Données Thermodynamiques

Métabolisme Biochimique
Données Thermodynamiques
1. Les deux principes de thermodynamique
Thermodynamique: analyse énergétique au sein d'un système; sachant qu'un système peut-être une
cellule, une portion de cellule, une réaction, … On s'intéresse aux différences entre « État Initial » et
« État Final ».
Conservation de l'énergie: ni produite ni crée.
Entropie: naturellement un système tend vers le désordre.
Enthalpie d'un système correspond à l'énergie totale:somme des énergies libres et de la variation
d'entropie.
ΔH = ΔG + TΔS => ΔG = ΔH - TΔS
2. Énergie et Réactions
ΔG = ΔH – TΔS
Soit la réaction: A + B ↔ C + D
Keq = [C] . [D] / [A] . [B]
ΔG = - R x T x ln Keq
K > 1 => ΔG < 0 donc quand
EXERGONIQUE
K < 1 => ΔG > 0 donc quand
ENDERGONIQUE
ΔG < 0 réaction spontanée =
ΔG > 0 réaction non-spontanée =
3. Le rôle centrale de l'ATP
De nombreuses réactions sont endergoniques donc l'ATP joue un rôle central en permettant la
réalisation de ces réactions car l'ATP est considéré comme une source riche en énergie. Le transfert de
2 phosphates sur l'eau en Pi va être une réaction fortement exergonique.
ATP + H2O → ADP + Pi
ΔG = - 45kJ/mol
Ce qui veut dire que l'ajout d'ATP facilite la réaction.
Toutes les réactions capables de transformer l'ADP + Pi en ATP sont: Respiration (Aérobie et
Anaérobie); Fermentation; Photosynthèse. Les réactions qui transforment l'ATP en ADP + Pi (cad
consommation d'ATP) sont des réactions de travail chimiques, travail mécanique, travail de transport.
4. Les réactions RedOx et le NAD
E'0 = traduit la tendance du réducteur à perdre ces e-. Plus il est négatif, plus le réducteur donne
facilement ses e- à un oxydant qui aura E'0 positif.
Étudions le NAD:
NAD+ + 2H+ + 2e- <=> NADH + H+
½ O2 + 2H+ + 2e- <=> H2O
Ce qui donne:
NADH + H+ + ½ O2 + 2H+ <=> NAD+ + H2O
E'0 = - 0,32V
E'0 = + 0,82V
E'0 = 0, 82 - ( - 0,32) = 1, 14V
ΔG'0 = - n Ƒ Δ E'0
avec n : nombre d'e- impliqués dans la réaction
Ƒ : la faraday = 96 500 C
Quand le NADH va donner, lors d'une réaction exergonique, ses e - à l'oxygène, lors de la respiration,
cela va libérer une grande quantité d'énergie qui va être utiliser par la synthèse d'ATP.
ΔG'0 = - 2 x 96 500 x 1,14 = - 220 020 J/mol = 220 kJ/mol
Réaction fortement exergonique
Dans le cas des phototrophes, ils doivent synthétiser leur pouvoir réducteur qui est le NADPH,H+ par
transfert d'e- de l'H2O vers le NADP.
Réaction non-spontanée donc besoin d'énergie extérieur qui proviens de la lumière récupérée par la
photosynthèse.
Métabolisme Énergétique
Il existe différentes voies de production d'ATP pour les cellules.
Pour les chimiotrophes:
- la phosphorilation au niveau du substrat,
- la phosphorilation oxydative (respiration).
Pour les phototrophes :
- photosynthèse oxygénique (plantes vertes),
- photosynthèse anoxygénique (bactéries).
On cherche à savoir comment on produit l'ATP.
1. Production d'ATP par photosynthèse au niveau du substrat
Cette production d'ATP se fait grâce à l'oxydation du Glucose. Cette oxydation se fait en plusieurs
étapes que l'on appelle la Glycolyse.
•
Les différentes étapes de la Glycolyse
Lors de ma phosphorilation au niveau du substrat, l'ATP est formé grâce à un intermédiaire phosphorilé
du glucose qui perd son groupement phosphate via à une réaction exergonique. Le groupement
phosphate est transmit à l'ADP ce qui donne de l'ATP:
Rmq: Ces deux réactions se produisent au niveau des dérivés en C3 du glucose. Elles se produisent
donc deux fois pour une molécule de glucose. Il y a donc 4 molécules d'ATP ainsi formés par molécule
de glucose.
Donc l'oxydation du Glucose au cours de la Glycolyse ne fournit que 2 molécules d'ATP au final.
