Polymériser les précurseurs monomériques en protéines, acides nucléiques, lipides, polysaccharides, et autres composants cellulaires.

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1 INTRODUCTION Pour assurer sa survie et ses rôles physiologiques, la cellule doit effectuer 4 fonctions spécifiques : Extraire lénergie chimique du milieu ambiant * Soit en capturant lénergie solaire. * Soit en dégradant les substances nutritives riches en énergie contenues dans lenvironnement. Transformer les aliments exogènes en matériaux de construction ou en précurseurs des composants macromoléculaires de la cellule. Polymériser les précurseurs monomériques en protéines, acides nucléiques, lipides, polysaccharides, et autres composants cellulaires. Synthétiser ou dégrader les biomolécules nécessaires aux fonctions spécialisées de la cellule. Le métabolisme peut être considéré comme une activité de la cellule lui permettant daccomplir les quatre fonctions ci-dessus. Cette activité est fortement coordonnée et dirigée et de nombreux systèmes multienzymatiques interviennent. De manière plus simplifiée, on peut considérer le métabolisme comme lensemble des transformations des molécules organiques des cellules vivantes, catalysées par des enzymes. Cest également la somme du catabolisme et de l'anabolisme. I. CATABOLISME ET ANABOLISME A. LE CATABOLISME Le catabolisme est la phase du métabolisme au cours de laquelle les molécules nutritives organiques (glucides, lipides et protéines) sont dégradées et transformées en produits plus petits et plus simples (par exemple, acide lactique, CO 2, NH 3 ). Les voies cataboliques libèrent de lénergie libre dont une partie est conservée par la formation datp et de transporteurs délectrons réduits (NADH et NADPH). B. LANABOLISME Lors de lanabolisme, également appelé biosynthèse, des précurseurs simples et de petites tailles sont associés pour former des molécules plus grandes et plus complexes, notamment les protéines, acides nucléiques, lipides, polysaccharides. Les réactions de lanabolisme nécessitent un apport dénergie libre, fournie par lhydrolyse de latp ou par le pouvoir réducteur du NADH ou du NADPH. II. LES DIFFÉRENTS TYPES TROPHIQUES A. CLASSIFICATION SELON LA SOURCE DE CARBONE UTILISÉE Les cellules peuvent être divisées en deux grands groupes suivant la source de carbone quelles utilisent. Les cellules autotrophes («qui se nourrissent elles-mêmes») utilisent du dioxyde de carbone comme unique source de carbone et élaborent à partir de lui leur biomolécules carbonées. Les cellules hétérotrophes («qui tirent leur nourriture des autres»), ne peuvent pas utiliser le dioxyde de carbone et utilisent donc le carbone sous une forme relativement complexe : C organique, comme par exemple le glucose. Page 1 sur 8

2 B. CLASSIFICATION SELON LA SOURCE DÉNERGIE UTILISÉE Les cellules peuvent aussi être classées selon un second critère : la source dénergie utilisée. III. Les cellules phototrophes : utilisent la lumière comme source dénergie. Les cellules chimiotrophes : utilisent les réactions doxydoréduction comme source dénergie. Dans ce cas, les électrons nécessaires à ces réactions sont fournis à la cellule : - Soit par des molécules organiques : on parle de (chimio)-organotrophes. - Soit par des molécules minérales : on parle de (chimio)-lithotrophes. (lithos en grec = pierre). NOTIONS DE BIOÉNERGÉTIQUE A. LES DIFFÉRENTES FORMES DÉNERGIE DANS LA CELLULE Lénergie cellulaire peut se manifester sous différentes formes : Energie calorifique = production de chaleur Energie chimique contenue dans les molécules Energie mécanique = mouvements des muscles Energie osmotique = gradient de concentration Energie électrique = gradient ionique (Na + / K + ) B. ÉNERGIE LIBRE DUNE RÉACTION Soit une réaction : A B Etat initial Etat final Chacun de ces états se caractérise par une énergie interne H, qui est fonction de la température, de la pression, de la concentration en molécules. Au cours de la réaction, on va passer dune valeur dénergie H A à une valeur H B. Il apparaît donc une variation dénergie, qui est par convention: H = H B - H A appelée enthalpie Lenthalpie dun composé chimique peut être déterminée par combustion complète de ce composé dans un calorimètre, à pression constante. H nest pas utilisable en totalité pour fournir un travail (mécanique, électrique ), car il y a toujours de pertes, notamment en chaleur. La fraction utilisable à la réalisation dun travail est donc inférieure à H. Cette fraction est appelée énergie libre et est notée G. Lénergie libre est donc lénergie capable de fournir un travail dans des conditions de température constante et de pression constante ; elle est donnée par léquation : G = G 0 + RT Ln [B] [A] R = constante des gaz parfaits = 8,31 J/mol/K T = t exprimée en degrés Kelvin = t C G 0 représente la variation dénergie libre de cette réaction dans des conditions dites standards, arbitrairement définies. On lappelle la variation dénergie libre standard. En chimie : mesure réalisée quand P = 1 atm. [A] = [B] = 1 mol/l.. t = 25 C à ph = 0 ( [H+] = 1 mol/l ). Page 2 sur 8

