UE 1 Bioénergétique 12/11/18 BIOÉNERGÉTIQUE Partie I A) Métabolisme et bioénergétique Le métabolisme est l’ensemble des transformations chimiques qui ont lieu dans un système biologique (une cellule ou un organisme) et qui assurent l’apport et l’utilisation de l’énergie libre pour assurer ses fonctions variées. Le métabolisme est divisé en 2 phases principales : le catabolisme et l’anabolisme. → Le catabolisme est la dégradation enzymatique des nutriments riches en énergie (hydrates de carbone, gras, protéines) en une série de molécules plus simples pauvres en énergie comme l’eau et le dioxyde de carbone. Le catabolisme s’accompagne d’une libération de l’énergie libre qui en grande partie est conservée par la réduction des transporteurs d’électrons (NADH, FADH, NADPH) et la production d’ATP. → Dans l’anabolisme ou biosynthèse, les précurseurs simples sont utilisés pour produire les macromolécules plus complexes notamment les protéines, les polysaccharides, les lipides et les acides nucléiques. Les réactions anaboliques utilisent l’énergie chimique produite par le catabolisme au travers de la dégradation de l’ATP et l’oxydation des transporteurs d’électrons. L’ATP fonctionne de manière cyclique comme transporteur de l’énergie chimique à partir de réactions de dégradation vers les réactions anaboliques ainsi que d’autres processus cellulaires variés qui requièrent de l’énergie. La bioénergétique étudie les transformations de l’énergie libre qui ont lieu dans un système biologique, une cellule ou un organite. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 B) L’ATP Page 77 poly L’ATP est un nucléotide formé d’un nucléoside et d’une unité triphosphate. Le nucléoside est l’adénosine qui est formée d’un résidu de ribose et d’un résidu d’adénine. → Lorsque 3 groupements phosphate sont liés à cette adénosine, la molécule s’appelle adénosine triphosphate ou ATP. → Lorsque l’on a 2 groupements phosphates on a une Adénosine diphosphate ou ADP. → S’il y’a qu’un seul groupement phosphate on parle d’adénosine mono phosphate ou AMP. Les 3 phosphates de l’ATP sont appelés , et à partir de l’adénosine. L’ATP contient : - deux liaisons anhydrides acide phosphorique ou liaisons anhydrides phosphoriques entre les phosphates et et les phosphates et . - Et une liaison phosphoester entre le phosphate et le groupement ribose. L’énergie de liaison est plus forte dans le cas des liaison anhydrides phosphoriques car il existe des répulsions fortes entre les charges négatives des groupements phosphates contigües. Ces répulsions n’existent pas dans le cas de liaison phosphoester. C) Rappel : les deux principes de thermodynamique Pour contrôler le rôle de l’ATP dans le cycle énergétique de la cellule il est nécessaire de rappeler brièvement les lois de thermodynamique. → La première loi de la thermodynamique est le principe de la conservation de l’énergie : dans un processus donné, l’énergie totale du système et du milieu extérieur demeure constante. Bien que l’énergie ne soit ni crée ni détruite au cours des processus chimiques, elle subit cependant des transformations d’une forme en une autre, telles que chaleur, énergie mécanique, énergie chimique etc… → La seconde loi de la thermodynamique précise que tous les processus tendent à évoluer dans le sens où l’entropie (le grade de désordre) du système et du milieu extérieur augmente. Et pour prévoir la direction de l’équilibre des réactions chimiques, un critère a été établi : la variation d’énergie libre. La variation d’énergie libre standard d’un système en réaction et l’entropie dans des conditions standards de température et de pression est résumée dans l’équation suivante : G = H - TS UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La variation d’enthalpie est : → positive dans les réactions endothermiques qui absorbent de la chaleur → négative dans les réactions exothermiques qui libèrent de la chaleur. La variation d’énergie libre standard G0’ peut être définie comme la fraction de la variation totale d’énergie qui est disponible pour fournir un travail, lorsque le système évolue vers l’équilibre dans des conditions standard de température et de pression, tous les réactifs et produits étant à concentration 1M et à pH 7.0. → Les réactions chimiques qui s’accompagnent d’une variation d’énergie libre standard négative sont exergoniques. Ce sont des réactions qui évoluent spontanément. → Les réactions chimiques qui s’accompagnent d’une variation d’énergie libre standard positives sont endergoniques. Elles ne peuvent pas avoir lieu dans le sens de