•
Bilan énergétique pour les bactéries fermentaires
Pour que la Glycolyse puisse se faire, il faut fournir au cellules les différentes éléments qui puissent
intervenir dans ces réactions.
Glucose: ext; ADP: réactions qui utlisient l'ATP comme source d'énergie; Pi: ext; NAD: doit être fournit
en réoxydant le coenzyme NADH2.
Dans le cas des bactéries fermentaires, le NADH2 est réoxydé directement par réduction du pyruvate.
Cette réoxydation ne donne pas lieu à une récupération d'énergie.
Exemples:
Fermentation Lactique:
Fermentation alcoolique:
Donc pour les bactéries fermentaires, la production totale est de 2ATP pour une molécule de Glucose.
Normalement l'oxydation complète du Glucose: ΔG = -2 800kJ/mol. On récupère 2 molécules d'ATP
donc ΔG = -2 x 45kJ/mol = - 90kJ/mol. Rendement de la fermentation du Glucose.
Rendement: (90 / 2800) x 100 = 3,2%.
Le rendement d'énergie d'une fermentation est très faible, cela s'explique par le fait qu'une partie de
l'énergie a été consommé au cours des réactions. Surtout le(s) produit(s) final(aux) de la fermentation a
(ont) gardé un potentiel énergétique qui peut servir de substrat pour d'autres microorganismes.
2. Production d'ATP par photosynthèse oxydative lors des respirations
•
Fin de l'oxydation du Pyruvate
Pour les bactéries qui réalisent le cycle de Krebs, elles doivent disposer d'un processus efficace pour la
réoxydation des coenzymes.
La réoxydation des coenzymes se produit au niveau des chaînes respiratoires et c'est elle qui est
couplée à la production d'ATP.
•
Fonctionnement des chaînes respiratoires
Les chaînes respiratoires sont des ensembles de molécules (coenzymes, cytochromes, ...) qui sont
capables d'accepter et de donner des e-. Les molécules vont se positionner entre elles selon leur
potentiel RedOx de façon croissante.
Les molécules de la chaîne respiratoire se trouvent dans la membrane interne des mitochondries chez
les cellules Eucaryotes, ou chez les bactéries sur la membrane plasmique. Ces molécules vont servir de
transporteurs d'e- entre les coenzymes réduits (NADH2) et l'oxygène. C'est grâce à ces molécules que
l'on récupère l'énergie des réactions RedOx car elles couplent le transfert d'e- à une translocation d'H+ à
travers la membrane créant ainsi un gradient chimique de protons.
Cas particulier des chaînes Procaryotes:
Pour les chaînes respiratoires bactériennes qui sont localisée dans les membranes cytoplasmiques, les
H+ sont expulsés dans le périplasme. Les intervenants de la chaîne respiratoire ne sont pas les mêmes
que les Eucaryotes et il existe aussi une diversité au sein des Procaryotes. (bactéries oxy(+) ou oxy(-) ;
chaîne respiratoire différentes entre la phase de croissance et la phase stationnaire).
Le nombre de protons expulsés est moins important que chez les Eucaryotes, ce qui implique qu'il y a
moins d'ATP de produit.
Chez les Procaryotes, il existe différents accepteurs finaux d'e- possibles:
si O2 = respiration aérobie,
si NO3- = respiration anaérobie des nitrates,
réduction dissimulatrice des NO3- en NO2 (ex: Pseudomonas)
si SO42- = respiration des sulfates en anaérobie
Remarque: Ces respirations en anaérobies ont un rendement énergétique plus faible.
Les chaînes respiratoires anaérobies ne co-existent pas dans la bactéries avec une chaîne aérobie.
Pour les Procaryotes qui réalisent la chimiotrophie (comme NNitrobacter, le donner d'e- dans la chaîne
respiratoire est une molécule minérale (pour Nitrobacter c'est le NO2- qui donne l'e- au lieu de NADH
chez les Eucaryotes). Donc la réoxydation des nitrites permet de donner des e- à la chaîne respiratoire
jusqu'à l'accepteur final: le dioxygène. Ce transport d'e- est couplé à l'expulsion de protons.
Chez les litotrophes, une partie des H+ expulsés est utilisés pour la synthèse de l'ATP. Une autre partie
est consacrée à la synthèse d'un pouvoir réducteur (NADH). Pour cela l'entrée de protons dans la cellule
est couplée au transport reverse des e- (les e- vont alors vers des potentiels RedOx).
•
Couplage entre respiration et production d'ATP
Au cours du transfert d'e- le long de la chaîne respiratoire, il y a la création d'un flux sortant de protons =
on obtiens alors un gradient entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Les protons ont donc tendance à
rentrer spontanément dans la cellule mais au niveau des canaux spécifiques: « les ATPsynthases ». En
effet leur rentrée dans la cellule est couplée à la synthèse d'ATP à partir d'ADP + Pi.