3 En biochimie : mesure réalisée quand P = 1 atm. Variation dénergie [A] = [B] = 1 mol/l.. libre standard est t = 25 C à ph = 7 ([H+] = 10-7 mol/l ). G 0 Lorsque léquilibre de la réaction A B est atteint, il ny a plus déchange dénergie et G = 0 Donc, à léquilibre, et dans des conditions biochimiques proches de celles du milieu cellulaire : [B] eq 0 = G 0 + RT Ln [A] eq Avec [B] eq = K eq, constante déquilibre de la réaction. [A] eq Donc G 0 = - RT Ln K eq C. RÉACTIONS EXERGONIQUES ET ENDERGONIQUES G 0 est une constante pour une réaction biochimique donnée dans des conditions précises de température, pression et concentration. Le signe de G 0 ne permettra donc de déterminer si la réaction est spontanément possible ou non, que dans ces conditions précises. G, en revanche est la valeur de lénergie libre réelle de la réaction biochimique. Donc une réaction spontanée dans les conditions standards peut ne pas lêtre dans les conditions réelles, et inversement. La connaissance de la valeur, mais surtout celle du signe de G, permettra alors de faire la différence entre une réaction exergonique et une réaction endergonique. Soit la réaction A B, caractérisée par les énergies libres G A et G B. Si G = G B - G A > 0, alors G B > G A : la réaction demande de lénergie au milieu : elle est endergonique et nest pas spontanément possible de A vers B. Si G = G B - G A < 0, alors G B < G A : la réaction fournit de lénergie au milieu : elle est exergonique et sera spontanément possible de A vers B. Voir Exo N 1. D. CAS DES RÉACTIONS DOXYDO-RÉDUCTIONS 1. Rappels sur les réactions doxydoréductions Dans les réactions doxydoréduction, on définit des couples redox. Une substance oxydante accepte des électrons, alors quune substance réductrice cède des électrons. Ox1 + ne - Red2 Red1 : REDUCTION Ox2 + ne - : OXYDATION Ox1 + Red2 Ox2 + Red1 : OXYDOREDUCTION Une oxydation est une perte délectrons (ou de H+) alors quune réduction est un gain délectrons. Page 3 sur 8

4 2. Potentiel redox et loi de Nernst Un procédé électrochimique permet de quantifier avec quelle force un réducteur tend à perdre ses électrons (ou un oxydant à capter ses électrons). Il suffit de deux mélanges de couples redox reliés par des électrodes, dans un système semblable à celui des piles. Le potentiel redox E dun système redox est la tension en V que lon mesure entre le système H+/H 2 (dans lequel plonge une lame de platine, ce qui constitue lélectrode de référence), et un autre système contenant un mélange dun oxydant et de son conjugué réduit. Le potentiel redox dun couple est déterminé par la loi de Nernst : E = E 0 + RT Ln nf [Ox] [Red] n = nombre délectrons F = c ste de Faraday = J.V -1.mol -1 E 0 représente le potentiel du couple (Ox/Red), mesuré dans des conditions dites standards, arbitrairement définies, par rapport à lélectrode de référence. On lappelle potentiel standard doxydoréduction. En chimie : mesure réalisée quand P [H 2 ]= 1 atm. [Ox] = [Red] = 1 mol/l.. t = 25 C à ph = 0 ([H+] = 1 mol/l). En biochimie : mesure réalisée quand P = 1 atm [Ox] = [Red] = 1 mol/l.. t = 25 C à ph = 7 ([H+] = 10-7 mol/l). Le potentiel du couple (Ox/Red) est alors E 0 Quand on met 2 couples redox en présence, il y a réaction doxydoréduction : Ox1 + Red2 Ox2 + Red1 La différence de potentiel produite par cette réaction est égale à : La loi de Nernst donne alors : E = E (ox1/red1) - E (ox2/red2) E = E 0 RT + Ln nf [Ox1].[Red2] [Red1].[Ox2] Page 4 sur 8

