ATP

Chapitre 16 : Introduction au métabolisme
1. Métabolisme cellulaire
2. Rappels de thermodynamique
3. Rôle particulier de l’ATP
4. Composés extrêmement riches en énergie
5. Réactions d’oxydoréduction
Métabolisme cellulaire 1
•
•
•
Les réactions biochimiques dans la cellule sont à
l’équilibre
Les organismes vivants ne sont pas à l’équilibre
Par le métabolisme l’organisme vivant consomme de
l’énergie libre pour assurer différentes fonctions
Métabolisme cellulaire 2
•
Pour les êtres phototrophes l’énergie libre est
fournie par le soleil grâce à la photosynthèse (CO2 +
H2O --> glucides + O2)
•
Les êtres chimiotrophes obtiennent leur énergie
libre en oxydant des composées organiques provenant
d’autres organismes phototrophes.
•
L’énergie libre est le plus souvent utilisée pour la
synthèse intermédiaire de composés phosphorylés
riches en énergie tels que l’ATP.
Métabolisme cellulaire 3
Biomolécules
Anabolisme
(réactions
endergoniques)
Lumière
Aliments
Travail cellulaire
Catabolisme
(réactions
exergoniques)
Energie
Matériaux de
construction
Déchets
Métabolisme intermédiaire
Ensemble de réactions enzymatiques se déroulant
à l’intérieur d’une cellule
Voie métabolique : séquence de réactions permettant
la synthèse ou la dégradation d’un composé
Voies cataboliques : voies de dégradation; souvent
productrices d’énergie (glycolyse, cycle de Krebs,
ß oxydation)
Voies anaboliques : voies de biosynthèse
(gluconéogenèse, cycle de Calvin, acides gras etc…)
Métabolisme cellulaire 1
Chacune des réactions est catalysée par une
enzyme propre
Substrats, intermédiaires et produits sont
appelés métabolites
Environ 4000 enzymes sont connues
Une simple bactérie contient entre 500
(Mycoplasma) et 5000 (Escherichia coli) gènes
Un organisme eukaryote contient entre 6000 et
30 000 gènes, dont une grande partie avec une
fonction encore inconnue
Catabolisme/anabolisme
L’ATP et le NADPH fournissent l’énergie libre
nécessaire aux réactions de biosynthèse. Ils sont
formés au cours de la dégradation de métabolites
complexes
Les voies métaboliques sont irréversibles
• Une réaction très
exergonique faisant partie
d’une voie à plusieurs
étapes, impose le sens de
déroulement de la voie et
rend celle-ci irréversible.
• Par conséquence
l’anabolisme et le
catabolisme doivent
emprunter des voies
différentes
A
1
2
Y
X
Organisation des voies métaboliques
Division en une série d’étapes élémentaires
- une enzyme = une réaction élémentaire
- chemin suit une “logique chimique”
- certaines réactions sont possibles
d’autres pas
- meilleure récupération de l’énergie
- utilité de cycles (cycle de Krebs, de l’urée,
de Calvin, du glyoxylate)
Fonctions métaboliques d’organites d’eucaryotes
Organite
Fonction
Mitochondrie
Cycle de l'acide citrique, transport d'électrons et phosphorylations oxydatives, oxydation
des acides gras, dégradation des acides aminés
Cytosol
Glycolyse, voie des pentoses phosphate, biosynthèse des acides gras, plusieurs réactions de
la gluconéogenèse
Lysosomes
Digestion enzymatique de constituants et de substance ingérées
Noyau
Réplication et transcription de l'ADN, maturation de l'ARN
Appareil de Golgi
Maturation post-traductionnelle de protéines membranaires ou sécrétées;
formation de la membrane plasmique et des vésicules de sécrétion
Réticulum endoplasmique rugueux
Synthèse de protéines liées aux membranes ou sécrétées
Réticulum endoplasmique lisse
Biosynthèse des lipides et des stéroïdes
Peroxysomes
Réactions oxydatives catalysées par les aminoacide oxydases et la catalase;
(glyoxysomes chez les plantes)
chez les plantes, réaction du cycle du glyoxylate
Rappel de thermodynamique
Critère de spontanéité d ’une réaction :
Variation d’énergie libre (de Gibbs) = ∆G
∆G < 0
réaction “exergonique”
(thermodynamiquement possible)
∆G > 0
réaction “endergonique”
thermodynamiquement impossible
(à moins de fournir de l’énergie libre)
∆G = 0
équilibre thermodynamique
Rappel de thermodynamique
∆G = ∆ H - T∆S
∆H : variation d’enthalpie; chaleur reçue par le système
∆H > 0 : réaction endothermique
∆H < 0 réaction exothermique
∆S = variation d’entropie
Influence des [réactifs] sur la valeur de ∆G
Pour un réactif “A”
G = G° + 2,303 RT log[A]
Avec G° = énergie libre standard
R = constante des gaz parfaits
Pour une réaction
A+B
C+D
∆G = ∆G° + 2,303 RT log [C][D]/[A][B]
Avec ∆G° = variation d’énergie libre standard
[Réactifs] = 1 M; Pression (gaz) : 1 atmosphère
H2O = fraction molaire = 1;
pH = 0 (∆G°) ; pH = 7 (∆G°’)
∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ?
