les constituants de la chaine respiratoire

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Bioénergétique
Introduction :
La bioénergétique ou thermodynamique biochimique est l’étude des variations d’énergie
associées aux réactions biochimiques. Elle fournit les principes fondamentaux expliquant
pourquoi certaines réactions peuvent se produire alors que d’autres pas. Les systèmes non
biologiques peuvent utiliser l’énergie calorifique pour effectuer un travail, mais les systèmes
biologiques sont essentiellement isothermes et utilisent l’énergie chimique pour faire
fonctionner les processus vitaux.
Energie libre
Dans un système, la variation de l’énergie libre selon Gibbs (ΔG) est la portion de la variation
de l’énergie totale disponible pour accomplir le travail, elle correspond à l’énergie utile
connue dans les systèmes chimiques comme étant le potentiel chimique.
Les systèmes biologiques sont conformes aux lois générales de la thermodynamique
Le premier principe de la thermodynamique établit que l’énergie totale d’un système et de son milieu
environnant demeure constante.
C’est aussi la loi de la conservation de l’énergie. Dans un système total, l’énergie n’est ni perdue ni
gagnée durant une transformation. Dans ce système total, l’énergie pourrait être transférée d’une
partie à une autre ou transformée en une autre forme d’énergie.
Exemple : chez les organismes vivants, l’énergie chimique peut être transformée en chaleur, en
énergie électrique, en énergie radiante ou en énergie mécanique.
Soit une réaction chimique :
A +
B
C + D
(réaction 1).
Les molécules A, B ,C et D ont une énergie libre ( énergie de vibration ,rotation et translation de la
molécule , énergie des liaisons interatomiques ) . l’énergie libre est appelée GA , GB , GC et GD.
La différence d’énergie libre entre C et D (état final) d’une part et A et B (état initial) d’autre part est
appelée variation d’énergie libre ΔG :
ΔG = (GC
+ GD)-(GA + GB)
(état final – état initial)
ΔG est exprimé en kilojoules/ mole (KJ.mol-1) , ou anciennement en Kilocalories/mole. (Kcal.mol-1).
Le second principe de la thermodynamique stipule que l’entropie totale d’un système doit augmenter
si un processus s’effectue spontanément.
1
L’entropie représente le niveau de désordre ou de chaos d’un système et devient maximum dans un
système qui s’approche de l’équilibre vrai.
Dans des conditions de température et de pression constantes, la relation entre la variation d’énergie
libre (ΔG) d’un système en réaction et la variation de l’entropie (ΔS) est donnée par l’équation
suivante qui combine les deux lois de la thermodynamique (équation de Gibbs) :
ΔG = ΔH- TΔS
Où ΔH est la variation de l’enthalpie (chaleur), et T la température absolue.
Dans les conditions des réactions biochimiques, ΔH est à peu près égal à ΔE (la variation totale de
l’énergie interne de la réaction).
La relation citée peut s’exprimer de la façon suivante :
ΔG = ΔE –TΔS
Si ΔG est négatif, la réaction procède spontanément avec perte d’énergie libre, c'est-à-dire qu’elle est
exergonique.
Si ΔG est élevé, la réaction se fait pratiquement jusqu’à la fin et elle est essentiellement irréversible.
Si ΔG est positif, la réaction ne se produit que s’il y a gain d’énergie libre, elle est dite réaction
endergonique.
Si ΔG est élevé, le système est stable et la réaction n’a pas tendance à se produire.
Si ΔG est égal à 0, le système est à l’équilibre et aucune variation nette ne se produit.
La variation standard de l’énergie libre
Quand les réactifs sont présents à des concentrations de 1.0 mol/l, ΔG0 représente la
variation standard de l’énergie libre.
Pour les réactions biochimiques, l’état standard est défini comme ayant un pH de 7.0.
La variation standard de l’énergie libre dans ces conditions est appelée ΔG0’.
La variation standard de l’énergie libre peut être calculée à partir de la constante d’équilibre
K’eq.
ΔG0’ = -2.303 RTlog K’eq
Où R est la constante des gaz parfaits, T la température absolue.
K’ eq rapport des constantes de vitesse, c’est la constante d’équilibre d’une réaction, dans la
réaction1 K’eq = (C )eq ( D )eq /(A )eq
(B)eq
Remarque : la véritable ΔG pourrait être plus grande ou plus petite que ΔG0’ selon les
concentrations des divers réactifs, solvant, ions et les protéines.
2
Dans les conditions réelles de la vie cellulaire, la température est proche de 37°C, les
concentrations initiales des produits et réactifs sont très inferieures à 1M .On démontre que :
ΔG = ΔG0’ + RTln (C) (D) /(A) (B),
où (C) (D) (A) (B) sont les concentrations initiales des réactants. ΔG n’est donc pas une
constante.
5 conséquences pratiques sont tirées à partir de la loi démontrée (citée plus haut) pour le
calcul de ΔG :
- au fur est à mesure que la réaction A +B
C+D évolue, RTln (C) (D) /(A) (B)
augmente, la valeur absolue de ΔG s’annule lorsque l’équilibre est atteint.
ΔG0’ = -RTlnKeq. La constante d’équilibre d’une réaction permet de calculer sa variation
d’énergie libre standard ΔG0’.
Plus la valeur d’une ΔG0’négative est grande, plus l’équilibre s’établit loin du côté des
produits, plus la réaction est complète dans les conditions standard.
Exemple : soit la réaction : ATP +H2O
de l’ATP est de -30.5 KJ.mol-1.
ADP +Pi
ΔG0’ de la réaction d’hydrolyse
- connaissant la ΔG0’et les concentrations initiales des réactifs et produits dans des conditions
cellulaires données, on peut calculer ΔG :
ΔG = ΔG0’ +RTln( C) ( D )/( A) ( B )
Exemple la ΔG de la réaction d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule est de ; -50KJ/mol
La réaction d’hydrolyse de l’ATP est donc plus exergonique dans les conditions cellulaires
que dans les conditions standard.
- une réaction dont la ΔG0’ est positive (donc impossible dans les conditions standard) peut
avoir lieu pour certaines concentrations des réactants, quand ( C) ( D ) /( A) ( B) est inférieur
à 1 , la ΔG est négatif et la réaction est possible.
Exemple, la réaction d’oxydation du lactate en pyruvate, a une ΔG0’de 27 KJ/ml.
Lactate + NAD+
pyruvate + NADH,H+
-une réaction est d’autant plus réversible, donc peut fonctionner dans un sens ou dans l’autre
(par une modification des concentrations des réactants) que sa ΔG0’ est plus proche de zéro.
-une réaction endergonique ( ΔG0’ positive) est possible si elle est couplée à une réaction
exergonique ( ΔG0’ négative).
Exemple, la réaction : glucose +phosphate
de +13.8KJ/mol.
3
glucose-6-phosphate a une ΔG0’
La réaction est thermodynamiquement défavorable dans les conditions standard .pour qu’elle
puisse se produire de l’énergie est fournie par couplage à une autre réaction qui elle est
exergonique, c’est la réaction d’hydrolyse de l’ATP en ADP et Pi dont la ΔG0’ = -30.5KJ/mol.
La réaction global est exergonique, sa ΔG0’ = -16.7KJ/mol.
L’enzyme qui catalyse la double réaction est hexokinase, glucokinase.
Remarque : dans un système de réactions biochimiques, une enzyme ne fait que rendre
l’équilibre plus rapidement accessible.
Energie libre d’activation ΔG#
La vitesse d’une réaction dépend de l’énergie libre d’activation ΔG# qui est différente de ΔG
(ΔG ne donne aucune information sur la vitesse de réaction, elle informe dans quel sens a lieu
spontanément une réaction, combien de travail elle fournit).
Soit la réaction : A +B
C + D
L’état initial A + B à haute énergie libre, est séparé de l’état final C +D à basse énergie
libre, par un état de transition d’énergie libre supérieure à celle de l’état initial, la différence
d’énergie libre entre l’état initial et l’état de transition est l’énergie libre d’activation ΔG#.
La vitesse de la réaction est inversement proportionnelle à ΔG#.
Dans la cellule ce sont les enzymes qui accélèrent la réaction, ils abaissent l’énergie libre
d’activation .
Les réactions endergoniques procèdent par couplage à des réactions exergoniques
Les réactions de synthèse, la contraction musculaire, la conduction de l’influx nerveux et le
transport actif, obtiennent l’énergie par liaison chimique ou couplage aux réactions
d’oxydation.
A + C
B + D + chaleur
La conversion du métabolite A en métabolite B s’effectue avec une libération d’énergie libre.
Cette conversion est couplée à une autre réaction, dans laquelle l’énergie libre est requise pour
transformer le métabolite C en métabolite D. Etant donné qu’une partie de l’énergie libérée
dans la réaction de dégradation est transférée à la réaction de synthèse sous une autre forme
que la chaleur, on dit : un processus exergonique et endergonique.
En pratique, un processus endergonique ne peut exister indépendamment, mais doit faire
partie d’un système couplé exergonique-endergonique.
Les réactions exergoniques sont groupées sous le terme de catabolisme (dégradation et
oxydation des molécules combustibles), et les réactions de synthèse des molécules, sous le
terme d’anabolisme.
