Métabolisme énergétique cellulaire : transferts et conversions d
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METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE : TRANSFERTS ET CONVERSIONS D'ENERGIE DANS LA CELLULE FOURNISSANT UN TRAVAIL Introduction Liaison avec les chapitres précédents - les biocatalyseurs (=enzymes) permettent la réalisation des réactions biochimiques à des vitesses compatibles avec la vie cellulaire. - La construction d'un organisme + complexe (croissance) et sa multiplication utilise de la matière et de l'énergie; - l'énergie des autotrophes est issue des photons et/ou d'autre substances chimiques (H2O, H2S etc.) : cas des photolithotrophes et chimiolithotrophie) - l'énergie des hétérotrophes est issue d'oxydation de matière organique (nutriments) : cas des chimio-organotrophes Limites : on ne traitera que des eucaryotes chlorophytes Problématique : - Il semble plus aisé de visualiser les flux de matière à travers un organisme que les transferts et conversions d'énergie (i.e les forces et flux qui déterminent la direction et l'intensité des déplacements de matière!). - La branche de la physique qui étudie ses transferts et conversions est la thermodynamique. La branche de la biologie qui s'intéresse aux transferts et conversions d'énergie à travers les systèmes biologiques (comme la cellule) est la bioénergétique. La bioénergétique permet une étude quantitative et utilise les concepts de thermodynamique tels que l'énergie potentielle, l'énergie libre, l'entropie et le second principe - Nous allons rassembler et expliquer ici, aussi simplement que possible, les concepts thermodynamiques fondamentaux indispensables à la compréhension des flux d'énergie à travers les systèmes biologiques Plan : I. Bioénergétique (Thermodynamique des processus biologiques à l'équilibre) 1- Rappel de thermo. concernant les systèmes biologiques 2- Principaux mécanisme de transfert d'énergie : l'oxydo-réduction et phosphorylations oxydatives II. Illustration d'une conversion d'énergie photonique en énergie "chimique" (ici, au sens large de synthèse) : ANABOLISME d'un composé organique (l'amidon, à forte énergie potentielle, stockable) au cours de la PHOTOSYNTHESE, à partir de substances chimiques III. Illustration d'un transfert d'énergie "chimique" au sein d'une cellule : Utilisation (dégradation = CATABOLISME) d'une molécule de glucose (élaborée par les autotrophes et éventuellement stocké sous forme d'amidon) permettant de fournir de l'ATP (ANABOLISME), molécule jouant un rôle central dans les transferts énergétiques de la cellule I. Notions de thermodynamique et flux d'énergie à travers un être vivant A. Interconversions d'énergie sous forme de chaleur et/ou de travail chez un être vivant = thermodynamique biologique des processus à l'équilibre Définition d'énergie (exprimée en Joule = 1 Newton * 1 mètre): - capacité d'un système à fournir un travail - cela sous-entend que le système possède des réserves sous la forme : - énergie potentielle : fonction de la position ex. : une objet sur une table possède, dans le champs de force gravitationnel terrestre, une énergie potentielle qui est fonction de sa masse et de sa position (en hauteur). Cette énergie potentielle pourra être utilisée pour un travail : casser un carreau en tombant, par exemple - énergie cinétique : fonction de la vitesse 1- Description de l'état d'un système biologique à l'équilibre et prévision de son évolution selon les principes de thermodynamique a) Evolution des système biologiques à l'équilibre a1) Définition d'un système : - Ce à quoi on s'intéresse (par rapport à l'environnement) - ex. : un récipient, une cellule, un organisme, la biosphère - Un système est composé de particules élémentaires dont les caractéristiques microscopiques (ex. : nombre de particules, position des particules du système, vecteur vitesse de chaque particules) sont impossibles à obtenir Approche thermodynamique : étudie le comportement statistique de ses particules : on s'intéresse aux caractéristiques macroscopiques (ex. : la température T, qui est mesurable, traduit la vitesse des particules, qui est , elle, non mesurable) - Limites de l'approche thermodynamique en biologie : on n'a pas toujours un grand nombre de particules (ex. enzymes) donc le traitement statistique n'est pas forcément fondé a2) Classification des systèmes : - en fonction des propriétés de leurs limites (jamais parfaites) par rapport à l'environnement : - ISOLE : aucun échange entre le système et l'environnement (ce qui n'est jamais le cas des systèmes biologiques, imparfaits) - FERME : échanges d'énergie (sans échange de matière) - OUVERT : échanges de matière et d'énergie (cas général des cellules ou, plus simplement, d'une membrane hémi-perméable qui laisse passer le solvant mais pas le soluté) a3) Définition de l'état d'un système et de son évolution au cours d'une réaction - En thermodynamique, l'état d'un système (dans un état I) se définit uniquement à l'équilibre : - aucun transfert d'énergie avec l'extérieur du système - aucun transfert d'énergie macroscopique à l'intérieur du système c'est-à-dire que les variables intensives (comme la pression P et la température T) sont homogènes dans le système - les variables extensives sont des valeurs additives (comme le volume V, la masse M, ou le nombre de molécules n) : elles dépendent de la quantité de matière contenue dans le système - A l'équilibre, un système qui passe de l'état initial I à l'état finale F échange de l'énergie avec l'environnement : - sous forme ordonnée = travail W ou - sous forme désordonné = chaleur Q - W et Q sont appelées grandeurs de transfert (traversent les limites du système lors de sont évolution d'un état initial vers un état final) - Le travail fourni est de type : - mécanique : déplacement de particules (produit scalaire d'une force par distance, s'exprime en Newton mètre qui équivaut à des Joules, pour une mole de système considéré), transports actifs à travers une membrane... - électrique (ou photonique) - chimique.: synthèses de nouvelles molécules, établissement de liaisons covalentes : phosphorylations etc. - C'est le produit scalaire (noté "^") de la force par le déplacement. Il s'exprime en gm2s-2 (fonction de la masse, de la distance parcourue et du temps) - Un déplacement ordonné de matière conduit à la création d'un gradient de potentiels - La chaleur est fonction de l'énergie cinétique des particules (qui changent de trajectoire à chaque choc, donc le déplacement n'est pas ordonné), s'exprime en joules, pour une mole de système considéré. - Dans le cas des machines thermiques, la chaleur