Critère grossier, car les concentrations intracellulaires
des réactifs sont très différentes de 1M
Bon critère : ∆G
Mais demande de connaître les concentrations
intracellulaires de réactifs !
∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ?
Exemple : fructose-1,6-bisphosphate aldolase
Fructose-1,6-P2
Glycéraldéhyde-3-P +
dihydroxyacétone-P
∆G°’ = + 24 kJ/mol
Mais
[Fru-1,6-P2] ≈ 100 µM
[Glycéraldéhyde-3-P] ≈ 5 µM
[Dihydroxyacétone-P] ≈ 100 µM
∆G ≈ - 8.4 kJ/mol
Réactions proches et éloignées de l’équilibre thermodynamique
Dans voies métaboliques
-réactions proches de l’équilibre thermodynamique
(∆G ≈ 0 à - 2 kJ/mol)
-les plus fréquentes
-Régulation ”passive” : [substrats] et [produits]
-réactions éloignées de l’équilibre thermodynamique
-(∆G < - 8 kJ/mol)
-Étapes régulées
-Régulation par [substrats] et [produits]
-Régulation allostérique
-Régulation par modification covalente
Thermodynamique des composés phosphorylés
•
•
•
Les processus endergoniques qui
assurent le maintien en vie des
organismes sont rendus possibles
par les réactions exergoniques de
l’oxidation des nutriments.
Ce couplage dépend le plus
souvent de la synthèse
d’intermédiaires « riche en
énergie ».
L’ATP est une sorte de monnaie
universelle d’énergie libre
liaison
pyrophosphate
Réactions de transfert de groupement
phosphoryle
R1-O-PO32- + R2-OH
R1-OH + R2-O-PO32-
ATP + H2O
ADP + Pi
ATP + H2O
AMP + PPi
Pi= phosphate inorganique (PO43-)
PPi= pyrophosphate (P2O74-)
Structure de l’ATP montrant sa
relation à l’ADP, l’AMP et l’adénosine
∆G d’hydrolyse de l’ATP
ATP + H2O
ADP + Pi
∆G°’ = - 29.2 kJ/mole
∆G ≈ - 55 kJ/mole
si [ATP] = 5 mM; [ADP] = 0,1 mM; [Pi] = 5 mM
ATP + H2O
AMP + PPi
∆G°’ = - 32 kJ/mole
∆G ≈ - 84 kJ/mole
si [ATP] = 5 mM; [AMP] = 10 µM; [PPi] = 1 µM
Détermination du ∆G°’ d’une réaction
∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B]
À l’équilibre
∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B] = 0
Donc
∆G°’ = - 2,303 RT log [C][D]/[A][B]
On détermine la concentration des substrats
et produits de la réaction lorsque celle-ci a atteint
son équilibre thermodynamique et on calcule ∆G°’
Utilité des valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse
Reflètent le contenu énergétique d’une liaison
Permettent de calculer les valeurs de ∆G°’ de réactions
de transfert de groupe
Rôle particulier de l’ATP comme monnaie énergétique
-Composé abondant dans la cellule (≈ 5 mM)
-Riche en énergie (∆G°’ = - 29.2 kJ)
-Utilisé par de très nombreuses enzymes
-Kinases (entre autres celles qui forment autres nucléotides)
-Ligases
-ATPases (transport, mouvement)
-Pouvant être formé
- à partir de composés ”super”-riches en énergie
-PEP (phosphoénolpyruvate), créatine-P, 1,3bisphosphoglycérate
- par les phosphorylations oxydatives mitochondriales
Origine du haut contenu énergétique de l’ATP (des NTP)
- Plus grande stabilisation de résonance des produits d’hydrolyse
-Meilleure solvatation des produits
-Répulsion électrostatique des charges négatives dans ATP
-Formation par hydrolyse d’une fonction acide
(qui s’ionise à pH neutre)
Et cependant, l’ATP, “thermodynamiquement instable”,
est “cinétiquement stable” (besoin d’enzyme pour catalyser son
hydrolyse).