4
Un mécanisme possible de couplage pourrait être envisagé si un intermédiaire obligatoire
commun participait aux deux réactions :
A + C
I
B + C
Il faut noter que ce type de couplage possède un mécanisme intrinsèque de contrôle
biologique (contrôle respiratoire), qui empêche un organisme de bruler de façon incontrôlée.
Une extension de ce concept de couplage est fourni par les réactions de déshydrogénation qui
sont couplées à des hydrogénations par un transporteur intermédiaire.
Une autre alternative de couplage d’une réaction exergonique à une réaction endergonique,
passe par la synthèse d’une molécule d’énergie potentielle élevée dans la réaction
exergonique et l’incorporation de cette substance nouvelle dans la réaction endergonique
(transfert d’énergie libre).
Dans la cellule, le principal intermédiaire ou transporteur hautement énergétique appelé ~ €
est l’adénosine triphosphate (ATP).
Résumé
Les activités des organismes vivants exigent de l’énergie. Les mouvements, la croissance, la
synthèse des biomolécules et le transport des ions à travers la membrane demandent un apport
énergétique. Tous les organismes doivent obtenir de leur environnement l’énergie dont ils ont
besoin. L’étude de ces phénomènes bioénergétique exige une connaissance de la
thermodynamique , un ensemble de principes décrivant les flux et les échanges de chaleur ,
d’énergie et de matière dans les systèmes considérés ainsi que la connaissance des principes
de base de la thermodynamique ; l’analyse des flux thermiques , la production de l’entropie ,
le rôle de l’énergie libre , quelques concepts annexes tels que ; état standard, effet du pH sur
l’énergie libre standard , effet de la concentration sur la variation nette de l’énergie libre d’une
réaction , importance des réactions couplées dans les processus métaboliques.
5
Exercice 1
1-l’enzyme alcool déshydrogénase catalyse la réaction suivante :
1
Isopropanol +NAD+
acétone +NADH + H+
( réaction a )
2
-la constante d’équilibre K de la réaction a à 25°C prise dans le sens 1 est égale à 7.19.10-9mol/l
Calculer la variation d’enthalpie libre standard ΔG0’de la réaction a prise dans le sens 1 à une
température de 25 °C.
Donnée : R = 8.32J/mol/K
-quel est le sens de la réaction a thermodynamiquement favorisé à l’état standard ?
-la réaction a prise dans le sens 2 est la somme de 2 réactions :
isopropanol
Acétone + H2
NADH,H+
NAD+ + H2
réaction b , ΔG0’ = -24.6KJ/mol.
réaction c
-Calculer la ΔG0’de la réaction d’hydrogénation du NAD+ .
Corrigé de l’exercice :
1
Isopropanol +NAD+
acétone +NADH + H+
( réaction a )
2
Dans le cas d’une réaction générale de type :
A+ B
C
+
D
ΔG = ΔG0’ + RT ln ( C) ( D) / (A) ( B) i
( C) ( D) / (A) ( B) i, concentration initiales des différents réactants . à l’équilibre ,ΔG = 0 ,
donc : ΔG0’ = -RT .ln ( C) ( D) / (A) ( B) e
( C) ( D) / (A) ( B) e, concentrations des différents réactants à l’équilibre.
Donc ΔG0’= -RTlnK
Il s’en suit ΔG0’ ( réaction a , sens 1 ) = -8.32 .298.ln 7.19.10-9 = + 46489 J/mol
= +46.5 KJ/mol .
-sens de la réaction a thermodynamiquement favorisé à l’état standard
6
La valeur de K et le signe de ΔG0’montrent que le sens thermodynamiquement favorisé est le
sens 2 , la réaction s’écrit alors ( dans les conditions standard chimiques ) :
Acétone + NADH, H+
isopropanol + NAD+
Avec ΔG0’ de la réaction a et dans le sens 2 = -46.5 KJ/mol.
-calcul de la ΔG0’ de la réaction d’hydrogénation du NAD+ :
Acétone + H2
NADH,H+
isopropanol
NAD+ + H2
réaction b , ΔG0’ = -24.6KJ/mol.
réaction c , ΔG0’ = ?
On a ΔG0’(réaction a ,sens 2 ) = ΔG0’ (réaction b) +ΔG0’ ( réaction c)
ΔG0’(réaction c ) = ΔG0’ (réaction a,sens 2) +ΔG0’ ( réaction b)
ΔG0’(réaction c ) = -46.5-(-24.6) = -21.9 KJ/mol.
La réaction c est l’inverse de la réaction d’hydrogénation de NAD+ , donc la variation standard de
l’énergie libre de la réaction d’hydrogénation du NAD+ est de +21.9 KJ/mol, elle est donc
endergonique dans les conditions standard chimiques.
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Adénosine triphosphate
Introduction
Afin de maintenir les processus vitaux, tous les organismes doivent obtenir des provisions
d’énergie libre de leur environnement.
Les organismes autotrophes couplent leur métabolisme à certains processus exergoniques
simples de leur environnement, exemple : les plantes vertes utilisent l’énergie du soleil.
Les organismes hétérotrophes obtiennent leur énergie libre par couplage de leur métabolisme
à la dégradation de molécules organiques complexes de leur environnement.
Dans tous les organismes l’adénosine triphosphate joue un rôle central dans le transfert de
l’énergie libre des processus exergoniques aux processus endergoniques.
Définition de l’ATP
L’ATP est un nucléoside triphosphate contenant de l’adénine, du ribose et trois groupements
phosphate.
Le ribose de l’ATP par son C5 est uni par une liaison phosphoester au premier groupement
phosphoryle α, ce groupement étant uni au deuxième β et le deuxième au troisième ɣ par
liaison phosphoanhydride.
Au pH physiologique, la molécule est ionisée, moitié sous forme d’ATP4-, moitié sous forme
d’ATP3- .
Seules les 2 liaisons phosphoanhydride sont à potentiel d’hydrolyse, la liaison phosphoester
est ordinaire.
Dans les réactions cellulaires, l’ATP fonctionne sous forme d’un complexe avec le Mg.
Le rôle de l’ATP dans l’énergétique biochimique fut établi lors d’expériences démontrant que
l’ATP et la créatine phosphate étaient dégradés dans la contraction musculaire.
Le rôle de certains composés en bioénergétique ne fut apprécié qu’après l’introduction des
concepts de « phosphate à haute énergie » et de « liaison phosphate à haute énergie ».
Valeur de l’énergie libre de l’hydrolyse de l’ATP
L’énergie libre standard (mesurée à 37°C) de l’hydrolyse de certains organophosphates
d’importance biochimique a été estimée.
8
La valeur de l’hydrolyse du phosphate terminal de l’ATP divise la liste de ces composés en
deux groupes.
Le groupe des phosphates faiblement énergétiques tels que les esters phosphate des
intermédiaires de la glycolyse (glucose 6-phosphate, fructose 6-phosphate, glycérol3phosphate) possède des valeurs ΔG0’plus petites que celles de l’ATP.
Le groupe des phosphates hautement énergétiques tels que les anhydrides (1.3bisphosphoglycérate), les énolphosphates (phosphoénolpyruvate), des phosphoguanidines
(créatine phosphate, arginine phosphate) possède des valeurs ΔG0’plus élevées que celles de
l’ATP.
La position intermédiaire de l’ATP lui permet de jouer un rôle important dans le transfert
d’énergie. Un changement élevé d’énergie libre lors de l’hydrolyse de l’ATP est dû à la
répulsion des charges des atomes d’oxygène adjacents chargés négativement et à la
stabilisation des produits de la réaction, surtout le phosphate comme hybrides de résonance.
D’autres substances sont classées comme des composés hautement énergétiques : thioesters
tels que coenzymeA, les esters d’acides aminés impliqués dans la synthèse des protéines, sadénosylméthionine, uridine diphosphate glucose, 5-phosphoribosyl 1-pyrophosphate.
Les phosphates à haute énergie –(p)
Pour indiquer la présence du groupement phosphate à haute énergie, Lipmann a introduit le
symbole –(p) , ce dernier indique que le groupement attaché à la liaison entraine le transfert
d’une plus grande quantité d’énergie libre lors de son transfert à un accepteur approprié.
L’expression « potentiel de transfert de groupe » est préférée à celle de liaison à haute
énergie.
L’ATP contient deux groupes phosphate à haute énergie et l’ADP en contient un, la liaison
phosphate dans l’AMP est faiblement énergétique , c’est une liaison ester normale.
Les phosphates à haute énergie agissent comme monnale énergétique de la cellule
L’ATP est capable d’agir comme donneur de phosphate à haute énergie aux composés à
énergie libre standard d’hydrolyse plus faible que celle de l’ATP (le groupe phosphate est
transformé en un autre de faible énergie).
L’ADP peut accepter un phosphate à haute énergie pour former l’ATP à partir des composés à
énergie libre standard d’hydrolyse plus élevée que celle de l’ATP.
Un cycle ATP/ADP relie les processus qui génèrent –(p) à ceux qui utilisent –(p).
Ainsi, l’ATP est continuellement consommé et régénéré.
Trois principales sources de –(p) participent à la conservation de l’énergie :
9
1-phosphorylation oxydative : la phosphorylation oxydative est la meilleure source
quantitative de –(p) dans les organismes aérobies.