qui s'écoule du chaud vers le froid est utilisée pour fournir un travail - Mais dans le cas des cellules (qui ne sont pas des machines thermiques), l'énergie dégradée sous forme de chaleur est "perdue" (non utilisable pour un travail) - Au cours d'une réaction, l'évolution du système d'un état initial I vers un état final F est caractérisé par des FONCTIONS de variables d'ETAT. Ces fonctions sont indépendantes du chemin emprunté entre I et F. b) Premier principe de thermodynamique : l'énergie totale est toujours conservée - On appelle "U" l'énergie interne du système considéré - Il est impossible de mesurer directement l'énergie contenue dans un système. Par contre, on peut mesurer la variation d'énergie interne d'un système qui passe d'un état I à un état F : UF - UI = U - Noter que U est indépendant du chemin suivi c'est-à-dire que l'on ne s'intéresse pas aux mécanismes qui interviennent lors du passage de I vers F - Premier principe de thermodynamique : "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" - On appelle U la quantité d'énergie apportée au système, sous forme de travail ou de chaleur : U = W + Q - avec Q : quantité de chaleur reçue (absorbée) par le système et W : travail appliqué sur le système (donc U > 0) - Un système qui fourni un travail ou de la chaleur voit donc son énergie interne totale diminuer (U < 0) - Chaleur et travail sont interconvertibles c) Variation d'enthalpie (H) : mesure de l'énergie transférée sous forme de chaleur - H= U + PV - A pression P constante, on a : H = U + PV U = H - PV Q = QP H = QP et W = - PV - Si H >0, la réaction (passage de I à F) absorbe de la chaleur : elle est endothermique. Ex. : vaporisation de l'eau à 25°C H = 44 kJmol-1 - Si H <0, la réaction est exothermique. Ex. : oxydation du glucose en CO2 et eau à 25°C H = -2804 kJmol-1 - Application : H permet le calcul de la variation de l'énergie interne U d'un composé par mesure du dégagement de chaleur associée à sa dégradation complète (sans travail fourni) - On parle de variation d'enthalpie molaire standard de réaction, i-e. dans les conditions standards rH : - à 25°C (298 K), - 1 atmosphère (= 101,3 kPa), - 1 mole par litre et par réactif (en biochimie, on prend souvent à pH=7; on note alors rH°' ) Transition : - On décrit des échanges d'énergie au cours d'une réaction à P = cste; - W et Q sont interconvertibles; - Lequel est le plus probable (W ou Q) ? - Quelle est la quantité d'énergie qui sera utilisable par la cellule (W), sachant que la cellule n'est pas une machine thermique? d) Deuxième principe de thermodynamique et prédiction du sens spontané d'une réaction c1) Observations : U et sens spontané de réaction ne sont pas liés - La majorité des phénomènes spontanés observables tous les jours , comme la chute des objets ou le refroidissement des corps, se fait avec diminution de l'énergie interne du système considéré. - Cependant, il existe un très grand nombre d'exceptions : des phénomènes spontanés avec augmentation de l'énergie interne du système. Ex. : la fonte d'un cube de glace dans de l'eau à 1°C est spontanée alors que l'eau est dans un état énergétique supérieur à la glace : la chaleur est absorbée par le système au cours de la fonte c2) Définition de l'entropie S - C'est la fonction thermodynamique qui rend compte du désordre d'un système (S augmente avec le désordre) Ex. Dans le cas d'un échange réversible de chaleur, Q>0: S = Q/T (positif) S = O à T=0 K (-273°C) c3) Deuxième principe de thermodynamique - Une réaction spontanée se fait dans le sens qui entraîne une augmentation de l'entropie totale (de l'univers : du système et de son environnement) : le désordre est plus probable que l'ordre! SF>SI e) Variation d'énergie libre de Gibbs (notée "G") : la quantité d'énergie max. disponible pour un travail e1) Définition de l'énergie libre de Gibbs - Lorsqu'on s'intéresse au sens d'une réaction chimique, la fonction entropie n'est pas adaptée car elle considère des variations du système et de son environnement - On introduit une fonction G = H - TS - qui ne dépend pas de l'environnement mais - qui atteint un minimum à l'équilibre et - sert donc d'indicateur du sens de faisabilité d'une réaction et - qui permet de mesurer la quantité d'énergie disponible pour un travail, au cours de cette réaction, G = H - TS - à T = cste. et P=cste G = Wmax Si G <0, W <0, travail récupérable! e2) Cas de la majorité des phénomènes biologiques : réactions à V= cste : - Quelques exceptions comme la plasmolyse/turgescence et les réactions avec dégagement gazeux - H = U - TS est la part d'énergie non disponible pour un travail (hors cas des machines thermiques) e3) Prévision du sens de la réaction - G = 0 : le processus est à l'équilibre (pas de réaction) - G >0 : réaction endergonique nécessite apport d'énergie extérieur (le système gagne de l'énergie interne et de l'ordre ou alors le système gagne plus d'énergie interne qu'il ne perd d'ordre) - G <0 : réaction exergonique spontanée - soit l'énergie interne et l'ordre diminuent - soit si l'énergie interne augmente, alors l'ordre diminue de manière significativement supérieure) - Attention : pour que G soit utilisable, il faut qu'il y ait un système accepteur d'énergie couplé à la réaction (une réaction endergonique, par ex.!) sinon, l'énergie sera dissipée sous forme de chaleur. 2- Transferts d'énergie entre systèmes biologiques couplés a) Notion de couplage en biologie a1) Rappel des conditions thermodynamiques du métabolisme cellulaire - Le métabolisme cellulaire est essentiellement constitué de réactions chimiques - Ces réactions ont en général lieu à P, T, V et pH constants - Rappel : les systèmes biologiques sont en général ouverts et, surtout, imparfaitement connus in-vivo a2) Couplage catabolisme/anabolisme - Le catabolisme (dégradation) de molécules énergétiques (comme le glucose C6H12O6) donne : - des déchets (CO2, H2O) - disperse de l'énergie Q1 qui augmente l'entropie générale - et met à la disposition de la cellule un travail potentiel W - Le couplage du catabolisme avec l'anabolisme utilise ce travail W : - pour la synthèse de molécules unité à partir de source minérale (N, S) ou organique (C). Cette synthèse engendre une déperdition de chaleur Q2 qui augment l'entropie - puis la synthèse de macromolécules à partir de monomères, ce qui engendre une déperdition de chaleur Q3 (augmente encore l'entropie) - il y a donc couplage de réactions exergoniques (G<0) avec des réactions endergonqiues (G>0) - La complexification d'un organisme (sa croissance et sa reproduction), si elle semble aller vers une augmentation de l'ordre du système, participe cependant