dins una cellula, un teissut o un organisme a un moment donat. Aquel apròchi sistemic a revelat la complexitat extraordinària de las rets metabolicas e de lors interaccions amb los procediments genetics, epigenetics e environamenals.
Las basas bioquimicas del metabolisme
Las moleculas del vivent
Lo metabolisme opèra sus un nombre relativament limitat de quatre classas principalas de moleculas organicas que constituïsson las bricas elementàrias del vivent. En efièch, los glucids (monosacarids, disacarids, polisacarids...) constituïsson la principala font d'energia immediata per la màger part de las cellulasD'exemples de glucids importants son la glucòsa (un monosacarid), la sacaròsa (un disacarid), l'amidon e lo glicogèn (de polisacarids).. Los lipids son un ensemble de compausats que son una forma d'estocatge energetic de nauta densitatD'exemples de lipids importants son los acids grasses, los triglicerids, los fosfolipids e los esteroïds.. Son tanben de compausants essencials de las membranas cellularas e de precursors de moleculas regulatritz coma las ormònas esteroïdianas. Puèi, vènon las proteïnas, d'aminoacids polimerizats, que realizan de foncions extraordinàriament divèrsas : son susceptiblas de catalizar de reaccions quimicas, de participar a la fabricacion d'una estructura biologica, de transportar de susbstàncias, de regular l'activitat quimica d'un organ, de servir de receptors d'informacions, etc. Enfin, i a los acids nucleïcs (ADN e ARN) pòrtan e transmeton l'informacion genetica que dirigís la sintèsi de totas las proteïnas e donc l'ensemble del metabolisme.
Los enzims e lor ròtle catalitic
Los enzims son d'elements centrals del metabolisme(en) J. M. Berg, J. L. Tymoczko e L. Stryer, Biochemistry, 5 edicion, New York, W. H. Freeman, 2002.. Son de proteïnas que catalizan las reaccions quimicas del metabolisme. Valent a dire, qu'accelèran considerablament lor velocitat sens èsser elas meteissas consumidas pendent la reaccion(en) A. Cornish-Bowden, Fundamentals of Enzyme Kinetics, 4 edicion, Weinheim, Wiley-VCH, 2012.. Sens enzims, la màger part de las reaccions metabolicas serián fòrça tròp lentas per sostenir la vida dins de condicions de temperatura e de pH compatiblas amb los organismes vivents. Los enzims agisson en se ligant especificament a lors substrats al nivèl d'un sit actiu, formant un complèx enzim-substrat transitòri qu'abaissa l'energia d'activacion necessària a la reaccion. L'especificitat remarcabla dels enzims per lors substrats — sovent comparada a una relacion « clau-sarralha » — es a la basa de la precision e de la coordinacion de las vias metabolicas. Se compta de milièrs d'enzims diferents dins una cellula tipica, destinats a catalizar una o qualques reaccions especificas.
Los coenzims e los cofactors