On considère que chez les Eucaryotes, la réoxydation d'une molécule de NADH permet la synthèse de 3
molécules d'ATP. On dit que le rapport « Phosphates / Dioxygène = 3 ».
•
Bilan énergétique de la respiration des Eucaryotes
Glucose --> Glycolyse
2NADH2
2NADH2
6NADH2
2FADH2
2 ATP
6 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
38 ATP au cours de l'oxydation du glucose.
Ce qui donne:
ΔG0 oxydation glucose = -2 800 KJ/mol
ΔG'0 synthèse ATP = 38 x 45 = 1710 KJ/mol
Rendement respiration = (1710 / 2800) x 100 = 61%, pour les bactéries qui respirent, pour celles qui
fermentent le rendement est de 3%.
3. Production d'ATP par des microorganismes phototrophes
Leur source d'énergie est la lumière, elle leur permet de synthétiser de l'ATP et NADH(NADPH) qui est
le potentiel réducteur réduisant le dioxygène.
Le phénomène phototrophe est important au niveau écologique car il est à la base des chaînes
alimentaires, ainsi que de l'apparition de l'oxygène sur la Terre.
50% des phototrophes sont des microorganismes et pas que des plantes vertes (ils se trouvent surtout
dans le monde aquatique).
•
Photosynthèse oxygénique des Eucaryotes et des Cyanobactéries.
Principe: avoir un pigment photosynthétique, cad un pigment qui capte l'énergie lumineuse. Les pigment
sont ici la chlorophylle a ou b qui se différencient par leur formule chimique mais aussi par leur λ.
ch. a = λmax = 665nm
ch. b = λmax = 645nm (+ 430nm).
La captation de l'énergie lumineuse se fait au niveau des doubles liaisons π. Le passage à l'état excité
des e- π permet aux ch. a et b de passer à l'état réduit et donne 2 e-.
Les pigments de la photosynthèse sont organisés en « antennes », appelés aussi photosystèmes qui
associent 300 molécules de chlorophylle à d'autres pigments accessoires.
La photosynthèse se fait dans les membranes des tylacoïdes des chloroplastes.
Il existe 2 types de photosystèmes (PS):
PS1 qui correspond à la chlorophylle p700
PS2
p680.
Ils ont deux modes de fonctionnement différents mais travaillent ensemble pour faire une photosynthèse
oxygénique complète.
Le p700 peut avoir 2 types de fonctionnement:
–
–
cyclique : le PS capte 2 photons donc le PS deviens excité et émet 2 e- à ses intermédiaires
(A ou FeS, ...) qui finalement redonnent 2 e- au p700 pour à nouveau recapter 2 photons. Il y
a transfert d'e- ce qui implique un transfert de protons ce qui permet de faire de l'ATP.
Non-cyclique : 2 photons captés réduisent donc le système en donnant 2 e- (excitation)
jusqu'à Fd où le PS prend un métabolisme différent: NADPH, H+ est alors l'accepteur final
d'e-. Le p700 n'a donc pas récupérer ses 2 e- et a besoin de p680.
Le p680 fonctionne de la même manière: 2 photons excitent le PS ce qui donne 2 e- aux accepteurs
intermédiaires dont la PQ qui se trouve dans le fonctionnement cyclique du p700. Ainsi le p700 est
l'accepteur final des e- du p680.
Il faut cependant une réoxydation pour redonner des e- au p680. Ils proviennent de l'oxydation d'H20, il y
a donc production de dioxygène.
•
Photosynthèse anoxygénique des bactéries pourpres et vertes.
La nature de la chlorophylle change, ce n'est plus a et b. Ce n'est donc pas le même pigment
photosynthétique, donc λ varie également.
λ = 870 – 890nm pour Bch a
λ = 1020 – 1040 nm pour Bch b
λ plus longues, donc énergie plus faible.
Il n'y a pas plusieurs photosystèmes, un unique en mode cyclique.
Le donneur d'e- n'est pas l'O2 (donc anoxygénique), c'est soit le dihydrogène H2, soit le sulfure
d'hydrogène H2S, soit le souffre S ou encore certaines bactéries ont des molécules organiques comme
donneur d'e-.
Ces systèmes de photosynthèse ne produisent que de l'ATP. On va donc s'intéresser à comment la
bactérie produit son pouvoir réducteur, NADH, car il n'appartient pas au système photosynthétique.
De part leur photosynthèse particulière, ces bactéries ont une façon particulière de coloniser leur
environnement.
Échelle de Winogradsky