L’énergie libre nécessaire à ce processus provient de l’oxydation (utilise l’oxygène
moléculaire O2) par la chaine respiratoire dans les mitochondries.
2-la glycolyse : formation nette de deux –(p) suite à la formation de lactate à partir d’une
molécule de glucose (les réactions impliquées sont catalysées par la phosphoglycérate kinase,
pyruvate kinase).
3-le cycle de l’acide citrique : une liaison –(p) est directement générée au cours du cycle à
l’étape de la succinyl thiokinase.
Remarque : dans le muscle, une navette de créatine phosphate transporte le phosphate à haute
énergie des mitochondries au sarcolemme et agit comme tampon de phosphate à haute
énergie. Quand, l’ATP est abondant et que le rapport ATP/ADP est élevé, la concentration de
la créatine phosphate peut augmenter pour agir comme réservoir de phosphate à haute
énergie.
L’ATP permet le couplage de réactions thermodynamiquement défavorables à des
réactions favorables
Exemple de ce type de réaction :
La phosphorylation du glucose en glucose 6-phosphate.
Dans les conditions physiologiques, la réaction est hautement endergonique.
Glucose + Pi
glucose 6-phosphate
+H2O
ΔG0’ = + 13.8KJ/mol
La réaction doit être couplée à une réaction exergonique.
ATP
ADP + Pi
ΔG0’ = -30.5 KJ/mol
Lorsque les deux réactions sont couplées en une réaction, catalysée par l’hexokinase, elle est
exergonique dans les conditions physiologiques.
Glucose + ATP
glucose 6-phosphate + ADP
Hexokinase
ΔG0’ = -16.7KJ/mol
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L’adénylate kinase interconvertit les nucléotides de l’adénine
L’enzyme adénylate kinase est présente dans la plupart des cellules. Elle catalyse
l’interconversion de l’ATP et de l’AMP d’une part et de l’ADP d’autre part :
ATP + AMP
2ADP
Adénylate kinase
Cette réaction a trois fonctions :
-elle permet l’utilisation du phosphate à haute énergie de l’ADP dans la synthèse de l’ATP.
-elle permet à l’AMP formé dans plusieurs réactions activatrices impliquant l’ATP d’être
rephosphorylé pour former l’ADP.
-elle permet à l’AMP d’augmenter sa concentration lorsque la concentration de l’ATP
diminue, et d’agir comme signal métabolique pour augmenter la vitesse des réactions
cataboliques, ce qui conduit à une formation accrue d’ATP.
Formation de pyrophosphate inorganique à partir de l’ATP
Exemple de la réaction d’activation des acides gras à longue chaine :
AMP + PPi + R-CO –SCoA
ATP + CoA-SH + R-COOH
Acyl-CoA synthétase
Cette réaction s’accompagne d’une perte d’énergie libre sous forme de chaleur, ce qui assure
que la réaction d’activation va vers la droite. La réaction est aussi facilitée par le clivage
hydrolytique du pyrophosphate inorganique par l’enzyme pyrophosphatase inorganique.
PPi + H2O
2Pi
Pyrophosphatase
Inorganique
ΔG0’= -27.6 KJ/mol
D’autres nucléosides triphosphates participent au transfert de phosphate à haute
énergie
Grace à l’enzyme nucléoside triphosphate kinase, d’autres nucléosides triphosphates
(contenant une autre base que l’adénine) peuvent être synthétisés à partir de leurs
diphosphates, par exemple :
ATP + UDP
ADP + UTP ( uridine triphosphate)
Nucléoside
Diphosphate kinase
11
Tous ces triphosphates participant à des réactions de phosphorylation dans la cellule.
Des nucléosides monophosphate kinases spécifiques catalysent la formation des nucléosides
diphosphate à partir des monophosphates correspondants.
ATP + nucléoside-p
ADP + nucléoside-p-(p)
Nucléoside monophosphate kinase spécifique
Exemple de l’adénylate kinase, qui est une monophosphate kinase spécialisée.
Résumé
Les systèmes biologiques sont essentiellement isothermes et ils utilisent l’énergie chimique
pour faire fonctionner les processus biochimiques.
Les réactions ont lieu spontanément lorsqu’il ya perte d’énergie libre (ΔG négatif) ; elles sont
exergoniques .Si ΔG est positif, la réaction ne se produit que s’il ya gain d’énergie libre ; elle
est endergonique.
Les processus endergonique ne se produisent que lorsqu’ils sont couplés à des processus
exergoniques.
L’ATP agit comme « monnaie énergétique »de la cellule, transférant l’énergie libre
provenant de substances de potentiel énergétique élevé à celles de potentiel énergétique faible.
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Oxydation biologique
Introduction
Le principe de l’oxydoréduction s’applique aux systèmes biochimiques et c’est un concept
fondamental pour la compréhension de la nature de l’oxydation biologique.
Plusieurs oxydations biologiques s’effectuent sans la participation de l’oxygène moléculaire,
exemple de réactions de déshydrogénations.
L’oxygène est surtout utilisé dans la respiration, processus permettant aux cellules de se
procurer de l’énergie sous forme d’ATP à partir de la réaction contrôlée de l’hydrogène avec
l’oxygène pour former de l’eau. De plus l’oxygène moléculaire est incorporé dans divers
substrats par des enzymes appelées oxygénases.
Les variations de l’énergie libre peuvent être exprimées en termes de potentiel redox
Une réaction d’oxydoréduction :
Red 1 + ox + 2
red 2 + ox1+
ΔE = E2 –E1
est la somme de 2 demi-réactions, mettant en jeu chacune un couple rédox :
ox1+
Red1
e-
+ ox2+
+ e-
red2
Chaque couple rédox d’une molécule est composé :
-d’un réducteur (red) , forme la plus riche en électrons , c’est un donneur d’électrons .
-et d’un oxydant (ox) , forme la plus pauvre en électrons , c’est un accepteur d’électrons.
Dans un couple rédox , plus le réducteur est fort , donc a une forte tendance à donner des
électrons , plus l’oxydant est faible , donc a une faible tendance à accepter des électron.
Dans une cellule , les électrons peuvent être transférés d’une molécule à une autre de 4 façon
différentes :
1- Transfert d’électrons seuls :
A + B+
A+
+
B-
2-transfert d’atomes d’hydrogènes ( H = H+ + e-)
13
AH2
+ B
A + BH2
3-transfert d’un ion hydrure (H- = H+ + 2e-)
AH2 +NAD+
A + NADH + H+
4-combinaison d’un réducteur et de l’oxygène formant un composé oxygéné :
A- H
+ ½ O2
A-OH
Un équivalent réducteur correspond à un électron transféré dans une réaction
d’oxydoréduction, de quelque façon ait lieu le transfert.
Dans les réactions comportant une oxydation et une réduction, l’échange d’énergie libre est
proportionnel à la tendance des réactifs à donner ou à accepter des électrons. Ainsi, il est
possible d’exprimer la variation de l’énergie libre numériquement comme un potentiel
d’oxydoréduction ou potentiel rédox (E’0).
ΔG0’ = -nFΔE0’ ou ΔG = - nFΔE
n : nombre d’électrons transférés.
F : Faraday = 96500 coulombs ou 96,5 kilojoules /volt/mol.
Habituellement, on compare le potentiel rédox d’un système (E0) au potentiel de l’électrode
d’hydrogène, fixé par convention à 0.0 volt à Ph=0, (H+) = 1M.
Si le couple rédox est plus réducteur que le couple 2H+ /H2, alors son potentiel rédox E0est
négatif (le couple rédox a moins d’affinité pour les électrons que n’en a le couple 2H+/H2 ).
Si le couple est moins réducteur que le couple 2H+/H2 , alors son potentiel rédox E0 est
positif ( le couple rédox a plus d’affinité pour les électrons que n’en a le couple 2H+/H2 ).
Dans les systèmes biologiques, on exprime le potentiel rédox ( E’0) à pH 7.0 , le potentiel
d’électrode de l’électrode d’hydrogène est de -0.42 volt.
Les potentiels rédox de quelques systèmes biochimiques permettent de prédire la direction
du mouvement des électrons d’un couple rédox à un autre.
Soit la réaction d’oxydoréduction :
Red 1 + ox + 2
red 2 + ox1+
ΔE = E2 –E1
Si le couple 1 (red1 /ox1) est plus réducteur que le couple (red2/ox2), alors ΔE est positif et la
réaction a lieu de la gauche vers la droite.
Si le couple 1 est moins réducteur que le couple 2, alors ΔE est négatif et la réaction a lieu de
la droite vers la gauche.
14
Au cours des réactions d’oxydoréduction, les électrons sont transférés du couple rédox dont le
potentiel rédox est le plus faible (réducteur le plus fort) vers celui dont le potentiel rédox est le
plus fort (oxydant le plus fort).
Les enzymes impliquées dans les phénomènes d’oxydoréduction (oxydoréductases)
Les oxydoréductases sont classées en quatre groupes : oxydases, déshydrogénases,
hydropéroxydases et oxygénases.
Les oxydases utilisent l’oxygène comme accepteur d’hydrogène
Les oxydases catalysent l’enlèvement d’atomes d’hydrogène d’un substrat en utilisant
l’oxygène comme accepteur de l’hydrogène.
