Tout système qui consomme de la matière ou de l’énergie peut être compris comme un système qui transforme des ressources en d’autres formes de matière, d’énergie ou d’organisation. Dans le vivant, ces transformations reposent en grande partie sur des réactions chimiques et électrochimiques au sein des cellules. Les protons y occupent une place particulièrement importante.

La matière qui constitue notre organisme est composée d’atomes. Chaque élément chimique possède un nombre déterminé de protons dans son noyau. Un proton correspond à l’hydrogène, deux protons à l’hélium, six au carbone, huit à l’oxygène, etc. Le nombre de protons du noyau détermine donc l’identité de l’élément chimique.

Ces éléments peuvent ensuite s'associer de différentes manières pour former des molécules. Ainsi, la diversité de la matière biologique provient notamment de la diversité des éléments chimiques et de la manière dont leurs atomes sont associés et organisés.

Il faut cependant distinguer les protons présents dans les noyaux atomiques des ions hydrogène H⁺. Un ion H⁺ est, dans le cas de l'hydrogène ordinaire, essentiellement un proton auquel son électron a été retiré. Ces protons H⁺ interviennent dans de nombreux phénomènes chimiques et biologiques.

Cette distinction permet de comprendre deux fonctions différentes du proton.

Dans le noyau atomique, le nombre de protons définit l'élément chimique.

Sous forme H⁺, le proton peut participer à des réactions chimiques et à des gradients électrochimiques.

Lorsque nous mangeons, les aliments apportent à l'organisme à la fois de la matière et de l'énergie chimique. Les molécules nutritives sont décomposées, transformées et réorganisées par le métabolisme. Une partie de leurs constituants sert à construire ou renouveler les structures de l'organisme. Une autre partie fournit de l'énergie chimique utilisable par les cellules.

Dans les mitochondries, notamment lors de la respiration cellulaire, les nutriments participent à des réactions d'oxydoréduction. Les électrons provenant indirectement des molécules nutritives sont transférés au sein de la chaîne respiratoire. L'énergie libérée par ces transferts permet notamment de pomper des protons H⁺ à travers la membrane interne de la mitochondrie.

Il se forme alors une différence de concentration et de charge électrique entre les deux côtés de cette membrane. Cette différence constitue une force proton-motrice, c'est-à-dire un gradient électrochimique de protons.

Les protons ont alors tendance à revenir vers le compartiment où leur potentiel électrochimique est plus favorable. La cellule exploite ce mouvement grâce à une enzyme appelée ATP synthase. Le passage des protons à travers cette enzyme fournit l'énergie nécessaire pour produire de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique.

L'ATP n'est donc pas simplement « de l'énergie » au sens physique. C'est une molécule qui sert d'intermédiaire essentiel dans le transfert et l'utilisation de l'énergie chimique par la cellule. Elle permet notamment d'alimenter le travail musculaire, certains transports membranaires, la synthèse de molécules et de nombreuses réactions nécessaires au fonctionnement et au maintien de la cellule.

On peut ainsi représenter une partie essentielle de ce processus de la manière suivante :

matière nutritive → réactions chimiques → transfert d'électrons → gradient de protons → ATP → travail cellulaire

C'est ici que l'analogie avec une pile à combustible devient intéressante.

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'un combustible en énergie utilisable grâce à des réactions impliquant notamment des électrons et des ions. Dans certaines piles, les protons jouent directement le rôle d'ions transportés à travers l'électrolyte.

La mitochondrie n'est cependant pas littéralement une pile à combustible, et il serait incorrect d'affirmer que tout système qui consomme de l'énergie fonctionne nécessairement avec des protons. L'analogie doit donc rester une analogie.

Elle est néanmoins particulièrement pertinente pour comprendre la respiration cellulaire oxydative : dans les mitochondries, l'énergie chimique provenant des nutriments est convertie en un gradient électrochimique de protons, puis ce gradient est utilisé pour permettre la synthèse d'ATP.