à l'augmentation de l'entropie (dispersion de Q1+Q2+Q3; le 2ème principe n'est pas bafoué!). Sans apport d'énergie externe, il y a mort du système biologique (et déperdition de toute l'énergie potentielle du système avec encore augmentation de l'entropie de l'environnement) b) Mécanismes du couplage b1) Couplage en parallèle - Principe (dans les conditions molaires standards, à pH=7, la variation d'enthalpie libre apparente est notée rG0') : - A donne B + 1G0'<0 (réaction spontanée, du catabolisme) - C donne D + 2G0'>0 (réaction non spontanée, de l'anabolisme) - si 1G0' + 2G0' = G0' <0, alors la réaction 2 sera possible - Exemple : - A serait ATP (cosubstrat) + H2O; B serait ADP et rG10'= -30,5 kJmol-1 - C serait F6P, D serait F1-6diP avec rG20'= +16.3 kJmol-1 - Bilan : rG0'= -14.2 kJmol-1 b2) Couplage en série - Principe : dans une chaîne métabolique, un maillon peut avoir une réaction avec G>0 si un autre maillon réalise une réaction avec G<<0 : on parle "d'aspiration" thermodynamique - Exemple des étapes de la glycolyse : - la scission (par une aldolase) du F1-6diP et sa conversion en GlycéraldéhydeP (par une isomérase) à un rG0' = 23 kJmol-1 - ensuite, 2 molécules d'ac.1-3diPglycérique donnent 2 ac.3Pglycériques, réaction dont le rG0' = -24 kJmol-1 (fois 2!) B. Mécanismes de transferts et de conversions d'énergie 1- Réactions chimiques cellulaires irréversibles a) Pour des réactions simples (d'ordre 1), rG0 est fonction de Keq (ou K0 :constante d'équilibre de la réaction) A donne réversiblement B - rG = rG 0 + RT ln ([B]/[A]) avec R : constante des gaz parfaits, T, température absolue du système - avec rG 0 : variation d'enthalpie libre standard apparente de réaction molaire - A l'équilibre (aboutissement complet de la réaction) rG = 0 d'où : rG 0 = -RTln K0 = -2,3 RT log K0 = -5,7 103log K0 (à T=25°C) - Facilement estimable en laboratoire - Représente "la force qui pousse le système vers l'équilibre" quand on part de concentrations en réactifs et en produits molaires (1 mol L-1) b) rG 0 Permet de prévoir grossièrement le sens de la réaction - quand on est dans conditions standard et proche des concentrations molaires - si rG 0 <0 : sens spontané de formation des produits - si rG 0 >0 : sens spontané de formation à partir des produits c) Le sens prévu peut être différent du sens réel quand les concentrations s'éloignent des concentrations molaires - Exemple numérique où G0 = -5,7 kJmol-1 - si [A] = 10 molL-1 et si [B]= 0,1 molL-1 alors rG = rG 0 + 5,7 log (0,1/10) (en kJmol-1) rG = -17,1 kJmol-1 : la réaction est spontanée dans le sens A donne B - si [A] = 0,1 molL-1 et si [B]= 10 molL-1 alors rG = rG 0 + 5,7 log (100) rG = +5,7 kJmolL-1 : la réaction est spontanée dans le sens B donne A d) Notion de réaction cellulaire irréversible - On considère que, dans la cellule, la réaction n'a lieu que dans un seul sens pour rG 0 <<0 (<-15 kJmol-1 ) - Si rG 0 proche de 0 kJmol-1 , c'est rG qui détermine le sens de la réaction dans la cellule (tiré dans un sens ou dans l'autre en fonction de a loi d'action de masse) - Exemple : dans le muscle, - l'hexokinase catalyse la première étape de la glycolyse : Glucose + ATP donne G6P + ADP avec rG 0 = -20,9 kJmol-1 - puis seconde étape catalysée par isomérase : G6P donne réversiblement F6P avec rG 0 = +2,2 kJmol-1 - les concentrations cellulaires en condition normales sont proche de 2,5 fois plus de G6P que de F6P soit F6P/G6P = 1/2,43 - alors si G6P double ou si F6P est utilisé pour moitié, on aura F/G=1/8 d'où rG <0 et formation de F6P - inversement, si G6P diminue ou si F est moins utilisé, on aura F/G=2/2 d'où rG >0 et formation de G6P6P 2- Transferts membranaires de solutés (sans transformation chimique) - Dans la cellule, les solutés sont très dilués dans l'eau - On étudie les transferts d'un compartiment n°1 à un autre n°2 (passage de membranes), sans transformation chimique a) Transfert de molécules non chargées - Dans ce cas, on a : rG = µ - Le potentiel chimique µ du soluté S est une fonction d'état qui, dans le cas des solutés très dilués, s'exprime : [qui s'exprime en fonction de l'activité a du composant avec : a = S . xS où S est le coefficient d'activité de S et xS la fraction molaire - Quand S est très dilué, S =1 et a = [S]/c° (c° = 1 molL-1)d'où : ] µ = µ° + RT ln [S] donc rG = µ = RT ln ([S2]/[S1]) - Si [S1]>[S2] alors G <0 et le passage se fera spontanément du compartiment 1 vers le compartiment 2 - Si [S2]>[S1] alors G >0 et le passage se fera spontanément du compartiment 2 vers le compartiment 1 - Le transport spontané de matière s'appelle la diffusion et se fait dans le sens des concentrations décroissantes - Un transport qui correspond à un transformation endergonique (rG >0) nécessite un couplage avec une réaction exergonique (G <0) : c'est un transport actif b) Transfert de molécules chargées : cas des ions - Le transfert d'ions s'accompagne alors de mouvements de charges électriques - µ exprime alors le potentiel électrochimique de l'ion : µ = µ° + RT ln [ion] + zFE - où z est le nombre de charge de l'espèce ionique - F est la constante de Faraday = 96,5 103 Cmol-1 - E est le potentiel électrique (en V) N.B. : des Coulombs par des Volt donnent de l'énergie notée en kJmol-1 rG = µ = RT ln ([ion2]/[ion1]) + zFE - Le transfert est spontané dans le sens des potentiels électrochimiques décroissants µ1>µ2 - Le transfert d'ions s'arrête quand rG = 0 : différence de potentiel électrique E = E2 - E1 compense la différence de concentrations 3- Transferts d'énergie par transporteurs utilisant des oxydo-réductions a) Notion de système REDOX, de chaîne de transfert d'énergie et de monnaie énergétique - Rappel : les autotrophes photosynthétiques obtiennent leur énergie à partir d'énergie externe lumineuse; les autres autotrophes (bactéries chimiosynthétiques) et les hétérotrophes obtiennent leur énergie par oxydation de matière (minérale comme H2S, NH3, HNO2 etc. ou organique). - L'oxydation à un rG°' <0 et correspond à : - une fixation d'O : ex. RSO3H + 1/2 O2 donne RSO4 + H+ + e- un départ d'H+ (déshydrogénation) - une perte d'électron e- : Fe2+ donne Fe3+ - Dans les cellules, une oxydation (d'une molécule réductrice par une molécule oxydante) est couplée à la réduction d'un accepteur d'e- et de H+ : on parle de système d'oxydo-réduction ou système REDOX. - Les e- aboutissent à un accepteur final (molécule ultraoxydante comme NAD+ ou NADP+ ou FAD+, qui prennent en charge des protons sous forme de NADH+H+, NADPH+H+ ou FADH2). L'accepteur d'e- et/ou d'H+ est considéré comme le pouvoir réducteur (susceptible d'une ultime réduction) - Les transformations couplées