Module 2 Chapitre 3, 1TS-BioAC

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1 Illustrations cours de Microbiologie : 1TS BioAC Doc 1 : Variations d énergie libre, réactions exergoniques et endergoniques. Doc 2 : L ATP comme agent de couplage. L utilisation de l ATP peut favoriser les réactions endergoniques. Il est formé lors de réactions exergoniques et utilisé pour effectuer des réactions endergoniques. Doc 3 : Le cycle de l énergie cellulaire. L ATP est formée grâce à l énergie libérée par la respiration aérobie, la respiration anaérobie, la fermentation, la chimiolithotrophie et la photosynthèse. Sa décomposition en ADP et phosphate (Pi) permet le travail chimique, le travail de transport et le travail mécanique. Doc 4 : l ATP. 1 nov.-12

2 Doc 5 : Sélection de couples rédox biologiquement importants. Doc 6 : Mouvements des électrons et potentiels standards. On met au sommet les potentiels de réduction les plus négatifs. Les électrons se déplaceront spontanément des donneurs (pouvoir réducteur le plus fort) vers les accepteurs, de potentiel plus positif. Le donneur est toujours situé plus haut dans la «tour des électrons» que l accepteur. Par exemple, le NADH donnera ses électrons à l oxygène et formera ainsi de l eau. Quelques donneurs et accepteurs importants en biologie sont montrés à gauche ; leurs potentiels standards rédox sont indiqués entre crochets.

3 Doc 7 : Les enzymes abaissent l énergie d activation. Cette figure décrit le déroulement d une réaction chimique où A et B sont convertis en C et D. Le complexe à l état de transition est représenté par AB ++ et l énergie d activation requise pour l atteindre par E a. La courbe en pointillés représente l évolution de la réaction en présence d une enzyme. L énergie d activation est beaucoup plus faible dans la réaction catalysée par l enzyme!!!!

4 Doc 8 : Les principaux coenzymes Nom Abréviation Vitamine d origine Rôle de transfert de : Nicotinamide Adénine NAD + Vitamine PP D électrons Dinucléotide (nicotinamide) Nicotinamide Adénine NADP + Vitamine PP D électrons Dinucléotide Phosphate (nicotinamide) Flavine FMN Vitamine B2 D électrons MonoNucléotide (riboflavine) Flavine Adénine Dinucléotide FAD Vitamine B2 (riboflavine) D électrons Adénosine TriPhosphate ATP - De groupement phosphate et d AMP Uridine DiPhosphate UDP - De groupement phosphate et d AMP Cytidine DiPhosphate CDP - De groupement phosphate et d AMP Coenzyme A CoA Acide panthothénique De groupement acyl et d acétate Biotine - Vitamine H (biotine) De groupement carboxylique Pyridoxal phosphate PAL ou Vitamine B6 De groupement aminé Thiamine PyroPhosphate PALP (pyridoxine) TPP Vitamine B1 (thiamine) De groupement en C 2 Remarque : En chimie, un acyle ou un groupement acyle est un radical ou un groupe fonctionnel obtenu en enlevant le groupement hydroxyle d'un acide carboxylique. Le groupement acyle correspondant à un acide carboxylique de formule RCOOH aura pour formule -COR, où l'atome de carbone et celui d'oxygène sont liés par une double liaison (groupement carbonyle).

5 Doc 9 : Le cytochrome C et sont noyau porphyrine. Doc 10 : L ubiquinone ou coenzyme Q. La longueur de la chaîne latérale varie de n=6 à n=10, selon les organismes.

6 Doc 11 : Exemple de liaison Fer-souffre dans une ferrédoxine.

7 Doc 12 : Les processus de fourniture d énergie chez les chimio-organotrophes. Des molécules organiques servent de source d énergie et d électrons pour les 3 processus de fourniture d énergie employés par les chimio-organotrophes. Dans la respiration aérobie et anaérobie, les électrons traversent un système de transfert d électrons (chaîne respiratoire). Cela génère une force proton motrice (FPM) qui est utilisée pour synthétiser la plupart de l ATP cellulaire, par un mécanisme appelé phosphorylation oxydative (phos ox). Une petite quantité d ATP est formée par un processus appelé phosphorylation au niveau du substrat (PNS). Dans la respiration aérobie, l O 2 est l accepteur final d électrons tandis que dans la respiration anaérobie, ce sont des molécules exogènes autre que l O 2 qui jouent ce rôle. Au cours de la fermentation, des molécules organiques endogènes agissent comme accepteur d électrons. Le flux d électrons n est pas couplé à une synthèse d ATP, et celle-ci n est formée que par phosphorylation au niveau du substrat.

8 Doc 13 : La phosphorylation pour la rénération de l ATP. Doc 14 : Deux exemples de phosphorylation au niveau du substrat. Ces mécanismes ont lieu dans le cytoplasme, par exemple au cours de la dégradation du glucose (glycolyse) par la voie dite d Embden-Meyerhof. Doc 15 : Un exemple de chaîne respiratoire et de formation de FPM.