NB - ATP essentiellement présent sous forme d’ATP-Mg
Valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse
Variation d'énergie libre standard lors de l'hydrolyse de
quelques
composés phosphorylés importants en
Métabolite
biochimie
Phosphoénolpyruvate
Composé
1,3-bisphosphoglycérate
Acétylphosphate
1,3-Bisphophoglycérate
Phosphocréatine
Phosphoénolpyruvate
G°! (kJ•mol-1)
- 61,9
- 49,4
Acétyl phosphate
- 43,1
Phosphocréatine
Pyrophosphate
- 43,1
PP
ATP
i
( AMP + PPi)
ATP("
(ADP
Pi)i)
ATP
AMP ++ PP
- 33,5
- 32,2
ATP (" ADP + Pi)
Glucose 1-phosphate
Glucose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
Glycérol-3-phosphate
- 30,5
Glucose-1-phosphate
- 20,9
Glucose-6-phosphate
- 13,8
Glycérol-3-phosphate
- 9,2
- 13,8
∆G°’ hydr
kcal/mol
- 14,8
- 11,8
- 11,2
- 10,3
Extrêmement
riches
- 8,0
- 7,6
- 7,3
Riches
- 5,0
- 3,3
- 2,2
NB: Le ∆G d’une réaction varie en fonction des concentrations totales de ses substrat et ses
produits et avec leurs états de ionisation (pH)
Pauvres
Transfert de groupements phosphoryle
Composés extrêmement riches en énergie
Phosphoénolpyruvate
1,3-bisphosphoglycérate
Acétylphosphate
Phosphocréatine
- 61,9
- 49,4
- 43,1
- 43,1
PEP + ADP
Pyruvate + ATP
pyruvate kinase
∆G°’ = - 31,5 kJ/mol
1,3-P2G + ADP
3-phosphoglycerate + ATP
phosphoglycérate kinase
∆G°’ = - 18,9 kJ/mol
P-créatine + ADP
créatine + ATP
créatine kinase
∆G°’ = - 12,6 kJ/mol
Facteurs responsables du caractère « riche en
énergie » des liaisons pyrophosphate
• Stabilisation par
résonance
• Forces de
répulsion
électrostatiques
• Energie de
solvation
La résonance est responsable du caractère
« riche en énergie » des acyles phosphate
H 2O
R-CH2 - O-PO32R-CH2-O-H
ΔG°’ ≤ 20 KJ/mol
O
H 2O
R-CO~PO32Liaison d’haute énergie
+ HOPO32-
O
R-C-O-H
O-H
R-C=O
ΔG°’ > 40 KJ/mol
+ HOPO32-
Phosphagènes
- Composés permettant de régénérer rapidement l’ATP
(en particulier dans muscles)
- Dérivés de la guanidine
Rôle de réservoir énergétique de la phosphocréatine
P-créatine + ADP
créatine + ATP
∆G°’ = - 12.6 kJ/mol
Keq = [créatine][ATP]/[P-créatine][ADP] ≈ 100
1
Lors de contraction
musculaire
[ATP]/[ATP] + [ADP]
0
0
1
[P-créatine]/[P-créatine] + [créatine]
Réactions d’oxydoréduction
Importance
biosynthèses : souvent réductions
biodégradations : souvent oxydations