Ces enzymes forment de l’eau et du peroxyde d’hydrogène comme produit de la réaction.
Exemple :
La cytochrome oxydase (cytochrome a3) est une hémoprotéine (possédant l’hème) répandue
dans plusieurs tissus, elle est le dernier terme de la chaine de transporteurs respiratoires.
Les déshydrogénases
Un grand nombre d’enzymes appartiennent à cette catégorie.
Ces enzymes accomplissent deux fonctions principales :
1- Le transfert d’hydrogène d’un substrat à un autre dans une réaction d’oxydoréduction
couplée.
Ces déshydrogénases utilisent souvent la même coenzyme ou transporteur
d’hydrogène que les autres déshydrogénases, telle la NAD+. Ce type de réaction est
particulièrement utile car elle rend possibles les processus d’oxydation en l’absence
d’oxygène comme pendant la phase anaérobie de la glycolyse.
2- Le transport d’électrons d’un substrat à l’oxygène dans la chaine respiratoire.
En général, les déshydrogénases liées à la NAD catalysent des réactions d’oxydoréduction
dans les voies métaboliques oxydatives particulièrement dans la glycolyse, le cycle de l’acide
citrique et la chaine respiratoire des mitochondries.
Les hydropéroxydases
Présentes chez les animaux et les végétaux, deux types d’enzymes entrent dans cette
catégorie : les peroxydases et la catalase.
Les hydropéroxydases protègent l’organisme contre les peroxydes nocifs.
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L’accumulation de peroxydes produit des radicaux libres qui à leur tour, peuvent rompre les
membranes et être la cause de maladies.
Dans la réaction que catalyse la peroxydase, le peroxyde d’hydrogène est réduit aux dépens de
plusieurs substances qui agissent comme accepteurs d’électrons (ascorbate, les quinones et le
cytochrome c).
H2O2
+ AH2
2H2O
+ A
Péroxydase
La catalase est une hémoprotéine contenant quatre groupements hème.
Elle a une activité péroxydase et est capable d’utiliser une molécule de H2O2 comme substrat
donneur d’électrons et une autre molécule de H2O2 comme oxydant ou accepteur d’électrons.
La catalase utilise donc le péroxyde d’hydrogène comme donneur et comme accepteur
d’électrons.
2H2O2
2H2O +
O2
Catalase
La catalase est présente dans le sang, la moelle osseuse, les reins, le foie.
Les oxygénases
Les enzymes de ce groupe catalysent la fixation de l’oxygène à une molécule de substrat.
Les oxygénases sont séparées en deux sous-groupes
a- les dioxygénases
La réaction catalysée par les dioxygénases :
A
+ O2
AO2
Les dioxygénases fixent les deux atomes d’une molécule d’oxygène sur le substrat.
Exemple de ce type d’enzymes : l’homogentisate dioxygénase (enzyme qui contient du fer).
b- les monooxygénases
A-H
16
+ O2 + ZH2
A-OH + H2O + Z
Les monooxygénases incorporent un seul atome d’oxygène dans le substrat, l’autre atome
d’oxygène est réduit en eau, ce qui nécessite la présence d’un donneur supplémentaire
d’électrons.
Résumé
Dans les systèmes biologiques, et les systèmes chimiques, l’oxydation est toujours
accompagnée de la réduction d’un accepteur d’électrons.
Les oxydoréductases sont classées en quatre groupes : oxydases, déshydrogénases,
hydropéroxydases et oxygénases.
Les oxydases et les déshydrogénases ont divers rôles dans le métabolisme, mais ces deux
classes d’enzymes jouent des rôles majeurs dans la respiration.
Les hydropéroxydases protègent l’organisme contre les dommages causés par les radicaux
libres et les oxygénases interviennent dans l’hydroxylation de substances exogènes ou
endogènes de l’organisme.
17
Chaine respiratoire et phosphorylation oxydative
Introduction
Au niveau de la cellule, la plus grande partie de l’énergie provenant de l’oxydation
respiratoire est emmagasinée dans la mitochondrie.
Le système qui dans la mitochondrie, couple la respiration à la production de l’intermédiaire à
haute énergie, l’ATP est appelé phosphorylation oxydative.
La chaine respiratoire
-provenance des équivalents réducteurs :
Toute l’énergie libérée lors de l’oxydation des acides gras et des acides aminés et presque
toute l’énergie provenant de l’oxydation des glucides se trouve disponible dans les
mitochondries sous forme d’équivalents réducteurs –H ou électrons.
Les mitochondries contiennent la série de catalyseurs connus come étant la chaine respiratoire
qui collecte et transporte les équivalents réducteurs et les dirige vers leur réaction finale avec
l’oxygène pour former l’eau. Elles contiennent aussi la machinerie nécessaire pour piéger de
l’énergie libre, laquelle est libérée sous forme de phosphate hautement énergétique.
Les mitochondries renferment les systèmes enzymatiques responsables de la production de la
plupart des équivalents réducteurs (enzymes de la β-oxydation, enzymes du cycle de l’acide
citrique).
-les constituants de la chaine respiratoire :
Le mouvement des électrons ou de l’hydrogène le long de la chaine respiratoire se fait de
façon graduelle, des constituants les plus électronégatifs vers le constituant le plus
électropositif, l’oxygène, avec une gamme de potentiel rédox de 1.1 volt entre NAD+/NADH
et O2/2H2O.
Dans la mitochondrie, la chaine respiratoire est formée d’un certain nombre de transporteurs
rédox qui vont des systèmes de déshydrogénases liés au NAD à l’oxygène moléculaire en
passant par les flavoprotéines et les cytochromes.
18
Les substrats sont généralement liés à la chaine respiratoire par l’intermédiaire des
déshydrogénases spécifiques du NAD.
Certains substrats à cause de leur potentiel rédox plus positif (fumarate/succinate) se lient
directement aux déshydrogénases flavoprotéiques qui se lient, à leur tour aux cytochromes de
la chaine respiratoire.
Un transporteur supplémentaire appelé ubiquinone ou coenzyme Q présent dans la chaine
respiratoire, lie les flavoprotéines au cytochrome b, dont le potentiel rédox est le plus bas de
tous les cytochromes de la chaine.
Dans la mitochondrie, le coenzyme Q existe sous la forme quinone oxydée dans des
conditions aérobies et sous la forme quinol réduite dans des conditions anaérobies.
Le coenzyme Q agit comme un constituant mobile de la chaine respiratoire qui collecte les
équivalents réducteurs des complexes flavoprotéiques pour les transférer aux cytochromes.
Un constituant supplémentaire est retrouvé dans la chaine respiratoire et nommé protéine fer
–soufre. Elle est associée aux flavoprotéines (métalloflavoprotéines) et au cytochrome b.
Le soufre et le fer sont impliqués dans le mécanisme d’oxydoréduction entre la flavine et le
coenzyme Q (l’atome de fer peut être réduit et oxydé Fe 3+, Fe 2+).
Les substrats : acides α-cétoniques, le pyruvate et le cétoglutarate transfèrent les électrons sur
le lipoate et le FAD avant leur passage vers le NAD de la chaine respiratoire.
Le transfert des électrons à partir des substrats : L-3-hydroxyacylCoA, D-3-hydroxybutyrate,
la proline, glutamate, malate, isocitrate est couplé directement au NAD de la chaine
respiratoire.
Le NADH réduit est ensuite oxydé par une métalloflavoprotéine de la chaine respiratoire, la
NADH déshydrogénase. L’enzyme contient la protéine fer-soufre et la FMN, elle transfert les
équivalents réducteurs au coenzyme Q.
Les équivalents réducteurs provenant des substrats liés directement dans la chaine respiratoire
par l’intermédiaire de déshydrogénases flavoprotéiques rejoignent le coenzyme Q.
La portion flavine de toutes ces déshydrogénases serait la FAD.
Ces substrats sont : choline, glycérol-3-phosphate, acyl-CoA.
Les électrons sont transférés depuis le coenzyme Q jusqu’à l’oxygène moléculaire, en passant
par les divers cytochromes.
Les cytochromes sont distribués dans l’ordre croissant du potentiel rédox.
Le cytochrome aa3terminal (cytochrome oxydase) est responsable de la combinaison finale
des équivalents réducteurs à l’oxygène moléculaire. Cette enzyme contient du cuivre.
19
La cytochrome oxydase possède une affinité très élevée pour l’oxygène. La réaction catalysée
par l’enzyme est la seule réaction de la chaine respiratoire qui soit irréversible.
Les constituants de la chaine respiratoire sont présents dans la membrane mitochondriale
interne sous forme de quatre complexes protéine-lipide de la chaine respiratoire qui s’étendent
sur l’épaisseur de la membrane.
Réserve de l’énergie du métabolisme dans la chaine respiratoire
L’ADP est une molécule qui emmagasine sous forme de phosphate à haute énergie, une
portion significative de l’énergie libre résultant des réactions cataboliques. L’ATP formé
transfère cette énergie libre aux processus qui nécessitent de l’énergie.
La combustion complète d’une mole de glucose fournit environ 2870 KJ, l’énergie
emmagasinée par phosphorylation dans la glycolyse est faible. Dans les réactions
glycolytique, deux groupements phosphate à haute énergie emmagasinent un équivalent de
103.2 KJ/mol de glucose.
Dans la cellule, à concentration réelle des réactifs, la ΔG de la synthèse de l’ATP à partir de
l’ADP est d’environ 51.3 KJ/mol.