ont des G différents. Le couplage est d'autant moins efficace que la différence est grande (fortes pertes entropiques) - Un transfert d'énergie en une seule étape est moins rentable énergétiquement qu'un transfert par paliers i.e. un plus grand nombre de réactions (notion de chaîne de transfert) avec, à chaque étape, couplage permettant la synthèse d'une molécule de niveau énergétique intermédiaire qui pourra servir de petite monnaie énergétique b) Transferts d'électrons et potentiel REDOX - Notion de Potentiel REDOX d'un composé : - Soit une molécule n°1 réduite (susceptible d'être oxydée i.e de perdre des e-, dans un état R1) qui correspond à la réaction suivante : R1 donne réversiblement Ox1 + necaractérisée par un potentiel REDOX normal E°1 (ou encore nommé potentiel standard d'électrode, exprimé en Volt, mesuré par un potentiomètre qui mesure le voltage juste nécessaire pour contrer le flux d'e- entre les électrodes de Pt) E = E0 + RT/nF ln [Ox]/[Red] (formule de Nernst) - E° est le potentiel REDOX normal i.e mesuré par rapport à une électrode à hydrogène de référence dont E0 = 0 pour la réaction suivante : H+ + e- donne 1/2 H2 - E°' est le "potentiel standard d'électrode apparent" mesuré à pH = 7 pour lequel E°' = -0,42V - Les e- ne sont pas libres dans la solution : ils doivent être pris en charge par une molécule oxydante : une molécule n°2 oxydante (susceptible d'être réduite i.e de prendre en charge des e-, dans un état Ox2) caractérisée par un potentiel REDOX normal E°2 Ox2 + ne- donne réversiblement R2 - Si les deux composés sont mis en présence, ils forment un couple REDOX . Les e- vont spontanément du composé le plus réducteur au composé le moins réducteur donc le plus oxydant ici. - Notion de Pouvoir réducteur d'un composé - Le pouvoir réducteur du composé 1 est supérieur à celui du composé 2. or E°2>E°1 donc plus un potentiel normal d'électrode est faible, plus son pouvoir réducteur est grand E°>0 ici - Le potentiel REDOX est caractéristique de l'affinité du composé pour les e-. - Couple REDOX et potentiel REDOX d'une réaction : - le couple REDOX de la réaction d'oxydoréduction suivante : R1 + Ox2 donne réversiblement Ox1 + R2 est caractérisé par son potentiel REDOX E° = E°2 - E°1 avec E° = RT/nF ln ([Ox1] [Red2]/Red1] [Ox2]) donc E° = - rG°/nF et rG° = - nFE° = -96.5 E° pour une mole d'électron (s'exprime en electron volt eV) - Exemple : - cytochrome b E1 = 0,075 V réducteur : perd des e- (cytbFe2+donne cytbFe3+ + 1e-) et - cytochrome c E2 = 0,255 V oxydant : prend en charge des e- (cytcFe3+ + 1 e- donne cytcFe2+) - E°' = E2 - E1 = 0,18 V c) Le transfert d'e- se fait dans le sens des Potentiels REDOX croissants rG°' = - n F E°' - avec n : nombre de mole d'e- transférés par mole de molécule - et F = 96,5 kJV-1mol-1 i.e. qu'une mole de e- remontant 1 Volt libère 96,5 kJ Lors d'une réaction spontanée rG °' <0), on a E°' >0 i.e. E2 > E1 : le transfert d'e- se fait dans le sens des Potentiels REDOX croissants - Exemple des cytochromes b et c : E°' = E2 - E1 = 0,18 V >0; le transfert d'e- se fait de cyt b vers cyt c - N.B : principaux couples REDOX - le plus oxydant cède en premier ses e- et est couplé à un mauvais réducteur c'est le couple : O2 /H2O - Le moins bon oxydant est le NAD+ est couplé au meilleur réducteur (accepteur final des e-) NADH + H+ (dans le cytoplasme et les mitochondries et le NADP+ couplé au NADPH + H+ dans chloroplastes puis FAD couplé à FADH2) - NAD et FAD sont des cosubstrats de déshydrogénases peu lié ou groupement prosthétique lié à His - NAD réduit fonction hydroxyle C-OH en carbonyle C=O - FAD forme des doubles liaisons par prise en charge de 2H 4- Rôle central de l'ATP et transferts d'énergie par phosphorylations oxydatives a) L'ATP est une molécule à haut potentiel énergétique - Structure de l'Adénosine triphosphate : Adénine + Ribose + 3 Phosphate (4 charges - qui ont tendance à se repousser, les e- sont sur des orbitales élevées) reployé autours de Mg2+ (structure confirmée par spectrographie aux RX) - Possède des liaisons phospodiester à haut potentiel d'hydrolyse : dites "à haute énergie" - Ces liaisons covalentes sont stables dans la cellule : leur hydrolyse nécessite une action enzymatique (Ea élevé) -1 ATP + H2O donne ADP + Pi (HPO42-) + H+ avec rG°' = -30,5 kJmol -1 (avec H au calorimètre = 54.5 kJmol -1 soit une perte entropique de 24 kJmol ; -1 sans Mg2+ rG°' = 20 kJmol ) -1 ATP + H2O donne AMP + PPi (pyrophosphate) + H+ avec rG°' = -42 kJmol b) L'ATP a une position énergétiques intermédiaire dans la cellule - Phosphoénolpyruvate/Pyruvate rG°' = -62 kJmol-1 - Acide 1-3 diphosphoglycériqueAc 3 PGly rG°' = -42.5 kJmol-1 - Créatine Phosphate/Créatine rG°' = -42.5 kJmol-1 - Acétyl coenzymeA/CoA rG°' = -32 kJmol-1 - ATP/ADP ou ADP/AMP rG°' = -30.5 kJmol-1 - Glucose1P/Glucose rG°' = -21 kJmol-1 - Glucose6P/Glucose rG°' = -14 kJmol-1 - AMP/Adénosine rG°' = -12.5 kJmol-1 c) L’ATP restitue l’énergie en participant au métabolisme c1) L’ATP : intermédiaire entre anabolisme et catabolisme Exemples de formation de liaisons : - liaison peptidique : rG°' = -16.7 kJmol-1 - liaison glycosidique : rG°' = -16.7 kJmol-1 - liaison phosphodiesternucléotide : rG°' = -16.7 kJmol-1 c2) L'ATP transfert des groupes phosphorylés - se fait dans le sens des potentiels d'hydrolyse croissants - ATP + X donne ADP + XP - ATP + X donne AMP + XPP - ATP + X donne AMPX + PP c3) Seul l'ATP est régénéré directement à la source (photosynthèse, glycolyse) - L'ATP peut être régénéré à partir d'ADP + Pi grâce à ATP synthétase qui fournit plus de 106 molécules par seconde mais dont rG°' >30,5 kJmol-1 - L'ATP peut également être indirectement régénéré à partir d'AMP + ATP qui donne 2 ADP II. Ex. d'anabolisme de molécule énergétique : la Photosynthèse Principe de la photosynthèse a) Les échanges gazeux nutritifs sont à l'inverse des échanges respiratoires - Définition des échanges gazeux nutritifs : permettent la croissance des organismes autotrophes à partir de matière carbonée minérale CO2 et d'énergie, lumineuse chez les photosynthétiques (plantes vertes et bactéries chlorophylliennes) - Aspect qualitatif des échanges gazeux nutritifs : absorption de CO2 et rejet de O2 nécessitant de la lumière - Conséquences directe de la photosynthèse : apparition d'amidon dans les chloroplastes, circulation de saccharose dans la sève élaborée b) Les pigments chlorophylliens absorbent dans le bleu et le rouge - Pigment caractéristique des plantes vertes - Absorbe les radiations dans le bleu et le rouge ce qui lui donne sa couleur verte - Problème : est-ce que cette molécule absorbe l'énergie correspondante? c) Bilan apparent