MÉTABOLISME, notion de

Le métabolisme comme clé du vivant

L'unité du monde vivant, due à une origine évolutive commune, est clairement perceptible au niveau du métabolisme. Des bactéries à l'homme, en passant par les algues et les plantes, de grandes fonctions métaboliques sont similaires. Par exemple, les glucides provenant de l'alimentation ou de la photosynthèse sont transformés en pyruvate par la glycolyse, voie comportant dix étapes que l'on retrouve chez presque tous les êtres vivants. La photosynthèse, la fermentation, la respiration sont également de grandes fonctions apparues très tôt dans l'évolution. Par ailleurs, pour répondre à toutes sortes de contraintes de leur environnement, de très nombreuses espèces synthétisent des métabolites secondaires, par des voies métaboliques spécifiques. Collectivement, on estime à près de 170 000 le nombre de telles substances naturelles (essentiellement isolées à partir des algues, des plantes et des champignons), et leur inventaire est loin d'être achevé, en particulier chez les espèces marines. Cette biodiversité métabolique est exploitée par l'homme à des fins alimentaires, pharmacologiques, cosmétiques, énergétiques ou autres finalités industrielles.

Comment orchestrer des centaines de réactions se déroulant simultanément pour les ajuster aux besoins de la cellule ? En jouant sur la concentration et /ou l'activité des enzymes. On parle de répression lorsque le produit terminal d'une voie métabolique ralentit ou supprime la synthèse d'une ou plusieurs enzymes de la voie. Dans la rétro-inhibition, l'accumulation d'un produit agit directement ou indirectement pour diminuer l'activité d'une enzyme. L'activité d'une enzyme peut aussi être modulée par des modifications de sa structure, induites par des facteurs externes ou internes agissant au travers de chaînes de transduction de signaux, dans lesquelles les hormones jouent un grand rôle. Au-delà de ces processus, le métabolisme manifeste en général une forte homéostasie, ou capacité de stabiliser les variables physiologiques. Cela est dû au fait que, lorsque l'activité ou la concentration d'une enzyme d'une voie augmente, le flux à travers cette voie n'augmente pas proportionnellement, et atteint un plateau. Ce plateau explique par exemple que le polymorphisme naturel des gènes qui codent ou contrôlent les enzymes ait rarement des effets détectables. De même, la surexpression, par génie génétique, d'un gène codant pour une enzyme n'a souvent aucune conséquence mesurable sur la vitesse de la voie où intervient cette enzyme.

Les recherches actuelles sur le métabolisme profitent largement des techniques de génétique moléculaire, qui permettent d'en analyser les voies de régulation. De plus, elles peuvent s'appuyer sur de nouveaux outils et concepts, notamment dans le contexte de la génomique. Il est aujourd'hui possible d'identifier et de quantifier simultanément la majorité des métabolites présents dans une cellule (le métabolome), et donc d'étudier leurs variations en fonction des conditions expérimentales. La même chose peut être faite pour les enzymes (mais plus difficilement), et des méthodes ont été mises au point pour mesurer in vivo les vitesses des réactions métaboliques. Ces informations facilitent la description dynamique des réseaux métaboliques, dans laquelle la simulation informatique occupe désormais une place centrale.