Réactions d’oxydo-réduction souvent productrices
ou consommatrices de beaucoup d’énergie
Réactions d’oxydo-réduction
Ared + Box
Aox + Bred
“Monnaie d’échange” : NAD+/NADH et NADP+/NADPH
Calcul des ∆G des réactions d’oxydoréduction :
à partir des valeurs de potentiel de réduction
Mesure de la force électromotrice
Pile électrochimique :
Fe3+ + Cu3+ <========> Fe2+ + Cu2+
Cu+
<-------------> Cu2+ + e- (oxydation)
Fe3+ + e- <-------------> Fe2+
(réduction)
Potentiel mesuré est la force
électromotrice
Point de référence : l'électrode de
gaz d'hydrogène:
2H+ + 2e- <-------------> H2(g)
Dans des conditions standard:
[H+] = 1M (pH=0); H2(g) 1atm, 25°C
Valeurs de potentiel de réduction
Demi-réaction
1/2 O2 + 2H+ + 2 eCyt a3 (Fe3+)
Cyt a (Fe3+)
Cyt c (Fe3+)
Cyt b (Fe3+)
Ubiquinone + 2 H+ + 2 eFumarate + 2 H+ + 2 eFAD (lié) + 2 H+ + 2 eFMN (lié) + 2 H+ + 2 ePyruvate + 2 H+ + 2 eAcétaldéhyde + 2 H+ + 2 eNAD+ + H+ + 2 eNADP+ + H+ + 2 eAcétate + 3 H+ + 2 e-
E°’ (V)
H 2O
Cyt a3 (Fe2+)
Cyt a (Fe2+)
Cyt c (Fe2+)
Cyt b (Fe2+)
Ubiquinol
Succinate
FADH2
FMNH2
Lactate
Ethanol
NADH
NADPH
Acétaldéhyde
0,82
0,39
0,29
0,25
0,22
0,10
0,03
≈0
≈0
- 0,18
- 0,20
- 0,32
- 0,32
- 0,58
Bons
oxydants
Bons
réducteurs
Relation entre potentiel oxydoréduction et ∆G
Travail = charge x différence de potentiel
∆G°’ = - n F ∆E°’
“-” : parce que charge négative des électrons
n = souvent 2, parce que deux électrons échangés
F : constante de Faraday = charge d’une “mole” d’électron
= 96,9 kJ/(Volt x mol)
Oxydation du NADH par O2
NADH + H+ + 1/2 O2
NAD+ + H2O
∆E°’ = 0,82 V - (-0,32V) = 1,14 V
∆G = - 2 x 23,06 x 1,14 = 221 kJ/mol
(soit de quoi synthétiser certainement 3 mol d’ATP)
Effet des concentrations de réactifs sur ∆E
Valeurs de potentiel de réduction
Demi-réaction
1/2 O2 + 2H+ + 2 e
Cyt a3 (Fe3+)
Cyt a (Fe3+)
Cyt c (Fe3+)
Cyt b (Fe3+)
Ubiquinone + 2 H+ + 2 e
Fumarate + 2 H+ + 2 e
FAD (lié) + 2 H+ + 2 e
FMN (lié) + 2 H+ + 2 e
Pyruvate + 2 H+ + 2 e
Acétaldéhyde + 2 H+ + 2 e
NAD+ H+ + 2 e
NADP+ H+ + 2 e
Acétate + 3 H+ + 2 e
E°’ (V)
H 2O
Cyt a3 (Fe2+)
Cyt a (Fe2+)
Cyt c (Fe2+)
Cyt b (Fe2+)
Ubiquinol
Succinate
FADH2
FMNH2
Lactate
Ethanol
NADH
NADPH
Acétaldéhyde
0,82
0,39
0,29
0,25
0,22
0,10
0,03
≈0
≈0
- 0,18
- 0,20
- 0,32
- 0,32
- 0,58
Chaîne
Resp.
Succinate
déshyd.
Déshydro
génases