de la photosynthèse - En première analyse, la photosynthèse serait : - une capture de l'énergie du rayonnement solaire et - son stockage sous forme de composés chimiques (type amidon) ayant une énergie potentielle 6 H2O (entrant au niveau des racines par osmose : suit les potentiels hydriques de plus en plus négatifs) + 6 CO2 (absorbé par les stomates des feuilles et à travers la cuticule, circule entre les méats dans toute la mésophylle) donnent en présence de chlorophylle des thylakoïdes des chloroplastes et de photons de haute énergie (h >675 kcal) 6 O2 émises par les feuilles (au niveau des stomates) + C6H12O6 (puis saccharose remis en circulation ou amidon stocké dans les chloroplastes) d) Une des étape de la photosynthèse ne nécessite pas de lumière - Méthode d'étude : Etude du rendement : CO2 assimilé/énergie absorbée, en lumière intermittente (disque percé tournant à grande vitesse) - Résultats : le rendement est maximum pour - des éclairs de 10-5s - séparés par des périodes obscures de 2.10-2s. Il n'est pas rentable d'augmenter la durée d'éclairement (10-4s) - Interprétation : Il existe donc 2 phases distinctes de la photosynthèse : - une phase qui nécessite de la lumière (anciennement appelée phase lumineuse) - une phase qui ne nécessite pas de lumière (anciennement appelée phase obscure) A. Première phase de la photosynthèse : convertion de l'énergie lumineuse en énergie chimique (dans les membranes de thylakoïdes) 1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs d'énergie photonique a) Mise en évidence de l'intervention des pigments chlorophylliens - Diversité des spectres d'absorption des pigments végétaux : chlorophylles a, b, caroténoïdes etc. - Chlorophylle "a" la plus répandue chez les végétaux; absorbe dans = 430 et 680 nm - Phycoérythrine et phycocyanine chez les cyanobactéries absorbent dans = 540 et 630 nm - Comparaison du spectre d'absorption et de l'intensité photosynthétique - L'énergie utilisée par la photosynthèse est celle captée par les chlorophylles (on a répondu à la question du début) - Par contre, pas de superposition avec les spectres des autres pigments : problème = les autres pigments n'interviendraient pas? b) Notion d'énergie photonique b1) Notion de photon : - est un quantum d'énergie porté par une onde électromagnétique - a pour origine les réactions thermonucléaires solaires : 4H donnent He + 2e- + h - l'énergie du photon W = h = h c/ - avec c = 3.108 ms-1 et - h = constante de Planck = 6.62.10-34 Js (donc hc=19.8 10-26) - Dans le bleu = 430 nm; W = 280 kJmol-1 = 2.9 eV - Dans le rouge = 660 nm ; W = 180 k Jmol-1 = 1.9 eV - rG°' = - 96.5 E'° s'exprime en électron Volt (eV) b2) Conversion d'énergie photonique en énergie électronique au niveau d'un atome donneur (ex. la chlorophylle a) - L'atome excité subit diverses modifications telles que : - modification des distances atomiques - augmentation de l'énergie rotative des électrons - augmentation des l'énergie vibratoire - Ces modifications conduisent à des pertes thermiques [- L'électron possède de l'énergie E = a - b/2r avec r : rayon de l'orbite de Bohr, discontinue - Un atome est activé par changement d'orbite d'un e- Au repos, l'atome a le niveau énergétique stable le plus bas possible : c'est l'état fondamental - Excité par un photon, l'électron change d'orbite et passe dans un nouvel état : - état singulet excité instable (en 10-5 s); l'électron revient sur son orbite (en 104 s) en restituant l'énergie sous forme de chaleur ou de fluorescence dans une longueur d'onde supérieure (énergie moindre : avec h'<h Etude du spectre de fluorescence de la chlorophylle a en solution dans l'éther : fluorescence dans le rouge sombre ( = 670 nm = 1.7 eV = 164 kJ) quelque soit le photon activateur (rouge ou bleu de plus haute énergie donc le rouge est plus économique) - état triplet excité métastable; le retour à l'état fondamental se fait en un temps plus long (10-4 à 10-3 s). Le retour s'effectue par phosphorescence dans une longueur d'onde supérieure (énergie moindre : avec h''<h'ou par transfert d'énergie sur un accepteur : c'est la photosensibilisation b3) La photosensibilisation permet l'utilisation de l'énergie électronique dans des réactions chimiques - L'énergie restituée pour une conversion externe est de 1.35 eV in vitro mais de 1 eV seulement in vivo 2- Les photosystèmes : lieu de la conversion de l'énergie externe en énergie électronique a) L'antenne collectrice de photons permet, par photosensiblisation de la chlorophylle a, le départ d'un électron a1) Mise en évidence d'une synergie entre photons de longueurs d'ondes différentes : Effet Emerson - Expérience : on applique à des chlorelles (algue unicellulaire ayant un seul chloroplaste riche en chlorophylle b) des quantités d'énergie lumineuses telles que : - en éclairement à 700 nm on obtient une intensité I - en éclairement à 650 nm on obtient la même intensité I - Si on applique 50% de l'éclairement en 700 nm et 50% en 650 nm, on obtient une intensité photosynthétique I'>>I - Interprétation : - Le mélange des longueurs d'ondes est plus efficace : il existe une synergie entre petites et grandes longueurs d'ondes du rouge - Cet effet Emerson traduit l'existence de 2 photorécepteurs (appelées PSI et PSII) couplés a2) Il existe 2 types de photosystèmes - L'étude des agglomérats des membranes de thylakoïdes et par isolement des complexes (par détergents) on a trouvé PSI et PSII - PSI est le seul présent chez les bactéries (le plus fondamental); il est constitué de : - 1 chlorophylle a absorbant à 700 nm (longueur d'onde maximale du système) - 200 chlorophylles a absorbant à 680 nm - 20 chlorophylles a absorbant 670 nm - Chlorophylles b absorbant à 650 nm , plastocyanines et cytochrome F - PSII est constitué de : - 1 chlorophylle a absorbant à 680 nm (longueur d'onde maximale du système) - 120 chlorophylles a absorbant à 660 nm - 120 chlorophylles b absorbant 650 nm - Carotène, plastoquinones et manganèse Mn2+ a3) Photosensibilisation de la Chla680 - Etude des spectres de fluorescence des pigments en solution dans l'ether : - La chlb éclairée à 450 nm fluoresce à 650 nm. - La chla éclairée à 450 nm fluoresce à 670 nm. - Si on associe Chla + chlb, éclairées à 450 elles fluorescent uniquement à 670 nm, longueur d'onde de fluo. de la chla. - On en conclue que chlb peut transmettre l'énergie qu'elle absorbe à chla - ceci est possible du fait que la fluo. de chlb se fait dans la longueur d'onde d'absorption de chla. - Etude 3D de l'antenne collectrice de photons : - les molécules pigmentaires associées à des lipoprotéines sont très proches au sein d'un photosystème - La