Les réactions du cycle de l’acide citrique, la voie finale de l’oxydation complète du glucose
incluent deux groupements phosphates à haute énergie par mole de glucose.
Toutes les phosphorylations citées se produisent au niveau du substrat.
Lors de l’oxydation des substrats dans la mitochondrie, par une NAD-déshydrogénase et la
chaine respiratoire, 3 mol de phosphate inorganique sont incorporées dans 3 mol d’ADP pour
former 3 mol d’ATP par demi –mole d’O2 consommée, soit un rapport P/O = 3.
L’oxydation d’un substrat par une flavoprotéine déshydrogénase ne forme que 2 mol d’ATP,
donc P/O = 2. Ces réactions sont nommées phosphorylation oxydative au niveau de la chaine
respiratoire.
Les déshydrogénations et phosphorylations au niveau du substrat dans la voie du cycle de
l’acide citrique et la glycolyse fournissent 68% de l’énergie libre captée sous forme de
phosphate à haute énergie. La chaine respiratoire est responsable en grande partie de la
formation de l’ATP.
Le contrôle respiratoire assure un apport constant d’ATP
Le taux de respiration dans les mitochondries peut être contrôlé par la concentration de
l’ADP. L’oxydation au niveau de la chaine respiratoire est couplée à la phosphorylation de
l’ADP.
Quand un travail est accompli, l’ATP est transformé en ADP, permettant une respiration
accrue, laquelle à son tour réapprovisionne les réserves d’ATP.
20
La concentration de phosphate inorganique peut influencer le taux de fonctionnement de la
chaine respiratoire. Quand la respiration augmente, la capacité de la chaine respiratoire est
saturée, ou PO2 descend en dessous de la Km pour le cytochrome a3. Il est possible que le
transporteur ADP/ATP (qui facilite l’entrée de l’ADP cytosolique dans la mitochondrie)
devienne le facteur limitant.
Au cours de processus d’oxydation biologique, l’énergie libre est emmagasinée de façon
graduelle, efficace et contrôlée .l’énergie libre non emmagasinée sous forme de phosphate à
haute énergie est libérée sous forme de chaleur, elle assure que le système respiratoire est
suffisamment exergonique pour supprimer l’équilibre et garantit un flux unidirectionnel
continu et un approvisionnement constant d’ATP. Chez les animaux à sang chaud, elle
contribue au maintien de la température corporelle.
Des poisons inhibent la chaine respiratoire
Des inhibiteurs de la chaine respiratoire ont été employés à des fins descriptives.
Ces inhibiteurs sont classés en inhibiteurs de la chaine respiratoire, en inhibiteurs de la
phosphorylation oxydative et en découpleurs de la phosphorylation oxydative.
Les inhibiteurs agissent à trois endroits au niveau de la chaine respiratoire.
Les premiers inhibiteurs empêchent l’oxydation des substrats qui communiquent directement
avec la chaine respiratoire par l’intermédiaire d’une NAD déshydrogénase, en bloquant le
transfert de FeS au coenzyme Q. ces inhibiteurs sont les barbituriques (amobarbital), un
antibiotique ( piéricidine A) , un insecticide ( roténone).
Le deuxième groupe d’inhibiteurs, inhibent la chaine respiratoire entre le cytochrome b et le
cytochrome c.Exemple : dimercaprol, antimycine A.
Les poisons H2S, monoxyde de carbone et le cyanure inhibent la cytochrome oxydase et
peuvent causer l’arrêt total de la respiration.
La carboxine inhibe de façon spécifique le transfert des équivalents réducteurs de la succinate
déshydrogénase jusqu’au coenzyme Q.
Le malonate est un inhibiteur compétitif de la succinate déshydrogénase.
L’antibiotique oligomycine bloque complètement l’oxydation et la phosphorylation dans les
mitochondries.
En présence d’un découpleur, le dinitrophénol,l’oxydation se fait sans phosphorylation.
L’atractyloside inhibe la phosphorylation oxydative, en inhibant le transporteur de l’ADP
dans la mitochondrie et de l’ATP hors de la mitochondrie.
Les découpleurs agissent en dissociant l’oxydation de la phosphorylation dans la chaine
respiratoire .Exemple de découpleurs : dinitrocrésol, pentachlorophénol.
La théorie chimiosmotique pour expliquer la phosphorylation oxydative
Pour expliquer le couplage de l’oxydation et de la phosphorylation, deux hypothèses ont été
avancées l’une chimique et l’autre chimiosmotique.
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L’hypothèse chimique postule un couplage chimique direct à tous les stades du processus,
l’hypothèse a été abandonnée.
L’hypothèse chimiosmotique de Mitchell postule que l’énergie d’oxydation des constituants
dans la chaine respiratoire génère des ions hydrogène qui sont expulsés à l’extérieur d’une
membrane couplante de la mitochondrie (membrane interne). La différence de potentiel
électrochimique résultant de la distribution asymétrique des ions hydrogène (protons) est
utilisée pour faire fonctionner le mécanisme responsable de la formation de l’ATP.
Chacun des complexes I, III, IV de la chaine respiratoire agit comme une pompe à protons.
La membrane interne est imperméable aux ions et particulièrement aux protons qui
s’accumulent à l’extérieur de la membrane en créant une différence de potentiel
électrochimique à travers la membrane (ΔµH+). Ceci consiste en un potentiel chimique
(différence de pH) et un potentiel électrique.
La différence de potentiel électrochimique actionne une ATP synthase localisée dans la
membrane, qui en présence de Pi et ADP forme de l’ATP.
Les complexes phosphorylants responsables de la production de l’ATP sont dispersés à la
surface de la membrane interne. Ces complexes sont constitués de plusieurs sous –unités
protéiques appelées F1 qui se projettent dans la matrice et qui contiennent l’ATP synthase.
Ces sous –unités sont reliées par un pédoncule à un complexe protéique membranaire, appelé
F0, qui s’étend dans la membrane et qui est composé de plusieurs sous-unités protéiques.
Les protons traversent le complexe F0-F1, produisant ainsi une molécule d’ATP depuis
l’ADP et le Pi.
Le gradient protonique va de l’extérieur vers l’intérieur dans les mitochondries.
Des études ont suggéré que la synthèse de l’ATP pourrait avoir lieu au niveau de l’enzyme
ATP synthase. La libération de l’ATP du site actif nécessite de l’énergie (changement
conformationnel dans la sous –unité F1 dû au gradient de protons).
Des estimations sur le nombre de protons qui sont pompés par chaque complexe pour chaque
molécule de NADH oxydée font état de 4 pour le complexe I et de 6 pour le complexe II et
IV. De plus, 3 ou 4 protons sont importés dans la mitochondrie pour chaque molécule d’ATP
exportée.
Le rapport P/O = 2.5, pour simplifier les valeurs de 3 sont retenues pour l’oxydation de
NADH, H+ et de 2 pour l’oxydation du FADH2.
Des données expérimentales confirment la théorie chimiosmotique
1-l’addition de protons au milieu externe des mitochondries conduit à la formation d’ATP.
2-la phosphorylation oxydative ne se produit pas dans les systèmes solubles, une membrane
fermée doit être présente pour obtenir la phosphorylation oxydative.
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3-la chaine respiratoire contient des composés organisés de façon asymétrique (asymétrie
transversale) comme requis par la théorie chimiosmotique.
La théorie chimiosmotique peut expliquer le contrôle respiratoire
La différence de potentiel électrochimique à travers la membrane, une fois établie à la suite de
la translocation des protons, inhibe davantage le transport des équivalents réducteurs à travers
la chaine respiratoire, à moins que cette différence ne soit annulée par rétrotranslocation des
protons à travers la membrane par l’intermédiaire d’une ATP synthase vectorielle, ceci
dépend alors de la disponibilité de l’ADP et du Pi.
La théorie chimiosmotique explique l’action des découpleurs
Les découpleurs sont amphiphiles et augmentent la perméabilité des mitochondries aux
protons, réduisant ainsi le potentiel électrochimique et l’activité de l’ATP synthase.
L’oxydation peut s’effectuer sans phosphorylation.
Les transporteurs de la membrane mitochondriale interne
Des systèmes d’échange par diffusion sont présents dans la membrane pour échanger des
anions contre des ions OH- et des cations contre des ions H+ .Ces systèmes préservent la
neutralité électrique et osmotique.
La membrane mitochondriale interne laisse passer librement les petites molécules non
chargées : O2, eau, CO2, NH3 et les acides monocarboxyliques tels que acide 3hydroxybutyrique, acide acétoacétique, acide acétique.
La membrane est composée d’un transporteur spécial pour le pyruvate impliquant un symport
qui utilise un gradient de H+ allant de l’extérieur à l’intérieur de la mitochondrie.
Le transport des anions di et tricarboxylate est lié à celui du phosphate inorganique, qui
pénètre facilement sous forme d’un ion H2PO4- en échange d’un OH- .
L’absorption nette du malate par le transporteur des dicarboxylates requiert la présence du Pi
pour l’échange dans la direction opposée.
L’absorption globale du citrate, isocitrate, cis-aconitate par le transporteur des tricarboxylates
nécessite la présence du malate dans l’échange.
