Docteur Bertrand TOUSSAINT

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1 Biochimie générale Chapitre 5 : Systèmes redox et transfert d électrons Docteur Bertrand TOUSSAINT MED@TICE PCEM1 - Année 2006/2007 Faculté de Médecine de Grenoble - Tous droits réservés.

2 Systèmes redox et Transfert d électrons Étoile de la vie : L énergie de la lumière du soleil maintient la vie sur terre.

3 Systèmes redox et Transfert d électrons : plan du cours Définitions : les organismes vivant et l acquisition d énergie analogie électrique couple redox transporteurs et transfert d électrons dans la cellule potentiels redox Equation de Nernst Exemple 1 : respiration Exemple 2 : photosynthèse

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5 De l'énergie solaire pour vivre. Dans la photosynthèse, les organismes autotrophes utilisent l'énergie de la lumière pour synthétiser les composés alimentaires. Les organismes hétérotrophes et autotrophes métabolisent ces composés de l'alimentation par la glycolyse, la fermentation et la respiration cellulaire.

6 (a) (b) Analogie entre les circuits électriques macroscopique (a) et microscopique (b). Pour les deux types de circuits, l'énergie du flux d'électrons est utilisée pour fournir un travail.

7 C est une chaine biochimique de transfert d électrons qui permet de récupérer de l énergie issue de la réaction exergonique de combustion des nutriments pour aboutir à la synthèse de l ATP.

8 Oxydation et réduction L'oxydation et la réduction sont couplés. Un composé A est oxydé, et un composé B est réduit dans une réaction d'oxydoréduction. Dans le processus, A perd des électrons et B en gagne.

9 Définitions : réducteur - oxydant - réaction et couple redox. De nombreuses réactions du métabolisme mettent en jeu des transferts d'électrons et bien souvent de protons. Une même molécule va donc être dans un état réduit ou oxydé et ces deux formes de la même molécule s'appelle un couple oxydo-réducteur ou couple rédox. Considérons une molécule A. Par convention, les deux formes oxydée et réduite de A s'écrivent : (A ox / A red ). La réaction d'oxydo-réduction ou réaction redox entre ces deux formes s'écrit : A ox = forme oxydée de A A red = forme réduite de A α A A ox + n e - <===> β A A red n = nombre d'électrons captés par A ox la molécule qui perd des électrons est oxydée et s'appelle le réducteur ; la molécule qui accepte des électrons est réduite et s'appelle l'oxydant ; un couple redox est caractérisé par un potentiel de réduction standard.

10 Exemple : oxydons le sodium Na par du chlore Cl 2 Na + 1/2Cl 2 NaCl (1) (2) (Dissolution dans l eau) Na + + Cl - (1) Na Na + + e - Oxydation : perte d électron Couple Na + /Na (2) 1/2 Cl 2 + e - Cl - Réduction : gain d électron Couple 1/2Cl 2 /Cl -

11 L oxydation et la réduction sont toujours définies en termes de transport d'électrons MAIS on doit aussi y penser, quand des atomes d'hydrogène (et non des ions hydrogène) sont gagnés ou perdus les transferts d'atomes d'hydrogène impliquent aussi des transferts d'électrons. Par conséquent, quand une molécule perd des atomes d'hydrogène, elle devient oxydée :

12 Les oxydations biologiques impliquent souvent une déshydrogénation. Les cinq état d oxydation du carbone que l on rencontre dans la nature. Chaque étape (sauf la dernière) est une oxydation qui effectuée par déshydrogénation. L oxygène étant plus électronégatif a tendance à soustraire les électrons au carbone.

13 La principale paire d agent oxydant et réducteur dans les cellules est fondée sur le composé NAD (nicotinamide adenine dinucléotide) 2 formes chimiques distinctes oxydée ou réduite Enzyme déshydrogénase Le composé AH 2 est oxydé libérant deux atomes d hydrogène et le NAD + est réduit

14 Réduction du NAD + NAD + + 2H NADH + H +

15 Quand une molécule de substrat subit une oxydation ou déshydrogénation elle libère 2 atomes d hydrogène Le NAD reçoit en fait un ion hydrure :H - l équivalent d un proton et 2 électrons le deuxième H + est libéré dans le milieu H : H H + + :H-

16 L oxydation de NADH + H + par l oxygène gazeux est très exergonique NADH + H + + 1/2O 2 NAD + + H 2 O (2NADH + 2H + + O 2 2 NAD H 2 O) ΔG 0 = -219 kj/mol

17 Grâce à sa capacité à transporter de l énergie libre et des électrons le NAD est un intermédiaire universel et essentiel dans les cellules

18 Remarques D autres transporteurs d électrons importants (FAD : flavine adenine dinucléotide, FMN : flavine mononucleotide, NADPH ) La plupart de ces transporteurs ne peuvent être synthétiser par l homme : ce sont les vitamines dont on a besoin en petites quantités (car recyclées) la riboflavine : vitb2 la niacine (nicotinamide) : vitpp Plusieurs caractéristiques communes entre l ATP(transporteur d énergie et de phosphate) et le NAD(transporteur d énergie et d électrons) suggèrent qu ils ont évolués à partir d un ancêtre commun moins efficace.