9 Doc 16 : L ATP synthase. FAD Encore appelée ATPase F 1 F 0 car elle est faite de 2 composants : F 0 enfoui dans la membrane mitochondriale et F 1 de structure sphérique, du côté interne de la mitochondrie (matrice). F 0 participe au transfert de protons, et F 1 à la synthèse d ATP. L enzyme fonctionne comme un moteur rotatif. Le flux de protons provoque la rotation de F 0 et entraîne la rotation de la sous-unité. Cette rotation entrâines des changements de conformation des sous-unités β ce qui permet la fixation de l ADP dans le site catalytique de l enzyme puis la libération d ATP. Doc 17 : Les chaînes respiratoires des bactéries oxydase + et -. FAD

10 Doc 18 : Les 3 étapes de la respiration anaérobie. Doc 19 : Quelques accepteurs d électrons utilisés lors de la respiration. Accepteur d e - Produits réduits Exples de µcro-organismes Aérobie O 2 H 2 O Bactéries aérobies, champignons, protozoaires Anaérobie NO 3 - NO 2 - Entérobactéries NO 3 - NO 2 -, N 2 O, N 2 Pseudomonas, Bacillus et Parococcus SO 4 2- H 2 S Desulfovibrio et Desulfotomaculum CO 2 CH 4 Bactéries méthanogènes et acétogènes S H 2 S Desulfuromonas et Thermoproteus Fe 3+ Fe 2+ Pseudomonas, Bacillus et Geobacter HAsO 4 2- (arséniate) HAsO 4 2- Bacillus, Sulfospirillum SeO 4 2- Se, HSeO 3 - Aeromonas, Bacillus, Thauera Fumarate Succinate Wolinella

11 Doc 13 : Les 3 étapes de la respiration aérobie. Schéma général de la respiration aérobie chez un chiomio-organotrophe et hétérotrophe, montrant les 3 étapes de ce processus et la position centrale du cycle des acides tricarboxyliques. Malgré leur diversité, les protéines, les polysaccharides et les lipides sont dégradés par l activité de seulement quelques voies métaboliques communes. Les lignes en pointillés montrent le flux des électrons, transportés par le NADH et le FADH 2, vers la chaîne de transfert d électrons.

12 Doc 14 : La voie d embden-meyerhof.

13 Doc 15 : La voie des pentoses phosphate. La figure trace la conversion de 3 molécules de glucose 6-phosphate en 2 molécules de fructose 6- phosphate, une de glycéraldéhyde 3-phosphate et 3 molécules de CO 2. Notez que la voie des pentoses phosphates génère plusieurs intermédiaires qui se forment aussi dans la voie d Embden- Meyerhof (VEM). Ces intermédiaires peuvent rentrer dans la VEM avec les 2 résultats suivants : (1) La dégradation du pyruvate se poursuit ou (2) Du glucose 6-phosphate est régénéré. La voie des pentoses phosphate joue aussi un rôle réducteur majeur dans la production de pouvoir réducteur (NADPH) et de plusieurs métabolites précurseurs (en bleu). Les transformations des sucres sont indiquées par des flèches bleues.

14 Doc 16 : La voie d Entner-Doudoroff. La séquence conduit du glucose au pyruvate en passant par le glycéraldéhyde 3-P, par des enzymes partagées par la voie d Embden-Meyerhof.

15 Doc 17 : Cycle des acides tricarboxyliques (ATC) ou cycle de Krebs.

16 Doc 18 : Cycle des acides tricarboxyliques (ATC) ou cycle de Krebs.

17 Doc 19 : Rendement maximum théorique en ATP de la respiration aérobie. Pour atteindre le rendement maximal théorique en Atp, il faut supposer un rapport P/O de 3 pour l oxydation du NADH, et de 2 pour le FADH 2. Le rendement réel est probablement significativement moindre. Il varie entre eucaryotes et procaryotes et entre les espèces procaryotes. Doc 20 : Quelques accepteurs d électrons utilisés au cours de la respiration anaérobie. Accepteur d e - Produits réduits Exples de µcro-organismes Aérobie O 2 H 2 O Bactéries aérobies, champignons, protozoaires Anaérobie NO 3 - NO 2 - Entérobactéries NO 3 - NO 2 -, N2 O, N 2 Pseudomonas, Bacillus et Parococcus SO 4 2- H 2 S Desulfovibrio et Desulfotomaculum CO 2 CH 4 Bactéries méthanogènes et acétogènes S H 2 S Desulfuromonas et Thermoproteus Fe 3+ Fe 2+ Pseudomonas, Bacillus et Geobacter HAsO 4 2- (arséniate) SeO 4 2- HAsO 4 2- Se, HSeO 3 - Bacillus, Sulfospirillum Aeromonas, Bacillus, Thauera Fumarate Succinate Wolinella

18 Doc 21 : Les chaînes respiratoires de Parococcus denitrificans. (a) Chaîne de transfert d électrons aérobie ressemble à la chaîne mitochondriale de transfert d électrons et utilise l oxygène comme accepteur. Le méthanol et la méthylamine peuvent fournir des électrons au niveau du cytochrome c. (b) La branche anaérobie fortement ramifiée est faite de protéines membranaires et de protéines périplasmiques. Le nitrate est réduit en azote diatomique sous l action collective de quatre réductases différentes qui reçoivent des électrons de la CoQ et du cytochrome c. La figure montre où s effectue le mouvement des protons, mais n indique pas le nombre de protons impliqués. Abréviations : Flavoprotéine (FP), méthanol déshydrogénase (MD), nitrate réductase (Nar) nitrite réductase (Nir), réductase de l oxyde nitrique (Nor) et réductase de l oxyde nitreux