Le transport de l’α-cétoglutarate requiert un échange avec le malate.
Grâce à ces mécanismes d’échange, l’équilibre osmotique est maintenu.
Le transporteur des nucléotides de l’adénine permet l’échange de l’ATP et de l’ADP . Ce
transporteur permet à l’ATP de sortir des mitochondries et à l’ADP de retourner dans les
mitochondries pour la production d’ATP.
Le sodium peut être échangé contre H+ grâce au gradient protonique. L’incorporation active
du calcium par les mitochondries s’effectue avec un transfert net de H+.
23
La sortie du calcium des mitochondries est facilitée par l’échange avec le sodium.
Des ionophores, composés lipophiles, forment des complexes avec des cations spécifiques et
facilitent leur transport à travers les membranes biologiques. Un exemple de ce groupe :
la valinomycine , un antibiotique qui facilite la pénétration du potassium à travers la
membrane mitochondriale , éliminant alors le potentiel membranaire entre la face interne et la
face externe de la mitochondrie.
L’oxydation du NADH extramitochondrial passe par des substrats navettes
Le NADH ne peut pénétrer la membrane mitochondriale, mais il est continuellement produit
dans le cytosol.
Dans des conditions aérobies, le NADH extramitochondrial ne s’accumule pas et il est oxydé
par la chaine respiratoire dans les mitochondries.
Ceci est expliqué par des mécanismes qui font intervenir le transfert d’équivalents réducteurs
à travers la membrane mitochondriale via des paires de substrats liés par des
déshydrogénases. Il est important que la déshydrogénase spécifique soit présente des deux
côtés de la membrane mitochondriale.
Exemple de la navette du glycérophosphate.
L’enzyme mitochondriale (glycérol-3-phosphate déshydrogénase) est liée à la chaine
respiratoire par une flavoprotéine .Donc la consommation d’un atome d’oxygène produit
seulement deux molécules d’ATP et non trois.
Bilan énergétique de l’oxydation complète d’une molécule de glucose en aérobiose
La réoxydation d’un NADH, H+ grâce à la chaine respiratoire et aux oxydations
phosphorylantes produit 3 ATP , tandis que celle d’un FADH2 produit 2ATP ( il faut un
proton supplémentaire pour transporter un ATP formé hors de la mitochondrie , ainsi la
réoxydation du NADH,H+ produit 2,5 ATP et celle du FADH2 , 1,5ATP).
-38ATP sont produit en passant par la navette aspartate –malate.
-36 ATP sont produits en passant par la navette du glycérol-3-phosphate ( les 2 équivalents
réducteurs du NADN,H+ issu de la 6ème réaction de la glycolyse étant transférés sur le FAD).
Résumé
Presque toute l’énergie libérée par l’oxydation des glucides, des lipides et des protéines est
disponible dans les mitochondries sous forme d’équivalents réducteurs. Ceux –ci sont
canalisés dans la chaine respiratoire où passant d’un transporteur à l’autre dans un ordre
décroissant du gradient rédox de ces transporteurs. Les équivalents réducteurs se dirigent vers
la réaction finale avec l’oxygène pour former de l’eau.
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Les transporteurs rédox sont groupés dans les complexes de la chaine respiratoire, de la
membrane mitochondriale interne. Ils utilisent l’énergie libérée dans le gradient rédox pour
pomper les protons à l’extérieur de la membrane, créant un potentiel électrochimique à travers
la membrane.
Des complexes d’ATP synthase s’étendant sur l’épaisseur de la membrane utilisent l’énergie
potentielle du gradient de protons pour synthétiser de l’ATP à partir de l’ADP et Pi.
L’oxydation est étroitement couplée à la phosphorylation pour répondre aux besoins
énergétiques de la cellule.
La membrane mitochondriale interne est imperméable aux protons et autres ions, des
transporteurs d’échange spéciaux occupent l’épaisseur de la membrane pour permettre le
passage d’ions tels que OH- , Pi ,ATP ,ADP sans décharger le gradient électrochimique à
travers la membrane.
Plusieurs poisons tel le cyanure arrêtent la respiration par inhibition de la chaine respiratoire.
25
La photosynthèse
Introduction
Les organismes photosynthétiques utilisent l’énergie qui provient de l’énergie solaire captée
par les processus de photosynthèse. Seul 1% de l’énergie lumineuse reçue chaque jour sur
terre en provenance du soleil est utilisée.
Cette énergie que les organismes transduisent en énergie chimique sous forme de molécules
biologiques est redistribuée aux autres membres de la biosphère par les chaines alimentaires.
La transduction de l’énergie solaire ou lumineuse en énergie chimique est exprimée en termes
de fixation de gaz carbonique, fixation caractérisée par la formation d’un hexose et le
dégagement de l’oxygène :
Lumière
6 CO2
+ 6 H2O
C6H12O6
+ 6O2
Lieu de la photosynthèse
Les organismes photosynthétiques sont variables, des plus simples procaryotes aux plus
grands organismes. Le point commun entre les différents organismes, est que la
photosynthèse s’effectue toujours dans les membranes.
Chez les procaryotes phototrophes, les membranes photosynthétiques remplissent l’intérieur
de la cellule par contre chez les eucaryotes à photosynthèse, ces membranes sont localisées
dans les chloroplastes.
Les chloroplastes sont des organites spécifiques végétaux, ayant trois membranes distinctes.
Une membrane externe et une membrane interne, plus un système membranaire interne
spécifique aux chloroplastes, la membrane thylacoïde.
La membrane thylacoïde continue, se plisse en donnant des feuillets regroupés par paires ou
lamella s’étendant à travers tout l’organite.
Ces replis de la membrane thylacoïde forment des empilements de petits sacs ou vésicules
aplaties, les vésicules thylacoïdes.
Les empilements de vésicules sont appelés grana. Un empilement, un granum contient des
dizaines de vésicules thylacoïdes et les différents grana sont reliés par les lamella. Le tout
baigne dans une phase soluble limitée vers l’extérieur par la membrane interne du
chloroplaste, le stroma.
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Les chloroplastes ont donc trois compartiments délimités par des membranes : l’espace
intermembranaire, le stroma, et espace intrathylacoïdien (la lumière du thylacoïdes).
la lumière du thylacoïdes joue un rôle fondamental dans la transduction de l’énergie de la
lumière en énergie chimique (synthèse de l’ATP).
Les différentes phases de la photosynthèse
La photosynthèse comprend :
-la phase obscure, indépendante de la lumière, mais a lieu aussi bien le jour que la nuit, au
cours de laquelle, le carbone minéral est réduit en carbone organique. Le CO2 est assimilé
sous forme de glucides (saccharose et amidon) grâce au cycle de Calvin. Les réactions de la
phase obscure, sont localisées dans le stroma.
-la phase lumineuse, dépendante de la lumière, au cours de laquelle ont lieu les réactions
photochimiques qui produisent l’ATP et le NADPH, H+ nécessaires aux réactions de la phase
obscure. Les réactions de la phase lumineuse de la photosynthèse ont lieu dans la membrane
des thylacoïdes présents dans les chloroplastes des cellules du mésophylle des feuilles.
L’eau est le donneur d’électrons pour la réduction de NADP+ par photosynthèse
Dans les plantes vertes, l’eau est l’ultime donneur d’électrons pour la formation par
photosynthèse, d’équivalents réducteurs.
nhɣ
2 H2O + 2 NADP+ + x ADP +x Pi
O2 + 2 NADPH + 2 H + + x ATP + X H2O
nhɣ: énergie lumineuse.
Il faut un apport d’énergie (énergie lumineuse) pour que la réaction de réduction de
NADPH+ par H2O soit thermodynamiquement possible. ΔG°’= + 219 KJ /mol.
Structure de la chlorophylle
Les chlorophylles sont des tétrapyrroles substitués, contenant du magnésium, dont la structure
de base rappelle celle de l’hème.
Les chlorophylles se différencient de l’hème par plusieurs points :
L’ion lié par coordination au centre de la structure de l’anneau plan à doubles liaisons
conjuguées est du magnésium au lieu du fer,
un alcool à longue chaine, le phytol, estérifie un substituant d’un cycle pyrrole,
le pont méthényle liant les cycles pyrroliques III et IV est substitué et relié par une liaison
covalente au cycle III, ce qui aboutit à la formation d’un cinquième cycle pentagonal.
27
Du fait de leur aromaticité, les chlorophylles absorbent très fortement la lumière. l’énergie
lumineuse absorbée favorise le déplacement des électrons (électrons π) vers des orbitales
supérieures, ce qui augmente le potentiel de transfert de ces électrons vers des accepteurs
appropriés. La perte de l’état excité d’un électron et le transfert de l’énergie ainsi libérée vers
un accepteur est une réaction d’oxydoréduction.
Le processus est une transduction de l’énergie lumineuse (les photons) en énergie chimique
(pouvoir réducteur) d’une réaction rédox.
Une unité photosynthétique peut être considérée comme un ensemble constitué par une
antenne composée de plusieurs centaines de molécules de chlorophylles collectrices de
lumière , et d’une paire spéciales de molécules de chlorophylle a réactives formant le centre
réactionnel de l’unité.