l’équation chimique. Dans les cellules, l’ATP est continuellement hydrolysé en ADP ou AMP et ces réactions libèrent une grande quantité d’énergie. La variation d’énergie libre standard de l’hydrolyse de l’ATP est de -31 kJ/mol soit -7,3 kcal/mol. Elle est équivalente pour l’hydrolyse de la liaison - et -. Par contre G0 de l’hydrolyse ribose- est beaucoup plus faible : G0’ = -14kj/mol Pourquoi la variation d’énergie libre standard de l’ATP est négative ? → La rupture de la liaison anhydride acide phosphorique diminue en partie les répulsions électrostatiques dans l’ATP. Le Pi libéré HPO42- est stabilisé par formation de plusieurs formes résonnantes dans lesquelles chaque liaison PO a le même degré de caractère de double liaison et dans lesquelles l’ion hydrogène n’est pas en permanence associé avec un UE 1 Bioénergétique 12/11/18 atome d’oxygène donné. L’ADP 2-, l’autre produit de la réaction s’ionise immédiatement en libérant un proton dans un milieu où la concentration en H+ est très faible (10^-7 M). En fait, dans la cellule, les conditions sont telles que les variations d’énergie libre sont modifiées. 3 paramètres interviennent : - Le cation métallique Magnésium Mg2+ présent dans le cytosol se lie à l’ATP et à l’ADP. Il se complexe avec une forte affinité aux groupes chargés négativement au niveau des liaisons - et -. - Le pH qui modifie les interactions phosphate-phosphate - Les concentrations relatives d’ATP, d’ADP et de Pi qui ne sont pas identiques et sont beaucoup plus faibles que les concentrations standard (1M). On peut estimer que dans les conditions cellulaires, la variation d’énergie libre de l’hydrolyse de la liaison - est d’environ -52kj/mol soit – 12Kcal/mol. Elle est donc plus négative que la variation d’énergie libre standard qui est de -31 kj/mol. L’hydrolyse de l’ATP est donc une réaction très exergonique c’est-àdire qu’elle libère beaucoup d’énergie. Cependant cette réaction ne se produira que lorsqu’elle est catalysée par des enzymes car l’énergie d’activation de l’hydrolyse de l’ATP est assez élevée. L’énergie libre libérée par l’hydrolyse de l’ATP est utilisable dans de nombreux processus endergoniques comme par exemple : - La contraction musculaire (travail mécanique) - Le transport actif des ions minéraux ou des nutriments cellulaires à travers la membrane contre un gradient osmotique (travail osmotique) → Contraction musculaire (travail mécanique) Dans le système contractile des cellules du muscle squelettique, la myosine et l’actine utilisent l’énergie chimique de l’ATP pour produire le mouvement. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La myosine est liée à l’actine à l’état rigide, ensuite l’ATP se fixe de façon covalente à la région de la tête de myosine en changeant la conformation de la protéine. La myosine se détache de l’actine, c’est une ATPase, elle catalyse donc l’hydrolyse de l’ATP fixé. L’ADP et le phosphate inorganique formé reste liée à la myosine qui pivote sa tête et se lie à une nouvelle molécule d’actine. La libération de Pi permet à la myosine de pivoter poussant avec elle le filament d’actine. À la fin la tête de la myosine libère l’ADP et revient à l’état de départ. Le changement de conformation de nombreuses molécules de myosine va permettre le glissement des fibres de myosine sous les filaments d’actine ce qui se traduit par la contraction de la fibre musculaire donc cette contraction a été rendue possible par l’énergie produite par l’hydrolyse de l’ATP. → Transport actif des ions minéraux ou des nutriments cellulaires à travers la membrane contre un gradient osmotique (travail osmotique) Le transport de molécules chargées contre leur gradient électrochimique nécessite de l’énergie. Dans les tissus comme le cerveau ou le rein 2/3 de l’énergie consommée au repos sont utilisés ou pompés le sodium Na+ et le potassium K+ à travers les membranes plasmiques. Ceci se fait grâce à la Na+/K+ ATPase ou pompe sodium/potassium. Chaque cycle de transport conduit à la conversion d’ATP en ADP et Pi dans les cellules animales, l’hydrolyse d’une molécule d’ATP est accompagnée par la sortie de 3 ions Na+ et l’entrée de 2 ions K+. → L’ATP a aussi un rôle comme transporteur d’énergie dans les principales voies de biosynthèse des macromolécules cellulaires ou l’ATP peut céder son groupe phosphate UE 1 Bioénergétique 12/11/18 terminal à une grande variété de molécules accepteurs dans des réactions qui sont catalysées par des enzymes spécifiques. En fait une réaction endergonique peut avoir lieu lorsqu’elle est couplée à une réaction fortement