transmission d'énergie se fait par un phénomène de résonance extrêmement rapide (10-10 s) qui concerne l'état singulet : le rendement énergétique est très élevé (95%) - Structure de la chl a favorable au départ d'un électron : - nombreuses liaisons c=c conjuguées du noyau tétrapyrrol (et chaine phytol) - donc nombreux électrons facilement arrachables (entrent facilement en vibration) - l'électron arraché est pris en charge par un accepteur - La chl a récupère un électron inactivé venant d'un donneur D en 10-9 s. L'écart de temps entre la restitution d'un e- par D et la durée du phénomène de résonance (10-10 s) permet une fluorescence entropique b) Le donneur d'électrons est l'eau; l'accepteur est une quinone ou du Fer (sel ferrique Fe3+) b1) Mee d'un dégagement artificiel d'O 2 sur des fragments de thylakoïdes : Réaction de Hill (1937) - Expérience : des chloroplastes isolés ou des fragments de thylakoïdes exposés à la lumière en absence de CO2 mais un présence d'un oxydant (sel ferrique Fe3+ou quinone) montrent un dégagement d'O2 (mis en évidence par oxymétrie ou ajout d'Hb qui devient HbO2 suivi en spectroscopie) b2) L'O2 dégagé provient de l'eau : exp. A H 218O de Ruben et Kramen (1941) - Expérience : cultures d'algues vertes en présence d'eau marquée à 18O. L'O2 dégagée est à 18 O - Interprétation : il y a oxydation photochimique de l'eau b3) Bilan de la photolyse de l'eau: - La molécules d'eau est lysée par aspiration thermodynamique grâce à l'arrachage d'électrons de la chlorophylle a 680 du PSII (nécessite Mn2+) et de PSI par conversion externe de l'énergie de photons. Les électrons sont pris en charge par un accepteur : une quinone ou un sel ferrique Fe3+ 3- Conversion de l'énergie électronique en énergie chimique : phosphorylations oxydatives et réduction des coenzymes a) La phosphorylation acyclique nécessite les 2 types de photosystèmes - Modélisation selon les potentiels électroniques (Arnon 1954) : image du billard électronique - Principe : - sous l'impulsion d'un photon, un électron remonte 0.9 ou 0.95 eV - spontanément, un électron redescend 0.4 eV - Commentaires : - Le passage de PSII à PSI met 10 ms - Il faut 2 impulsions successives pour atteindre un niveau d'énergie potentielle électronique suffisant pour réduire l'accepteur final : NADP+ - La plastoquinone PQ est un tampon à électrons: elle est 7 fois plus abondante que PSII et peut stocker des électrons si PSI est insuffisant; c'est aussi un véritable transporteur mobile dans la membrane du thylakoïdes (comme l'ubiquinone mitochondriale; cf. cours suivant) qui distribue les électrons aux PSI environnants b) La phosphorylation cyclique : un mécanisme primitif - Mise en évidence expérimentale : on utilise un inhibiteur de la Quinone : le DCMU - Physiologiquement : elle a lieu quand le PSII est bloqué (en absence de Mn2+ par ex., ou en milieu réducteur) ou quand le NADP+ n'est pas régénéré - Chez les bactéries photosynthétiques : c'est le seul mécanisme existant; PSI fonctionne avec la bactériochlorophylle b qui absorbe dans les infrarouges (longueur d'onde = 890 nm); le donneur d'électron n'est en général non pas l'eau mais SH2 ou une molécule organique dont les électrons sont transmis au PSI par l'intermédiaire d'un transporteur intracellulaire : un cytochrome c) Modélisation et Bilan énergétique de la 1ère étape de la photosynthèse - Méthodes d'étude : - Par résonance paramagnétique nucléaire, on peut suivre l'état de Mn - Par RMN, on peut suivre les protons en solution - Par spectroscopie optique et diffraction aux RX, on peut suivre les variations de compositions chimiques et d'arrangements 3D des molécules - Modèle 3D : : par Pierre Juliot (1969) - Bilan : - la libération d'une mole d'O2 par phosphorylation acyclique nécessite 4 électrons soit 8 photons; - on obtient 2 ATP et 2 NADPH+H+ (attention : le coenzyme NADP+ doit être recyclé pour permettre à la photosynthèse de se poursuivre dans des conditions normales) - Par phosphorylation cyclique, on peut obtenir des ATP supplémentaires (1 ou 0,5 par photon) disponibles pour la photosynthèse ou le métabolisme B. La deuxième phase de la photosynthèse élabore de la matière organique (carbonée) à partir de CO2 dans le stroma des choloroplastes, sans nécessité de lumière - Rappel du bilan global de la photosyntèse : 6CO2 + 12 H2O + 48 h donnent C6H12O6 + 6O2 + 6H2O - CO2 est une forme très oxydée du C : son utilisation nécessite des réactions endergoniques, à coupler avec des réactions exergoniques : consommation de l'ATP formé durant la première étape de la photosynthèse 1- Mise en évidence d'intermédiaires métaboliques a) Absorption direct du CO2 gazeux : méthode des éclairements brefs - Rappel de la structure d'une feuille - Dans les lacunes des feuilles, le CO2 pourrait se transformer lentement en HCO3- en présence d'eau (vapeur); hors, même pour un éclairement bref, CO2 est très rapidement et abondamment utilisé donc il est accepté directement, sans passer par l'état HCO3-. b) Mise en évidence d'intermédiaires métaboliques : utilisation d'inhibiteurs - L'inhibition de la chaîne métabolique photosynthétique qui participe à la synthèse des glucides bloque la pénétration de CO2 : on en déduit que c'est donc le CO2 qui fournit le C utilisé dans la synthèse de glucides - Certains inhibiteurs spécifiques d'une étape de la chaîne métabolique de synthèse des glucides provoquent l'accumulation de produits "en amont" du maillon bloqué : on peut ainsi connaître les intermédiaires métaboliques (mais pas leur ordre d'apparition) c) Détermination de l'ordre d'apparition des intermédiaires : méthode des marquages courts - Technique : Ruben et Kramen (1941) puis Calvin (1949-1952) - Matériel d'étude : des chlorelles - Principe ; on fournit du CO2 marqué au 14C pendant une durée fixée (comprise entre 1 et 15 s); les produits obtenues pendant cette durée sont fixés chimiquement; on les trie par chromatographie sur papier; par autoradiographie, on repère les produits marqués au 14C pour chaque expérience (1 s, 2s…) : on détermine ainsi l'ordre d'apparition des différents intermédiaires métaboliques - Résultats : Le premier produit formé est l'ac3Pglycérique (une molécule en C3) à partir de ribulose1-5biP (une molécule en C5) 2- Le cycle de CALVIN : obtention de glucides par réduction du CO2 et utilisation de l'énergie chimique de la première phase photosynthétique a) Cycle simplifié - cycle simplifié : Ribulose1-5diP + CO2 donne 2 acides3Pglycériques qui seront phosphorylés par 2 ATP en ac1-3diPglycériques puis réduits par 2 NADPH2 en 2 triosesP : Glycéraldéhyde3P et DihydroxyacétoneP - Dans la réalité : succession