La fonction de la très grande majorité des molécules de chlorophylle est de collecter, à la
manière d’une antenne, la lumière incidente (toutes les molécules de chlorophylle ne sont pas
réactives) arrivant sur l’unité et de la canaliser par transfert d’énergie de résonance (l’énergie
d’excitation peut être perdue par transfert d’énergie de résonance à une molécule voisine) vers
les molécules spéciales du centre de réaction où le phénomène photochimique a lieu.
Remarque : les plantes peuvent contenir deux types différents de chlorophylles (chlorophylle
a et chlorophylle b), ayant des spectres d’absorption différents.
L’ion Mg2+ de la chlorophylle ne change pas de valence pendant les réactions rédox.
Les photosystèmes
Les cellules eucaryotes, contiennent deux photosystèmes distincts I et II.
Le photosystème I (PSI) se différencie du photosystème II par un centre de réaction dont les
chlorophylles absorbent la lumière avec un pic d’absorption maximum à 700 nm, et
n’intervient pas dans la production d’O2.
Le photosystème II ( PSII ) participe à la production d’O2 et les chlorophylles de son centre
de réaction absorbent la lumière avec un pic d’absorption maximum à 680 nm.
Au final P700 est le centre réactionnel du photosystème I.
P680 est le centre réactionnel du photosystème II.
P700 et P 680 sont tous deux des dimères de chlorophylle a appartenant à des complexes
protéiques spécialisés.
La membrane des thylacoïdes est donc composée de complexes chlorophylle –protéines, il
s’agit de complexes photocollecteurs (CPC), de complexes PSI, et de complexes PSII.
28
Rôles de PSI et de PSII
Le photosystème I fournit le pouvoir réducteur sous forme de NADPH.
Le photosystème II scinde la molécule d’eau produisant O2 et les électrons transférés sur la
chaine de transport des électrons qui couple PSI à PSII.
PSI et PSII sont reliés par une chaine de transporteurs d’électrons par laquelle le faible
pouvoir réducteur généré par PSII transmet l’électron nécessaire pour la réduction de P700+,
l’oxydant faible, ce qui permet un nouveau cycle d’activité photochimique.
Le flux des électrons de H2O vers NADP+ est rendu possible par l’apport de l’énergie
lumineuse absorbée par les centres réactionnels. Le dégagement d’oxygène n’est qu’un sous
produit de la photolyse.
Les relations énergétiques peuvent être déterminées en utilisant l’échelle des valeurs de E0’,
sur laquelle les potentiels d’énergie standard sont de plus en plus faibles et donc l’énergie est
plus importante (en allant de H2O vers NADP+).
La synthèse de l’ATP utilise l’énergie résultant du gradient de protons qui s’établit de part et
d’autre de la membrane thylacoïde en conséquence des réactions de transfert des électrons
induite par la lumière. La phosphorylation de l’ADP induite par la lumière est appelée
photophosphorylation.
Schéma du transfert des électrons dans la photosynthèse
Les photosystèmes I et II contiennent des transporteurs d’électrons spécifiques et
complémentaires qui interviennent successivement dans le transfert des électrons de l’eau au
NADP+.
Les divers transporteurs d’électrons sont :
-complexe Mn, intervient dans le dégagement d’O2.
-D est l’accepteur d’électron du complexe Mn, et le donneur direct d’électron à P680+.
-QA et QB représentent les molécules de plastoquinone spéciales.
-cytochrome f
-plastocyanine, donneur direct d’électron à P700-.
-FA, FB et Fx représentent des ferrédoxines membranaires en aval de A0 (une chlorophylle a
spécialisée) et de A1 (une quinone particulière de PSI).
-une enzyme, la ferrédoxine –NADP+ réductase qui catalyse la réduction de NADP+ en
NADPH.
-cytochrome b6 qui participe au transfert en retour des électrons de FA/FB vers P700+ au
cours de la phosphorylation cyclique.
29
Au cours de la photosynthèse, trois complexes participent au transfert des électrons :
Le complexe PSII, le complexe cytochrome b6/cytochrome f et le complexe PSI.
Le complexe PSII est appelé complexe de la production d’O2, c’est une eau –plastoquinone
oxydoréductase utilisant l’énergie lumineuse, système enzymatique qui intervient dans la
photolyse de l’eau. Dans ce complexe une protéine contenant du manganèse est impliquée
dans la production d’oxygène suite à la formation d’un centre métallique constitué de
4 Mn 2+liés par coordination à deux molécules d’eau.
Les protons et les électrons sont extraits de ces molécules d’eau et l’oxygène se dégage à
mesure que P680 passe par quatre cycles d’oxydation.
Le centre réactionnel P680 passe par cinq états d’oxydation différents, de S0 à S4 au cours
d’un cycle d’activité. Une molécule d’oxygène est libérée lorsque l’état S4 est atteint et PSII
retourne à l’état d’oxydation S0 liant deux molécules d’eau.
Le cycle commence quand l’énergie d’un quantum excite P680 qui devient capable de réduire
une molécule spéciale de phéophytine . La phéophytine est identique à la chlorophylle a.
la perte d’un électron transforme P680 en P680+, ensuite le flux des électrons de la
phéophytine vers le pool de plastoquinone intramembranaire passe par QA et QB.
La plastoquinone est mobile dans la membrane et sert de navette entre le complexe PSII et le
complexe cytochrome b6/cytochrome f.
Le retour de la plastoquinone à sa forme hydroquinone nécessite la capture d’un proton.
H+ s’accumule dans les vésicules thylacoïdes, ce qui créé un gradient électrochimique.
La plastocyanine est une petite protéine contenant un ion cuivre, c’est un transporteur
d’électrons qui diffuse très rapidement dans la membrane et joue un rôle de navette
électronique entre le complexe cytochrome b6/ cytochrome f et PSI.
La plastocyanine ne transporte qu’un électron par cycle l’ion cuivre passe d’un état cuivreux
Cu+ à l’état cuivrique Cu2+.
Quand la paire de chlorophylle a spécial, P700 est excitée par la lumière et oxydée par le
transfert d’un de ses électrons à une molécule de chlorophylle a adjacente qui sert de premier
accepteur d’électron ( A0), P700 devient P700+. Puis P700+ accepte rapidement un électron
provenant d’une molécule de plastocyanine.
A0 cède rapidement un électron à une quinone spécialisée A1 qui cède ensuite cet électron à
la première ferrédoxine d’une série de ferrédoxines liées à la membrane Fd. La série des Fd
cèdent l’électron à l’enzyme ferrédoxine –NADP+ réductase, qui catalyse la réduction du
NADP+.
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Le rendement quantique de la photosynthèse
Le rendement quantique de la photosynthèse ou quantité de produit formé par équivalent
énergétique de lumière captée est traditionnellement exprimé par le rapport CO2 fixé ou O2
dégagé par quantum absorbé.
La capture de 4 hɣ par chaque centre réactionnel (soit 8 quanta d’énergie) entrainerait le
dégagement d’une molécule d’O2, la réduction de deux molécules de NADP+ et la
phosphorylation de 2.2/3 ADP (la translocation de 3H+ permet la formation d’une molécule
d’ATP.
La photophosphorylation
La synthèse de l’ATP, après capture de l’énergie de la lumière est appelée
photophosphorylation. La conversion d’une énergie électromagnétique en énergie chimique
résulte des réactions de transfert d’électrons provoquant la formation d’un pouvoir réducteur
(NADPH).
Une translocation de protons à travers la membrane thylacoïde est couplée à ces réactions de
transfert. La translocation des protons dans le chloroplaste s’observe sur plusieurs sites ,
exemple : une translocation de protons lors de la photolyse de l’eau par suite des réactions
entre l’eau et PSII une translocation de protons lors de série des réactions d’oxydation et de
réduction qui accompagnent le transfert des électrons dans le pool des plastoquinones et le
cycle Q . Il est possible de considérer la production du proton qui accompagne la réduction
de NADP+ comme la translocation d’un proton du stroma vers la lumière d’une vésicule
thylacoïde.
La translocation de deux protons accompagne le passage d’un électron de l’eau vers NADP+.
puisque ce transfert électronique exige deux photons, l’un capté par PSII , l’autre par PSI , le
rendement global est d’un proton par quantum de lumière.
Mécanisme chimiosmotique de la photophosphorylation
Le transport des électrons lors de la photosynthèse établit un gradient électrochimique
transmembranaire, avec une accumulation d’ions H+ dans la lumière thylacoïde, par rapport
au stroma du chloroplaste. Le mécanisme de la photophosphorylation est chimiosmotique.
L’ATP synthase du chloroplaste
L’ATP synthase du chloroplaste effectue la transduction du gradient électrochimique en
énergie chimique représentée par l’ATP. C’est un complexe appelé ATP synthase CF1 CF0
(C : chloroplaste) et c’est un hétéromultimère de sous-unités α, β, ɣ, a, b, c….
La photophosphorylation cyclique
Le transport des électrons d’origine photosynthétique entrainant la translocation de H+ dans
la lumière des vésicules thylacoïdes peut s’effectuer selon un deuxième mode différent du
premier et il est appelé : la photophosphorylation cyclique.
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Dans la phosphorylation cyclique , le trou électronique dans P700+ , formé par le départ d’un
électron , n’est pas comblé par un électron provenant de H2O via PSII. L’électron activé de la
réduction de NADP+ est détourné et renvoyé vers la plastocyanine pour réduire P700+.