19 Au final 4 types de transfert d électrons peuvent se rencontrer dans les cellules. 1 Transfert direct sous forme d électrons : le couple redox Fe 2+ /Fe 3+ peut transférer un électron au couple Cu + /Cu 2+ Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 2 Transfert sous forme d atomes d hydrogènes hydrogène = un proton + un électron AH2 A +2H + + 2e -

20 3 Transfert sous forme d un ion hydrure hydrure = un proton et 2 électrons Enzyme déshydrogénase 4 Transfert sous forme d incorporation d oxygène (combustion) oxydation d un glucide pour donner un alcool R-CH 3 + 1/2O 2 R-CH 2 -OH

21 Comment s organise le transfert d électrons entre tout les différents type de couple redox que l on peut trouver dans la cellule? 2 couples en solution : il peut y avoir transfert spontané du donneur du couple A vers l accepteur du couple B si l affinité de l accepteur de B est supérieur à celle de A Les potentiels de réduction (ou potentiel redox) mesurent l affinité pour les électrons

22 potentiel de réduction d'un couple redox mesure pile électrochimique constituées de 2 demipiles. Chaque demi pile constitue un couple redox et est le siège d'une réaction redox. Quand on mesure le potentiel rédox standard d'un couple rédox, l'une de ces demi-piles sert de référence c est l électrode à hydrogène(qui est le siège de l'oxydation de l'hydrogène) : la demi-pile de référence contient de l'hydrogène gazeux (H 2 ) à une pression de 1 atmosphère ; une solution de H + à une concentration de 1 M donc à un ph = 0 ; le potentiel de réduction du couple redox H 2 /2H + est le potentiel de réduction standard : E. il est fixé arbitrairement à 0 V.

23 Cependant, pour les réactions biologiques, les conditions de référence se rapportent à une concentration d'ions H + de 10-7 M (ph = 7) dans la demi pile de référence. Ainsi, pour les réactions BIOLOGIQUES, on a définit un potentiel de réduction standard dans les conditions physiologiques : E H 2 /H + E = -.414V. Par définition on accorde le signe + si l oxydant du couple rédox testé contre la 1/2 pile à hydrogène est plus fort.

24 Éthanol oxydé Fumarate réduit Détermination du sens de transfert des électrons lorsque deux couples rédox sont mis en présence : les électrons vont vers l oxydant du couple qui a le potentiel le plus fort

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26 Le potentiel de réduction standard d une demi cellule dépend de la nature des espèces chimiques présentes mais aussi de leur activités ou concentration Walther Hermann Nernst Prix Nobel de Chimie en 1920

27 aox + ne - bréd E, le potentiel de réduction pour chaque concentration des espèces est lié au potentiel standard par la relation de Nernst RT [Réd] b E = E 0 - x Ln ( ) nf [Ox] a R = constante des gaz parfaits = 8,315 J.K -1.mol -1 = 1,987 cal.k -1.mol -1 ; T = température absolue = 273,3 K + T C ; n = nombre d'électrons échangés (le plus souvent 2 en biochimie) ; F = constante de Faraday = 96,48kJ/(V*mol) a,b, les coefficients stoechiometriques

28 A 25 C cette relation devient E = E V/n * ln(réd/ox) Applications : 1) Calcul du potentiel standard E 0 du couple H 2 /H + ( 2H + + 2e - H 2 ) E 0 = E V / 2 * ln ([H2]/[H + ] 2 ) H2 gaz sous 1atm : activité = 1 ph = 7 donc [H + ] = 10-7 E 0 = V * ln(10 14 ) = -0,414V

29 La quantité d énergie fournie par le flux d électron et permettant de produire un travail est : ΔG = -nfδeou ΔG 0 = -nfδe 0 On peut donc calculer la variation d énergie libre pour toute réaction d oxydoréduction à partir des valeurs des E 0 et des concentrations des espèces

30 L oxydation de NADH + H + par l oxygène gazeux NADH + H + + 1/2O 2 NAD + + H 2 O NADH + H + NAD H + + 2e - E 01 = V 1/2O 2 +2e- +2H+ H 2 O E 02 = 0.816V ΔG =- nf(e 01 + E 02 ) = -219 kj/mol

31 Production d énergie par oxydation complête du glucose en dioxide de carbone par des étapes impliquants des transporteurs d électrons spécialisés. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 10 * (NAD H + + 2e - NADH + H + ) ΔG = -219kJ/mol 2 * (FAD + 2H + + 2e - FADH2) ΔG = -199kJ/mol ΔG = 2600 kj/mol

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33 L oxydation totale du NADH produit, par l oxygène à lieu dans la mitochondrie grâce à la chaine respiratoire

34 Cascade des électrons vers le couple rédox le plus affin (potentiel le plus haut) Valeurs de E 0 et de E des couples rédox de la chaîne de transport des électrons dans les mitochondries. Les valeurs indiquées sont les valeurs consensuelles pour les mitochondries des animaux. Les barres noires représentent E 0 et les barres rouges E

35 Théorie Chimioosmotique de Mitchell

36 Sans O 2 Avec O 2

37 Respiration Anaérobie Fermentation

38 Fermentation alcoolique. Dans la fermentation alcoolique, le pyruvate de la glycolyse est converti en acétaldéhyde (Pyruvate decarboxylase), et du C0 2 est libéré. Le NADH + H + de la glycolyse agit en tant qu'agent réducteur, réduisant l'acétaldéhyde en éthanol (alcool dehydrogenase).