de 3 cycles avec des intermédiaires en C3, C5, C7 etc. b) Le cycle de Calvin : plaque tournante du métabolisme - Synthèse d'acides aminées à partir d'acide3Pglycérique, par incorporation d'azote minéral provenant de la sève brute (nitrates) - Synthèse de lipides : d'acides gras à partir de l'ac3Pglycérique; de glycérol à partir de triosesP - Synthèse de glucides : sous forme de saccharose circulant ou d'amidon stocké directement dans les CP. Peut éventuellement fonctionner en surgénérateur en constituant d'avantage de RudiP en cas de fort ensoleillement c) La photorespiration : dérivatif des plantes en C3 La RUBISCO peut fonctionner soit en carboxylase, soir en oxygénase (fonctions des pressions partielles en O2). En cas de forte présence d'O2, il y a compétition et la RUBISCO devient Oxygénase. Le cycle de Calvin est alors détourné vers la photorespiration cf. schéma d) Cas des plantes en C4 - Chez certaines monocotylédones (ex poacées) l'organisation de la feuille est différente de celles des dicotylédones : on n'observe qu'un seul type de parenchyme (pas de parenchyme palissadique) et des stomates sur les deux faces (pas de dissymétrie dorso-ventrale). Une couche de cellules dite "gaine" périvasculaire (cf. TP de botanique en fin d'année) est nettement visible autours des veines. A ce niveau, un stockage temporaire du CO2 est possible : - incorporation du CO2 la nuit quand la température est douce et que les stomates sont ouverts. Stockage sous forme de malate (molécule en C4!). - De jour, les stomates se ferment quand la température externe augmente. Le fort ensoleillement est alors favorable à la photosynthèse qui se fait à partir du malate. Les stomates étant fermés, il n'y a pas de compétition avec l'O2 donc pas de photorespiration. - Le rendement photosynthétique des plantes en C4 est donc supérieur à celui des plantes en C3. C. Bilan de la photosynthèse - Le cycle de CALVIN correspond à une réduction du CO2 par l'hydrogène provenant de l'eau (hydrolyse de l'eau favorisée par la première phase de la photosynthèse) - Compartimentation des CP est fonctionnement photosynthétique : - Membrane interne des saccules imperméable à H+; ATP, NADP - Membrane interne permet des échanges choisis : TrioseP et Pi par navette (antiport) - BILAN GLOBAL de la photosynthèse : - calculs très approximatifs dans les conditions in-vivo - On considère que la 1ère étape de la photosynthèse nécessite, pour obtenir 2 moles ATP et 2 moles NADPH2 : - Pour la phosphorylation acyclique, il faut : 4 photons au niveau du PSII (dans le bleu, chaque photon fournit 280 kJmol-1 soit 1120 kJ) et 4 photons au niveau du PSI (dans le rouge, chaque mole de photon fournit 180 kJ soit 720 kJmol-1). Au total : 1840 kJmol-1 (- Pour la phosphorylation cyclique, il faut 2 photons rouges fournissant 360 kJmol-1) - L'utilisation de 2 moles d'ATP et 2 moles de NADPH2 au cours de la 2ème étape de la photosynthèse permet l'incorporation d'un CO2; hors il faut 3 moles de CO2 pour une mole de trioseP soit 1/ mole de Glucose. Donc 2 moles d'ATP et 2 moles de NADPH2 permettent l'élaboration d'une mole de CHOH soit 1/6 de mole de Glucose dont l'énergie libre est 2820 kJmol - Le rendement de la photosynthèse est donc : - de (2820/6) / 1840 x 100 = 26% - Dans les conditions cellulaires, le rendement doit être d'environ 30% vis à vis de l'énergie solaire reçue par les photosystèmes - Vis à vis de l'énergie solaire reçue à la surface des feuilles : - 10% sont réfléchis - 27% sont transmis - 63% sont absorbés dont : - 17% de rayonnement thermique - 45% en transpiration - 1% pour la photosynthèse - donc 0.3% de l'énergie solaire est exploité directement! - Devenir des triosesP issus de la photosynthèse : - Glucose utilisé dans le hyaloplasme pour fournir ATP dans mitochondries - Ac3Pglycérique utilisé comme matière première aa, lipides - Evacués sous forme de saccharose (non réducteur) : distribués dans le végétal vers organes puits = croissance (taille ou nombre d'organes) ou réserves (graines, tubercules etc.) III. Ex. de catabolisme d'une molécule énergétique : le Glucose A. 1ère étape : glycolyse anaérobie dans le hyaloplasme 1- Entrée dans la glycolyse par formation de G6P a) Le G6P : carrefour métabolique obtenu à partir de Glucose ou de glycogène - G6P non dialysable : bloqué dans la cellule - Voie des pentoses (formation des acides nucléiques, des coenzymes, des noyaux benzéniques...) / sécrétion de glucose (déphosphorylation sans formation d'ATP!) / réserves de glycogène (par glycogène synthétase) / glycolyse b) Les enzymes orientent le sens des réactions par leur spécificité de substrat - A partir du glycogène : - Phosphorylase catalyse formation de G1P en présence de Pi. (Mutase le transfore en G6P) - Glycogène synthétase catalyse la réaction inverse - A partir de Glucose : - Hexokinase (muscle et foie) ou - glucokinase (foie) - catalysent formation de G6P (G'° = + 13.8 kJmol-1) par hydrolyse de l'ATP (G'° = 30.5 kJmol-1 : phase d'investissement) - Phosphatase du foie déphosphoryle G1P (ne produit pas d'ATP) 2- La glycolyse fournit de l'ATP et du pyruvate par réduction des coenzymes a) Mise en place et hydrolyse de liaisons phosphoester riches en énergie a1) Phase d'investissement : phosphorylations du substrat et mise en place de liaisons P - G1P (par phosphorylase à partir du glycogène)ou (par mutase G'° = - 7.3 kJmol-1 ) G6P (par hexokinase des muscles ou glucokinase du foie); - F16dP (F6P donne F16dP : G'° = + 16.3 kJmol-1; couplé avec utilisation de l'ATP G'° = + 30.5 kJmol-1 ; total G'° = - 14.2 kJmol-1); - ac1-3diPglycérique (13BPG) : par deshydrogénase à cofacteur à NAD+ + Pi a2) Formation d'ATP par couplage avec l'hydrolyse des liaisons énergétiques - 2 ac3Pglycérique + 2ATP; aspirateur thermodynamique de la scission du F16dP - 2 ac Pyruvique (Pyruvate) + 2 ATP (à partir d'ac2Phosphoenolpyruvique ou 2 PEP); ; aspirateur thermodynamique de la scission du F16dP b) Réduction du NAD+ (accepteur d'e- et de H+) - TrioseP donnent 1,3BPG (G'° = - 4.2 kJmol-1 ) c) Bilan de la glycolyse anaérobie c1) voie énergétique : - Exploiter Pyruvate - 4 –2 = +2 ATP c2) voie constructive ne fournissant pas d'ATP - Lipides : à partir d'ac Pglycérique - Protides : à partir de Pyr donne Ala; à partir de PEP donne Tryp, Tyr, Phé - Glucides à partir de G6P donne Glycogène, amidon, cellulose; à partir de G6P oxydé donne pentoses (nucléotides) 3- Contrôle de la glycolyse Notion de régulation (d'un paramètre physicochimique avec seuil) / contrôle (peut prendre le pas sur le fonctionnement d'une cellule au bénéfice de l'organisme) a) Contrôle de la glycolyse par facteurs cytoplasmiques