Des translocations de protons accompagnent ce transfert cyclique d’électrons de sorte que la
synthèse d’ATP reste possible.
Dans la phosphorylation cyclique : l’ATP est le seul produit résultant de la conversion de
l’énergie de la lumière, il n’y a pas formation de NADPH, PSII n’étant pas impliqué, il n’y a
pas production d’O2, en effet, cette voie ne dépend que de PSI.
Fixation du gaz carbonique
La capacité des organismes phototrophes et organismes autotrophes à effectuer la synthèse
nette de glucides à partir du CO2 les distingue des organismes hétérotrophes.
En 1945. Melvin Calvin et ses collègues de l’Université de Californie, à Berkeley étudiaient
la fixation photosynthétique de CO2 par Chlorella.
CO2 + accepteur à cinq C
3-phosphoglycérate
(intermédiaire à six C)
deux molécules de
Le ribulose -1,5-bisphosphate est l’accepteur du CO2
L’accepteur du CO2 à cinq atomes de carbone est le ribulose -1,5-bisphosphate (RuBP) et
l’enzyme qui catalyse la réaction clé de la fixation du CO2 est la ribulose -1,5-bisphosphate
carboxylase/oxygénase (rubisco).
La rubisco catalyse soit la fixation de CO2, soit celle d’O2 sur le composé RuBP. L’enzyme
est un hétéromultimère α8β8, qui se trouve dans le stroma des chloroplastes.
La fixation par une liaison covalente du CO2 sur le ribulose -1,5-bisphosphate produit un
intermédiaire. L’hydratation de la fonction cétone de l’intermédiaire génère deux molécules
de 3-phosphoglycérate. Le CO2fixé se retrouve dans le groupe carboxyle de l’une des deux
molécules.
Cycle de Calvin –Benson
Le premier produit libéré après la fixation de CO2 , le 3-phosphoglycérate doit subir toute une
série de transformations avant qu’il ait une synthèse nette de glucide ( les hexoses et en
particulier le glucose qui représente l’unité osidique de la synthèse de la cellulose et de
l’amidon).la cellulose , saccharose et amidon sont les plus abondantes formes de substances
organiques chez les végétaux .
La série des réactions qui transforment le 3-phosphoglycérate en hexose est appelé le cycle de
Calvin-Benson ou cycle de Calvin .
Les relations équilibrées qui représentent schématiquement le cycle sont :
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6 (1) + 6 (5)
12 ( 3)
12 (3)
1 (6 ) + 6 (5 )
Bilan : 6 ( 1 )
1 (6 )
Enzymes du cycle de Calvin
Les enzymes du cycle de Calvin :
-participent à la plus importante voie de fixation nette de CO2 existante.
-réduisent le 3-phosphoglycérate en glycéraldéhyde-3-phosphate, ce qui rend possible la
synthèse de glucides.
-catalysent les réactions d’interconversion qui transforment une molécule à 3 atomes de C en
molécules à 4, 5, 6,7 atomes de carbone.
Au cours du cycle de Calvin, l’ATP et NADPH provenant de la capture de l’énergie
lumineuse sont consommés.
Le cycle des réactions commence avec la ribulose bisphosphate carboxylase qui catalyse la
formation du 3-glycérophosphate à partir de CO2 et de RuBP et s’achève avec la ribulose -5phosphate kinase qui catalyse la formation du RuBP.
18 équivalents d’ATP et 12 équivalents de NADPH sont tous consommés dans les réactions
du cycle de Calvin.
Bilan net de la synthèse d’un hexose grâce au cycle de Calvin
Le bilan de la synthèse d’un hexose rend compte de l’incorporation nette de six équivalents de
gaz carbonique dans un hexose aux dépens de 18 ATP et de 12 NADPH.
Régulation de la fixation du CO2
Les cellules des plantes contiennent des mitochondries, elles ont donc une respiration
cellulaire (glycolyse, cycle de l’acide citrique et oxydations phosphorylantes) qui fournit de
l’énergie à l’obscurité.
La régulation du cycle de Calvin empêche l’oxydation des glucides en CO2 par la glycolyse et
le cycle de Krebs et fixation de CO2 dans les glucides par photosynthèse dans un cycle à deux
voies de directions opposées.
L’activité des enzymes clés du cycle de Calvin est en relation avec les produits de la
photosynthèse, ces enzymes répondent indirectement à l’activation par la lumière. Quand
l’énergie lumineuse est disponible et qu’il se forme de l’ATP et le NADPH utilisés pour la
fixation de CO2, le cycle de Calvin fonctionne. A l’obscurité, quand l’ATP et le NADPH ne
sont plus produits par photosynthèse, la fixation de CO2 cesse.
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Les effets de la lumière dans les chloroplastes
Les effets induits par la lumière dans les chloroplastes sont :
-le changement du pH : l’illumination des chloroplastes a pour conséquence une translocation
des protons vers la lumière des thylacoïdes et donc un changement du pH dans le stroma et à
l’intérieur des vésicules thylacoïdes. Le pH du stroma s’élève vers pH 8.
La ribulose bisphosphate carboxylase (rubisco) est activée à pH8, la fixation de CO2 est
activée. De même l’élévation du pH active la fructose -1,6-bisphosphatase, la ribulose -5phosphate kinase et la glycéraldéhyde -3-phosphate déshydrogénase (pH optimum en milieu
alcalin).
Donc, la lumière induisant une élévation du pH dans le stroma augmente l’activité de ces
enzymes.
- la production d’un pouvoir réducteur : l’illumination des chloroplastes induit le transport des
électrons qui accompagne la photosynthèse, ce transport engendre le pouvoir réducteur sous
forme de ferrédoxine réduite et de NADPH. Plusieurs des enzymes de la fixation de CO2 en
particulier la fructose -1,6-bisphosphatase, la sédoheptulose -1,7-bisphosphatase et la ribulose
-5-phosphate kinase, sont activés par réduction de certains ponts disulfure cys-cys ( cystéine )
en cys-SH de leurs molécules.
-la sortie des ions Mg2+ des vésicules thylacoïdes : la translocation des ions H+ vers la
lumière des thylacoïdes s’accompagne d’un flux d’ions Mg2+ sortant des vésicules vers le
stroma. Cette sortie de Mg2+ neutralise en partie l’accumulation de charges électriques
résultant de l’entrée de H+ (la variation du potentiel de membrane en réponse à la
translocation des protons est moins importante dans les chloroplastes que dans les
mitochondries). La ribulose bisphosphate carboxylase et la fructose -1,6-bisphosphatase sont
les deux enzymes activées par les ions Mg2+.
La photorespiration
La ribulose bisphosphate carboxylase / oxygénase catalyse la réaction dans laquelle l’O2 est
compétitivement fixé sur le ribulose -1,5-bisphosphate au lieu de CO2.
L’enzyme conduit à un gaspillage de ribulose -1,5- bisphosphate, l’accepteur de CO2 et donc
gaspille l’énergie.
L’activité ribulose bisphosphate produit du 3-phosphoglycérate et du phosphoglycolate. Une
déphosphorylation et une oxydation convertissent le phosphoglycolate en glyoxalate, un
aldéhyde qui donne le glycocolle (par une réaction qu’on appelle transamination).
Le phosphoglycolate peut subir d’autres transformations, y compris une oxydation complète
en CO2 et libère l’énergie sous forme de chaleur. C’est un phénomène appelé
photorespiration car il utilise une partie de la lumière, consomme de l’oxygène et dégage du
CO2.
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Remarque : il existe une voie en C-4 de la fixation du CO2 (voie de Hatch et Slack) , qui
permet la formation d’un produit à 4 atomes de carbone au cours de la photosynthèse.
La voie en C-4 fait intervenir comme transporteurs de CO2 les composés en C-4 :
l’oxaloacétate et le malate.
La voie en C-4 est un moyen d’éviter la photorespiration.
Résumé
La photosynthèse est le processus de fixation du CO2 dépendant de la lumière pour former
des glucides et d’autres molécules biologiques.
Chez les plantes, la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes et se fait en deux phases, la
phase lumineuse qui produit de l’ATP et du NADPH et la phase obscure où ces produits sont
utilisés pour permettre la synthèse de glucides à partir de CO2 et d’H2O.
La chlorophylle est le principal photorécepteur de la photosynthèse .La lumière est d’abord
absorbée par un complexe d’antennes photocollectrices formé de chlorophylle et de pigments
accessoires.
L’énergie lumineuse absorbée est transférée sur des molécules oxydo-réductrices qui forme la
chaine de transport d’électrons.
Le processus de transfert d’électrons permet la translocation de protons à travers la membrane
du thylacoïde.
Le gradient de protons formé permet la synthèse d’ATP par le processus de
photophosphorylation par l’ATP synthase CF1-CF0.
Le CO2 est fixé lors des réactions de la phase obscure de la photosynthèse des plantes par les
réactions du cycle de Calvin.
La photorespiration libère du CO2 et entraine des pertes énergétiques significatives pour les
plantes.
Les plantes à C-4 très fréquentes sous les tropiques , minimisent les effets de la
photorespiration aux dépens de deux ATP par CO2 fixé.
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