39 Fermentation de l'acide lactique. La glycolyse produit du pyruvate ainsi que l'atp et le NADH + H + à partir du glucose. La fermentation de l'acide lactique, utilisant le NADH + H + comme agent réducteur, réduit alors le pyruvate en acide lactique (lactate) par la lactate déhydrogénase. Le cerveau est dépourvue de LDH : grande sensibilité à l hypoxie.

40 1) EFFORT Consommation O2 pour production ATP VO2 max élévée anaérobie tardive VO2 max normale anaérobie précoce 2) Récupération Production ATP par fermentation avec consommation du stock glucose musculaire(glycogène) Lactates sanguins retransformation du lactate en glucose par le foie (néoglucogénèse) et reformation du stock glycogène musculaire par surconsommation d O2 (compensation de la dette) Très rapide (entrainement) Très lente (longues heures d inaction)

41 photosynthèse Autotrophes Hétérotrophes Éléments de la photosynthèse: Une plante terrestre typique utilise la lumière du soleil,pour réduire avec l'eau du sol le dioxyde de carbone de l'atmosphère pour former, des composés organiques. La respiration réalise le contraire,c està-dire l oxydation (spontanée au sens thermodynamique) du carbone réduit en CO 2.

42 Dés 1804 Dioxyde de carbone + eau + lumière sucre + oxygène Fin XIXème 6 CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O O 2 D ou vient l oxygène???

43 L eau est la source de l'oxygène produit par photosynthèse. Parce que seules les plantes auxquelles on a donné de l'eau radioactive ont libéré de l 0 2 marqué

44 L usine à photosynthèse : le chloroplaste : les réactions ont lieu dans les membranes Réactions de la phase lumineuse et de la phase obscure de la photosynthèse. Les réactions de la phase lumineuse sont associées à la membrane du thylacoïde, celles de la phase obscure sont associées au stroma.

45 lumière Les électrons sont activés par l énergie lumineuse («diminution de leur potentiel redox») Réactions lumineuses «Photophosphorylation» L énergie lumineuse et l eau sont utilisés pour produire l ATP, le NADPH + H + et l O 2. Réactions sombres «Glucogénèse» Le CO 2, l ATP et le NADPH + H + sont utilisés dans le cycle de Calvin-Benson pour produire les sucres Le cycle de Calvin-Benson restitue l ADP, le Pi et le NADP + pour qu ils soient utilisés dans les réactions lumineuses

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47 - Spectres d'absorption des chlorophylles a et b. Des pigments accessoires absorbent la lumière entre 450 et 650 nm permettant ainsi de couvrir l intégralité du spectre de lumière blanche

48 La chlorophylle

49 Etat fondamental Etat excité

50 Devenirs possibles des quanta d énergie lumineuse absorbée par les pigments

51 1930 : Emerson et Anorld constatent qu il faut beaucoup de molécules de chlorophylle pour produire une molécule d O 2 Représentation schématique d'une unité photosynthétique. Les pigments collecteurs de lumière, ou molécules de l'antenne (en vert), absorbent et transfèrent l'énergie lumineuse à la paire spéciale de molécules de chlorophylle qui constitue le centre réactionnel (en orange).

52 Molécules d antennes chlorophyle du centre réactionnel 3

53 Pour le photosystème II le donneur est l eau Couple redox 1/2O 2 /H 2 O H 2 O 1/2O 2 +2H + +2e -

54 Cascade des électrons dans la photosynthèse

55 stroma Lumière du thylacoïde Objectif du PS2 : utiliser l eau comme donneur de protons et aussi d électrons énergisés pour permettre le fonctionnement du complexe cytb6-cytf qui pompe les protons vers la lumière du thylacoïde : fournir des protons pour synthèse ATP chimioosmotique Objectif du PS1 : réenergiser les électrons pour la production de NADPH par réduction du NADP + et permettre la biosynthèse des glucides

56 soleil electron niveau excité photon 1 2 niveau de base niveau excité Mécanisme énergie photon de la vie 3 4 niveau de base Le phénomêne «vie» s est intercalé entre 1 et 2 pour récupérer l énergie de la lumière grâce à des structures biochimiques adéquates

57 «Ce qui entretient la vie est un petit courant électrique alimenté par le soleil» Svent Gyorgi (Biochimiste)

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