a1) [Glu] - Si Glu extracellulaire augmente [Glu intracellulaire initial] augmente donc [G6P] augmente ce qui favorise l'entrée dans la glycolyse dans les cellules du foie par action de glucokinase (dans les autres tissus, hexokinase travail à vmax) puis la glycogénogenése a2) Pi - Si Pi augmente, favorise formation de G1P à partir de Glycogène ce qui favorise un peu glycolyse et beaucoup sécrétion de glucose par le foie (par inhibition de glucokinase par Pi ?) - Si Pi augmente, favorise également formation de 1,3-BPG par deshydrogénase a3) Le rapport ATP/AMP joue essentiellement sur le rapport F6P/F16dP - Si ATP augmente, inhibe fructokinase qui transforma F6P en F16dP d'une part, et active F16dPhosphatase d'autre part ce qui favorise formation de F6P - Si AMP augmente; inhibe F16dPhosphatase d'une part et active fructokinase d'autre part ce qui favorise formation de F16dP a4) O2 - Par oxydation de la deshydrogénase, l'inhibe - Favorise amorce de la voie des pentose à partir de G6P ce qui détourne la glycolyse ce qui évite engorgement des mitochondries indirectement (voies aérobie issues de la glycolyse : respiration aérobie par utilisation de Pyr dans les mito) - Favorise respiration mitochondriale ce qui tire Pyr (aspire indirectement glycolyse) b) Contrôle de la glycolyse par facteurs hormonaux b1) Insuline - hormone peptidique 51 aa synthétisée par îlots de Langerhans (à partir de prosinsuline reployée et stabilisée par ponts dissulfure puis clivée en deux chaines de 21 et 30 aa) - augmente perméabilité cellulaire à Glucose et Galactose donc augmente [Gluinitiales] ce qui augmente G6P ce qui favorise glycolyse; de plus, lève inhibitions sur hexokinase - active glycogène synthétase dans tous les tissus (foie et muscle) b2) Adrénaline et Glucagon - Rappel Adrénaline : hormone synthétisée par medullosurrénale; agit sur muscle, foie et tous les tissus - Rappel glucagon : hormone peptidique synthétisée par îlots de Langerhans; n'agit pas sur les muscles mais pas sur le foie - Active adénylatecyclase qui transforme ATP en AMPc capable d'activer Protéine kinase qui inhibe la glycogène synthétase et active la glycogène phosphorylase, par phosphorylations donc favorise glycolyse et sécrétion de glucose B. Voies issues de la glycolyse : fermentations ou respiration mitochondriale 1- Fermentations a) Fermentation lactique dans les muscles : un gaspillage énergétique qui permet de réoxyder les coenzymes - Pyr donne lactate par lactate déshydrogénase (C=O donne C-HOH) cf. TP enzymo - lactateH'° = - 217,4 kJmol-1 - Rendement apparent bon : 2 ATP/2 lactates = 31/217 = 25%; en réalité, lactate pas utilisé par les cellules (lésions, coagulation, raideurs); partiellement réutilisé dans le foie. Rendement réel = 61/2821 = 2% = gaspillage - Certaines bactéries lactiques ne fonctionnent que comme cela. Ex. : Lactobacille, qui coagule la caséine b) Fermentations alcooliques chez levures et bactéries - Pyr donne acétaldéhyde + CO2 en présence de H+ par décarboxylase puis donne éthanol (CH3CH2OH) par deshydrogénase, enzymes absentes des cellules animales - Fermentation anaérobie stricte chez E. Coli (symbiote) et parasites (Ascaris, Nématodes) - Fermentation anaérobie facultative : vie ralentie des levures (Pain) et moisissures (Mucor), hématies nuclées des vers inf, ovocytes d'oiseau avant fécondation 2- Entrée dans le cycle de Krebs : Formation d'acétylCoA à partir de Pyruvate et réduction des coenzymes a) Apoenzymes à cofacteurs - par un complexe multienzymatique matriciel : - E1 décarboxylase à cofacteur thiamine PP (vit B1), - E2 transacétylase à cofacteur coenzyme A (Adénine-ribose-pp-vit pantothénique- NHCH2-CH2-SH provenant de la cystéine), - E3 deshydrogénase à cofacteur FAD (Adénine- ribose- PP- ribitol-Flavine = vit B2) b) Bilan - Rejet CO2 - Formation de FADH2 donnant NADH2 - Formation de liaison thioester de l'acétylCoA riche en énergie G'° = - 31.8 kJmol-1 [c) Régulation Pas au programme - Formation de FADH2 G°'= + 26kJmol-1 aspiré thermodynamiquement par rupture de liaisons acétylCoA G'° = - 32 kJmol-1 - Activation hormonale de E1 par insuline qui lève inactivation de la carboxylase - Inhibition par encombrement : saturation en NADH2 et AcétylcoA (NAD+ et CoA ne sont plus disponibles)] 3- Le cycle de Krebs : Formation d'ATP par décarboxylations et réduction des coenzymes a) Principales étapes du cycle de Krebs: - Entrée dans le cycle par rupture de liaison thioester - Succession de décarboxylations et deshydrogénations permet destruction totale de l'acide acétique - Permet également dégradation des acides gras et aa +b) Régulation du cycle de Krebs - Par rétroinhibition allostériques - Par manque de NAD ou CoA c) Bilan - 1er temps (entrée dans le cycle) : 2 CO2 + 2 NADH2 - 2ème temps : 4 CO2 + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 ATP 4- Phosphorylations oxydatives et réoxydation des coenzymes dans la membrane interne des mitochondries a) Mee expérimentale des transporteurs d'e- et de flux de H+ - ultrasons : vésicules mitochondriales étranglées à pH cavitaire acide - Disposition asymétrique de complexes supramoléculaires (complexes I à IV) - couplage cytochrome/complexe IV par incorporation aléatoire dans bicouche de vésicule lipidique : seule la position cyto externe/efflux de protons est fonctionnelle (sinon, pas d'efflux de proton) - L'état oxydé/réduit des cytochromes est suivie par étude du spectre d'absorption (3 pics pour forme réduite, un seul pour forme oxydée) - Importance de la fluidité membranaire - Conséquences du gradient de H+ : ddp = 150 mV: pH intermembranaire = 1 ou 2 - Etude expérimentale du fonctionnement de l'ATPsynthétase ou ATPase : oligomycine ferme Fo transmembranire; DNP (dinitrophénol) = protonophore découple ATPase (cf ionophores à H+ des mito des tissus adipeux bruns des hibernants) b) Modéle énergétique : transfert d'e- selon les potentiels croissants - Diagramme - Bilan :3 ATP pour 2 e- soit pour 1 NADH,H+ c) Modèle membranaire et théorie chimiosmotique d) Bilan et Rendement - Glycolyse = - 2 ATP + 4 ATP + 2 NADH2 transformés en 2 FADH2 par complexe II (Membrane des mito imperméable à NADH2) - Krebs : 2 ATP + 8 NADH2 + 2 FADH2 - Respiration mitochondriale (Phosphorylations oxydatives et réoxydation des coenzymes dans la membrane des mito) : +2 ATP par FADH2 soit 4*2 = 8 ATP pour glycolyse et Krebs + 3 ATP par NADH2 soit 3*8 = 24 ATP pour Krebs - TOTAL = 36 ATP - RENDEMENT : 36*30.5/2820*100 = 40% Compte tenu des concentrations qui ne sont pas équimolaires dans la cellule, l'hydrolyse de l'ATP est plus rentable et le rendement s'approche de 50% ce qui est excellent!!!
