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Voyage à l’intérieur d’une cellule

La vie existe sur Terre depuis plus de 3,5 milliards d’années. Et depuis l’origine de la vie, nous retrouvons les mêmes membranes, les mêmes acides nucléiques (ADN et ARN) et les mêmes acides aminés. La vie n’a pas beaucoup changé. Sans doute parce qu’elle répond à des lois de physique immuables.

Au début de la vie, l’atmosphère était composée de gaz carbonique à près de 90%. L’oxygène était donc rare. À cette époque, les premières cellules ne comportent pas encore de noyau. Ces bactéries, telles qu’on les nomme vulgairement, sont des « procaryotes ». Les chromosomes y flottent sans contrainte dans la cellule (car il n’y a pas de noyau). Ces procaryotes, probablement des algues, vont capter le gaz carbonique omniprésent. Ils vont aussi synthétiser des molécules plus compliquées (comme le sucre) et ainsi réussir à libérer un peu d’énergie. Les algues savent déjà synthétiser, mais pas encore brûler. Et, comme chacun sait, pour que le feu dévore le bois dans la cheminée, il faut aussi de l’oxygène.

Il y a 2,5 milliards d’années, l’atmosphère a changé parce que les procaryotes ont commencé à rejeter de l’oxygène dans l’air. Sans en connaître l’explication précise, ces premiers êtres vivants pouvaient quasiment se passer d’oxygène jusqu’à ce qu’une évolution leur permette de réaliser la photosynthèse [processus permettant de synthétiser de la matière organique en utilisant la lumière du soleil], c’est-à-dire de fixer le gaz carbonique abondant dans l’atmosphère en rejetant l’oxygène, qui va alors s’accumuler dans l’atmosphère.

La mitochondrie, centrale énergétique des cellules

Les cellules vont capter de petites bactéries, les mitochondries, qui, elles, savent brûler et dégager de l’énergie. C’est ce qu’on appelle la symbiose en biologie, ou accord gagnant-gagnant en économie. La cellule va nourrir la mitochondrie qui, en contrepartie, lui fournira une partie de l’énergie dégagée par la combustion du glucose. Certes, la mitochondrie perd son indépendance, mais en échange elle profite d’un toit et de nourriture. Grâce à cette coopération, le rendement énergétique va être multiplié par plus de dix !

La cellule grossit et les chromosomes sont cantonnés dans le noyau. On nomme « eucaryotes » ces cellules composées d’un noyau et de mitochondries. Aussi surprenant que cela puisse paraître, les êtres humains sont eux aussi des eucaryotes, et à l’instar de « nos ancêtres » les premiers eucaryotes, nos cellules peuvent soit synthétiser soit brûler.

La cellule est un organe vivant capable de se reproduire de façon autonome. Si nous la prélevons et la plaçons dans un bon environnement, elle va pousser, capter la nourriture et survivre. Elle utilise des enzymes (des protéines) qui permettent de catalyser des milliers de réactions chimiques à l’intérieur de la cellule pour la maintenir en vie.

Les cellules vont se multiplier en se divisant. Pour qu’une cellule se divise, elle devra capter la nourriture afin de grossir. C’est un processus fondamental et nécessaire à la régénération des organismes vivants.

Les cellules captent le glucose (sucre), commencent à le digérer (il devient du pyruvate) dans le cytoplasme (le contenu de la cellule, situé entre sa membrane et le noyau) puis le brûlent au sein des mitochondries.

Figure 1 : La mitochondrie fabrique de l’énergie à partir de la combustion du glucose.

Pour réussir cette opération, les cellules ont besoin d’oxygène. On peut aussi comparer les mitochondries (les poumons des cellules) à une centrale assurant l’autonomie énergétique de la cellule. Quand tout fonctionne normalement, les nutriments sont dégradés (brûlés) et transformés en énergie. Ce carburant, une molécule baptisée ATP, doit être renouvelé en permanence pour fournir l’énergie nécessaire aux réactions chimiques (la transformation de la matière) du métabolisme. C’est-à-dire l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent au sein de l’organisme et lui permettent de respirer, de s’alimenter, de se développer, de se reproduire... bref, de se maintenir en vie. Si la mitochondrie fonctionne, la cellule brûle et ne se divise pas. Si la mitochondrie ne fonctionne pas, la cellule ne peut brûler. Les déchets vont s’accumuler et seront recyclés pour former les briques nécessaires à la division cellulaire. En clair, une cellule dont les mitochondries sont à l’arrêt est une cellule qui ne brûle pas. C’est une cellule qui va se diviser.

La division cellulaire est un processus rythmé selon un ordre inchangé depuis la nuit des temps. Après la mitose (ou division cellulaire), la cellule va grossir avant de synthétiser des protéines codées par les ARN. Ensuite, elle va reproduire son ADN, qui va se dupliquer en deux. Suit une phase plus longue au cours de laquelle la cellule va encore croître, mais plus lentement, avant de se diviser. Au début de ce cycle cellulaire, c’est-à-dire juste après la mitose, la cellule va devoir séparer, déplier ses chromosomes, puis les dénuder pour exprimer l’information.