exergonique par un intermédiaire. Ainsi la synthèse de glucose triphosphate est la première étape de l’utilisation du glucose. Voici la réaction : Dans les conditions standard, cette réaction ne peut pas avoir lieur car la variation d’énergie libre standard est égale à 14 kJ/mol. Cette réaction est couplée à l’hydrolyse de l’ATP qui a en commun les intermédiaires phosphate inorganique et H2O. La variation d’énergie libre standard est obtenue en additionnant les G0’ des réactions individuelles : G0’ = 14 + (-31) = - 17 kj/mol La réaction globale est donc exergonique. L’énergie de liaison de l’ATP est utilisée pour permettre la synthèse de glucose-6-phosphate. Page 76 poly Dans la voie utilisée pour former le glucose-6-phosphate comme dans d’autres nombreuses voies de biosynthèse, la décomposition de l’ATP peut ne pas faire intervenir une molécule d’eau. Il ne s’agit pas alors d’une réaction d’hydrolyse. Il y a transfert de phosphate sans formation de Pi intermédiaire. C’est une réaction de phosphorylation. Ces réactions sont catalysées par des enzymes appelées phospho-transférases ou kinases. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 → Dans de nombreux cas l’ATP participe aux réactions en 2 étapes où il y a transfert de groupement phosphate. La réaction peut être présentée en une seule étape : Il s’agit en fait d’une réaction en 2 étapes catalysée par la glutamine synthétase ATPdépendante. Ces réactions en 2 étapes impliquent d’abord une partie de la molécule d’ATP en groupement phosphate et transféré sur une molécule de substrat, (c’est le cas pour cette réaction) ou sur un résidu acide aminé de l’enzyme et fixé par une liaison covalente. Ceci augmente le contenu en énergie libre du substrat ou de l’enzyme. Dans le sens 2 du schéma la partie contenant le phosphate est déplacée en générant le phosphate inorganique. L’ATP participe à la réaction en fournissant l’énergie libre. Dans certaines réactions consommant de l’ATP les 2 groupes phosphates terminaux sont arrachés ensemble sous forme pyrophosphate en laissant comme produit de l’AMP. Donc il s’agit d’une réaction différente qui correspond à l’hydrolyse de la liaison anhydride phosphorique - de l’ATP. La variation d’énergie libre est équivalente à l’hydrolyse de la liaison -. Le produit de la réaction (pyrophosphate) est aussi hydrolysée par une enzyme ubiquitaire : la pyrophosphatase. La variation d’énergie libre de cette réaction exergonique est égale à -31 kj/mol aussi. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La résultante de ces 2 dernières réactions au cours desquelles les 2 liaisons anhydrides phosphoriques de l’ATP sont rompues correspond donc à une variation de l’énergie libre standard de -62 kJ/mol. L’association de ces 2 réactions renforce le caractère très exergonique de l’hydrolyse - de l’ATP. Cette réaction rend possible par couplage des réactions fortement endergoniques. Il faut mentionner aussi que l’AMP formé dans la cellule peut être introduit dans le cycle de l’ATP grâce à l’adénylate kinase qui catalyse la réaction : ATP + AMP → ADP + ADP L’ADP formé peut être phosphorylé pour former de l’ATP dans la phosphorylation oxydative. → Autres composés phosphorylés ayant des énergies libres d’hydrolyse importantes C’est le cas du phosphoénol pyruvate qui contient une liaison ester-phosphate et dont l’hydrolyse conduit à la formation de pyruvate. Ce produit de l’hydrolyse peut exister sous 2 formes tautomères ce qui le rend plus stable que le PEP qui existe sous une seule forme (énol). → C’est la raison majeure pour laquelle la variation d’énergie libre standard est exergonique. La créatine phosphate sert de réserve énergétique en particulier dans les muscles et le cerveau des vertébrés. La liaison phosphate azote peut être hydrolysée pour produire de la créatine et du Pi. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La créatine est stabilisée par résonnance ce qui induit une variation d’énergie libre standard importante = -43 kj/mol. Page 78 poly Dans cette liste on peut remarquer que les composés phosphorylés peuvent être divisés en deux groupes en fonction de leur énergie libre standard d’hydrolyse : - Les composés dits riches en énergie ont un G plus négatif que -25kj/mol soit environ 6kcal/mol Les composés dit pauvres en énergie ont un G moins négatif. D’après cette définition l’ATP est un composé riche en énergie tandis que le glucose-6phosphate est un composé pauvre en énergie. ⚠️ Remarquez que le terme « liaison riche en énergie » est trompeur : la liaison elle-même ne contient pas d’énergie, c’est sa rupture qui nécessite un apport d’énergie. L’énergie libérée par l’hydrolyse de cette liaison résulte du fait que les produits de cette réaction ont un contenu en énergie libre plus faible que les réactifs. On peut remarquer aussi que l’ATP n’est pas le composé avec la plus haute variation d’énergie libre standard d’hydrolyse, l’ATP présente une variation d’énergie libre standard d’hydrolyse moyenne. Ceci permet d’assurer sa synthèse en l’accouplant à la dégradation d’énergie libre d’un autre composé phosphorylé ayant une énergie de l’hydrolyse plus négative. C’est le cas dans l’exemple de la créatine phosphate. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La créatine phosphate sert de donneur de son groupe phosphate à l’ADP dans une réaction catalysée par la créatine kinase pour produire l’ATP. La variation d’énergie libre standard de cette réaction globale est obtenue en addition les G0’ des réactions individuelles. Le G final est de – 3 kcal/mol. La réaction globale est donc exergonique. → Dans les cellules, les adénines nucléotides ont des concentrations globales de 10^-5 à 10^-3 mol/L. D’un type cellulaire à l’autre les concentrations varient. Les différentes formes sont en équilibre les unes avec les autres. Lorsque le fonctionnement des voies de synthèse est plus important que le fonctionnement des voies de dégradation dans une cellule, on observe une diminution de la concentration en ATP et une augmentation des concentrations en ADP et AMP et inversement. Le rapport ATP/ADP est un signal chimique qui régule l’activité de plusieurs enzymes impliquées dans le métabolisme en fonction de l’état énergétique de la cellule. Une diminution de la concentration en ATP induit une accélération des voies de la respiration génératrice d’ATP qui évolue à une vitesse supérieure pour contrebalancer la déphosphorylation de l’ATP et rétablir l’équilibre. UE 1 Bioénergétique 12/11/18 Comment cette régulation est possible ? → L’ATP, l’ADP et l’AMP sont des effecteurs allostériques des enzymes des voies énergétiques, stimulateurs ou inhibiteurs Exemple : En plus de ces sites de liaison pour ces deux substrats, le fructose-6-phosphate et l’ATP, cette enzyme possède des sites régulateurs où des activateurs ou des inhibiteurs allostériques peuvent se fixer. Ainsi l’ATP est un inhibiteur allostérique qui baisse l’activité de l’enzyme pour le frucotse-6phosphate. L’ADP et aussi l’AMP a un effet inverse. On obtient donc une plus forte activité quand l’ADP est formé et d’une plus faible quand l’ATP s’accumule. D) La respiration cellulaire et ces 3 étapes Les cellules contiennent leur énergie sous forme de molécules d’ATP en oxydant le glucose en eau et en dioxyde de carbone dans des conditions aérobies c’est-à-dire en présence d’oxygène. Ce processus cellulaire impliqué dans la consommation d’oxygène et dans la formation de CO2 est appelé la respiration cellulaire. La respiration cellulaire se traduit par l’équation RedOx suivante : UE 1 Bioénergétique 12/11/18 La variation d’énergie libre standard associée à l’oxydation complète d’une molécule de glucose est de -2823 kj/mol. La respiration cellulaire ainsi que tout le métabolisme en général est une succession de réactions enzymatiques qui produisent des produits spécifiques. Elle a 3 caractéristiques essentielles : - Elle est irréversible, ce qui fait que si deux métabolites sont inters convertibles, la voie de synthèse du premier au deuxième doit être différente de celle du deuxième au premier - Elle est régulée - Chez les eucaryotes, elle est organisée en étapes qui ont lieu dans des compartiments subcellulaires spécifiques Poly page 78 La respiration cellulaire est divisée en 3 grandes étapes : 1) Le glucose et des AG sont oxydés pour former le groupement acétyl de l’acétyl coA. Cette étape a lieu dans le cytosol. 2) Les résidus acétylés sont oxydés par voie enzymatique en CO2 dans le cycle de l’acide citrique. L’énergie libérée par ces oxydations est conservée dans des transporteurs d’électrons sous leur forme réduite. Cette étape a lieu dans la matrice mitochondriale. 3) Ces transporteurs réduits sont eux-mêmes oxydés pour produire des protons et des électrons ; Ces électrons sont transportés le long d’une chaîne de transporteurs d’électrons appelée chaine respiratoire vers l’oxygène qui est réduit en eau. L’énergie libérée au cours de ce transfert d’électrons est conservée sous forme d’ATP par un mécanisme appelé phosphorylation oxydative. Cette étape a lieu sur la membrane interne des mitochondries. Fin du cours du 12 novembre 2018