Tous les mécanismes de production d'ATP ne fonctionnent toutefois pas de cette manière. Certaines réactions produisent directement de l'ATP par phosphorylation au niveau du substrat, sans utiliser directement un gradient de protons.

Le fonctionnement de l'organisme peut donc être compris comme un ensemble de transformations coordonnées entre matière et énergie.

Les aliments apportent des molécules contenant des atomes. Ces molécules peuvent être dégradées ou transformées. Les électrons qu'elles contiennent participent à des réactions d'oxydoréduction. Une partie de l'énergie libérée est convertie en formes utilisables par la cellule, notamment grâce à l'ATP. Une autre partie des constituants alimentaires est incorporée à de nouvelles molécules et à de nouvelles structures biologiques. Les produits qui ne peuvent plus être utilisés doivent finalement être transformés ou éliminés.

On peut ainsi résumer le fonctionnement général de l'organisme par :

matière + énergie chimique → transformations métaboliques → énergie utilisable + nouvelles structures + produits à éliminer

Cette organisation devient particulièrement importante lorsqu'un organisme doit assurer sa maintenance ou réparer des tissus endommagés.

Lorsqu'un tissu est agressé, les cellules doivent communiquer, coordonner leurs réponses, produire de nouvelles molécules, éliminer certains éléments endommagés et reconstruire des structures. Les exosomes participent notamment à la communication entre les cellules en transportant différentes molécules et informations biologiques.

Mais ces mécanismes de communication, de défense, de nettoyage et de réparation nécessitent eux-mêmes des ressources. Les cellules ont besoin de matière première pour fabriquer leurs molécules et de ressources énergétiques pour effectuer le travail nécessaire à ces processus.

La nourriture apporte donc deux catégories de ressources qui sont étroitement liées :

des matériaux permettant de construire et de renouveler les structures ;

des substrats permettant de produire de l'énergie utilisable.

Il ne faut cependant pas les considérer comme deux choses totalement séparées. Les mêmes molécules nutritives peuvent, selon les besoins de l'organisme, fournir des éléments de construction ou être métabolisées pour récupérer leur énergie chimique.

Le vivant apparaît ainsi comme un système dynamique qui ne se contente pas de « consommer ». Il transforme continuellement.

Il prélève de la matière et de l'énergie dans son environnement, les transforme par des réactions chimiques et électrochimiques, utilise une partie de ces ressources pour produire du travail, une autre pour construire et maintenir ses structures, puis élimine les produits qui ne peuvent plus être utilisés.

Dans cette organisation, les protons occupent donc une position particulière.

Au niveau atomique, le nombre de protons dans le noyau définit l'identité de l'élément chimique.

Au niveau électrochimique, les protons H⁺ peuvent participer à des gradients qui permettent de convertir une énergie chimique en énergie utilisable par la cellule.

Ces deux rôles sont différents, mais ils concernent la même particule fondamentale : le proton.

L'idée centrale peut donc être formulée ainsi :

Le vivant est un système organisé de conversion et de transformation de matière et d'énergie. Dans une grande partie de son métabolisme énergétique, les électrons issus des nutriments permettent d'établir des gradients de protons, lesquels sont ensuite exploités pour produire de l'ATP et réaliser un travail cellulaire.

La consommation n'est donc pas simplement une disparition ou une dépense. Elle correspond à une transformation organisée de ressources.

La matière consommée peut devenir de la nouvelle matière biologique, participer à des réactions permettant de récupérer de l'énergie, être transformée en produits intermédiaires ou finir sous forme de déchets. L'énergie chimique peut, elle aussi, être transformée en gradients électrochimiques, en ATP et finalement en travail biologique.

Ainsi, maintenir l'organisation du vivant, produire du mouvement, communiquer entre cellules, fabriquer de nouvelles molécules ou réparer des structures sont différentes manifestations d'un même principe général :

la transformation organisée de matière et d'énergie permet au système vivant de maintenir, modifier et reconstruire son organisation.