Lors de la première partie du cycle cellulaire, il y a synthèse d’ARN [l’ARN (acide ribonucléique) est l’intermédiaire utilisé par les cellules pour la synthèse des protéines], de protéines puis d’ADN [l’ADN (acide désoxyribonucléique) contient toute l’information génétique (le génotype) permettant le développement et le fonctionnement de tous les organismes vivants]. La mitochondrie est au repos. La deuxième partie du cycle est plus calme. La synthèse diminue, la cellule respire, la mitochondrie brûle et rejette du gaz carbonique, qui acidifie la mitochondrie afin de fabriquer de l’énergie. Cette énergie va servir à charger le condensateur qu’est la cellule.

Les deux tiers de l’énergie produite servent à créer des gradients [ici on entend par gradient de concentration la variation progressive, à partir d’un point maximal, de la concentration d’une substance dans la cellule]. Le sodium sort de la cellule et s’accumule à l’extérieur. Pour le potassium c’est le contraire, il est capté par la cellule. Résultat, on note une concentration près de dix fois plus importante de sodium à l’extérieur qu’à l’intérieur. Pour le potassium, c’est exactement l’inverse. Ces transports ont un coût énergétique important: près des deux tiers de l’énergie servent à charger les batteries de ce condensateur cellulaire. Comme les Shadoks de mon enfance, la cellule passe son temps et son énergie à pomper !

Figure 2 : L’essentiel de l’énergie produite par les mitochondries est utilisé par la pompe Na+/K+

Le contrôle de la division cellulaire

Il existe plusieurs types de condensateurs. Les plus classiques sont enseignés au lycée, une anode et une cathode isolées et chargées. Notre cellule est un condensateur sphérique. Les charges sont contenues dans la membrane. Elles résultent de ces gradients, dont nous parlions juste au-dessus. Elles ne peuvent quitter la membrane qui est isolée électriquement par le visqueux cytoplasme. La différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane est du même ordre de grandeur que pour un câble à haute tension: l’extérieur est chargé négativement; l’intérieur positivement. C’est stable tant qu’il n’y a pas d’anode (charge négative). Les chromosomes vont se condenser et former l’anode. Avant de se diviser, la mitochondrie fonctionne à plein régime. Et le condensateur se charge. La différence de potentiel entre les deux faces de la membrane est maximale juste avant la division cellulaire. Tout ceci devient de plus en plus instable. La cellule oscille. La membrane déjà sous tension se tend de plus en plus et des ions, longtemps cantonnés à l’extérieur ou retenus à l’intérieur, vont s’échapper.

La division cellulaire est un gigantesque court-circuit… Les charges, longtemps confinées à la membrane, sont véhiculées jusqu’aux chromosomes, de même charge, qui vont alors se repousser l’un l’autre. C’est ainsi que la cellule souche explose en deux cellules filles (c’est ce qu’on appelle la mitose). Ce qui peut sembler d’une complexité sans fin n’est en réalité qu’un condensateur qui décharge. Nous rejoignons une nouvelle fois les sciences physiques: il suffit de comprendre que la machinerie cellulaire est orchestrée par une série d’oscillateurs couplés pour appréhender le fonctionnement des cellules.

Le merveilleux de la vie est là. La cellule n’explose pas mais se divise en deux grâce à ce ballet entre l’électrique et la mécanique.

Dans les cellules différenciées, les mitochondries jouent leur rôle de centrales énergétiques et tournent à plein régime. Les mitochondries rejettent de l’eau et du gaz carbonique, qui, ensemble, vont faire de l’acide carbonique. Le milieu intérieur de la cellule est suffisamment acide (avec un pH inférieur à 7,2) pour que l’hélice d’ADN ne puisse pas se déplier et encore moins se diviser en deux. La mitochondrie brûle sans faiblir, la cellule est maintenue dans l’acidité et l’ADN est au repos: cet état est l’inverse du cancer. Le lecteur l’aura compris, la grande différence entre une cellule cancéreuse et une cellule normale dépend du bon ou du mauvais fonctionnement de la mitochondrie.

Voici pour finir la démonstration du rôle clé de la mitochondrie : il existe plusieurs expériences montrant que lorsqu’on introduit des mitochondries dans des cellules qui prolifèrent, les cellules greffées cessent de synthétiser et se mettent à respirer. Elles brûlent. La division cellulaire s’arrête. Si seulement nous pouvions greffer des mitochondries aux cellules des malades...

Le rôle du sucre

Plusieurs expériences, en général anciennes, montrent qu’une réduction de l’apport calorique (en particulier en sucre) augmente la durée de vie des animaux. C’est vrai chez les souris, les rats, les singes et aussi chez les êtres humains. Une famine mortelle a frappé les Pays-Bas occupés à la fin de la Deuxième Guerre mondiale. Le nombre de cas de cancers chez les survivants a longtemps été moindre. De même, les personnes anorexiques, quand elles survivent à leur maladie, présentent elles aussi moins de risque de développer un cancer. Par ailleurs, on connaît un seul peuple au monde qui soit totalement épargné par le cancer. Il s’agit d’une population naine qui vit en Équateur (Amérique du Sud). Par un hasard génétique, ces Indiens de petite taille ne captent pas le sucre. Cette population ne souffre ni de diabète, ni de cancer, ni de maladie d’Alzheimer. Voilà un argument de poids en faveur de la piste métabolique !

Le cancer : une maladie métabolique

Nous verrons plus loin comment une seule anomalie, à savoir la diminution du rendement énergétique de la machine cellulaire, peut expliquer ces points cardinaux du cancer.

Qu’il s’agisse d’un cancer du poumon, du foie ou du cerveau, d’une tumeur maligne du vieillard ou de l’enfant, que le malade soit riche ou pauvre, qu’il ait été ou non exposé à des cancérigènes… dans tous les cas de figure, nous retrouvons les éléments suivants.

Les quatre points cardinaux du cancer

Tout d’abord, le cancer possède une forme particulière. Les médecins décrivent une forme «étoilée». Les physiciens préfèrent parler de figure «fractale» (une structure homothétique: invariante, quelle que soit l’échelle, l’étoile est la figure fractale par excellence…). La tumeur bénigne est ronde. Elle pousse de façon homogène du centre vers la périphérie. Elle n’envahit pas les tissus alentour. Le chirurgien la retire en passant son doigt entre la tumeur et les tissus sains. Tout autre est la tumeur maligne (le cancer). Elle envahit les tissus qui la jouxtent. Des cellules cancéreuses se faufilent ainsi dans les zones de plus grande fragilité, évitent l’os et fusent dans les tissus mous. Ce sont ces dendrites que recherche le radiologue ou l’anatomopathologiste pour affirmer le caractère malin de la lésion. Ce sont aussi ces prolongements noirs et «infiltrants» que cherche le dermatologue pour débusquer le mélanome malin.

Autre particularité invariable: le cancer est dur. Lorsque le médecin procède à un examen pour essayer de détecter la nature d’une masse, c’est d’abord sa consistance qu’il va étudier. La glande est molle au toucher alors que le cancer est dur. À tel point que, dans le jargon de l’étudiant en médecine, on dit que le cancer est «dur comme la pierre».

Autre point invariable: la cellule cancéreuse est basique (c’est-à-dire alcaline). Lorsque l’anatomopathologiste reçoit la pièce d’exérèse chirurgicale (un prélèvement par biopsie par exemple), il va la couper en fines lamelles, la teindre avec un colorant puis l’analyser au microscope. Conçus dès le XIXe siècle, ces colorants acides ont la particularité de permettre au médecin de visualiser des zones basiques (les cellules cancéreuses sont colorées par des pigments acides justement parce qu’elles sont basiques). En effet, le cancer est basique. Voilà encore une constante trop souvent ignorée! Le milieu dans lequel baigne la cellule est lui, au contraire, acide, car le cancer sécrète de l’acide lactique. J’y reviendrai en détail plus loin.

Enfin, comme on l’a vu précédemment, le cancer se nourrit de sucre. Fort de ce constat, quand le cancérologue veut vérifier la nature cancéreuse de la tumeur ou suivre l’efficacité de son traitement, il injecte du glucose (sucre) radioactif. À ce sucre est donc ajouté un atome de fluor radioactif fabriqué dans un cyclotron (un accélérateur de particules). Comme le sucre et le fluor ne peuvent se séparer, le médecin pourra aisément suivre le chemin qu’emprunte le sucre dans l’organisme. Le sucre (pour être plus précis il s’agit du désoxyglucose), ainsi marqué au fluor 18 sera rapidement capté par les cellules cancéreuses qui en sont particulièrement friandes. Par rapport au tissu sain, le tissu cancéreux ingère dix fois plus du glucose: c’est là toute la clé du mystère. J’y reviendrai également.

Au risque de me répéter, j’insiste sur le fait que ces quatre caractéristiques sont aussi les 4 points cardinaux de la boussole du cancérologue. Ils sont présents dans toutes les tumeurs quelles que soient l’origine et la cause de la maladie. Par ailleurs, plus le cancer est «malin», plus sa forme sera fractale. C’est aussi l’un des paramètres de l’évaluation du grade histopathologique, l’outil de mesure de la progression de la tumeur.

En résumé: plus il est dur, alcalin et plus il capte le sucre, plus le cancer est agressif.

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