5 Par analogie avec la variation dénergie libre, on peut dire que lorsque E = 0, alors : E 0 = - RT nf Ln [Ox1].[Red2] [Red1].[Ox2] Sassimile à G 0 Donc, E 0 = - G 0 /nf, doù G 0 = - nf E 0 On peut donc alors prévoir le sens de la réaction et sa spontanéité. Si E 0 < 0, alors G 0 > 0 : la réaction nest pas spontanément possible. Si E 0 > 0, alors G 0 < 0 : la réaction est spontanément possible. On remarque donc quune réaction doxydoréduction Ox1 + Red2 sens quand E 0 (ox1/red1) > E 0 (ox2/red2). Ox2 + Red1 se déroule dans ce EN EFFET, LES ÉLECTRONS SE DÉPLACENT SPONTANÉMENT DU COUPLE AU POTENTIEL LE PLUS FAIBLE VERS LE COUPLE AU POTENTIEL LE PLUS FORT. Le réducteur est celui du couple qui a le potentiel le plus bas. CE DÉPLACEMENT EST ACCOMPAGNÉ DUNE LIBÉRATION DÉNERGIE. On peut utiliser aussi la règle du Gamma : Echelle des E 0 Ox 1 Red 1 Soit Ox1 + Red2 Ox2 + Red1 Voir Exos N 2 et 3. Ox 2 Red 2 IV. LE COUPLAGE ÉNERGÉTIQUE Les réactions danabolisme sont endergoniques, elles ont donc besoin dénergie pour se réaliser ; ce sont les réactions du catabolisme (exergoniques) qui vont leur fournir cette énergie. Mais dans la plupart des cas, les réactions endergoniques et exergoniques ne se passent pas au même endroit. La cellule dispose de formes chimiques capables de capter lénergie, de la véhiculer et de la restituer; ce sont des composés à haut potentiel énergétique. La forme chimique la plus fréquente est latp. Cela représente un double avantage: Lénergie libre provenant de réactions très diverses se retrouve sous une forme unique (utilisable par un très grand nombre denzymes). Page 5 sur 8

6 Quel que soit le lieu où elle est formée, lénergie est aisément transportée à travers la cellule sous forme dune molécule qui peut facilement diffuser. On parle de couplage lorsque 2 réactions chimiques se suivent de telle façon que lun des produits de la première réaction constitue le substrat de la deuxième réaction. A + B C + D D + E F + G Le composé D qui réalise le lien est lintermédiaire de couplage. Dans la cellule presque toutes les réactions procèdent de la sorte. Pour que lénergie soit transférée par un tel procédé il faut quelle soit contenue dans D. Cest par ce mécanisme que latp récupère lénergie des réactions chimiques, mais cest aussi par ce mécanisme quil la restitue aux réactions qui nécessitent de lénergie. On parle de couplage énergétique. Ex : synthèse du saccharose Glucose + Fructose Saccharose + H 2 O G 0 = 23 kj / mol Comment se fait lapport des 23 kj / mol? Il y a couplage entre deux réactions : Glucose + ATP Glucose-1-P + ADP G 0 = - 7 kj / mol Glucose-1-P + Fructose Saccharose + Pi G 0 = 0 kj / mol Le Glucose-1-P est ici lintermédiaire de couplage. V. LES COMPOSÉS A HAUT POTENTIEL ÉNERGÉTIQUE Définition : on appelle composé à haut potentiel énergétique, un composé dont la variation dénergie libre standard dhydrolyse est inférieure à -20 kj / mol. La liaison concernée est dite à haut potentiel énergétique. A. EXEMPLES DE COMPOSÉS RICHES EN ÉNERGIE 1. LATP Rappel de la structure : Adénine Ribose O O O Liaison ester Liaisons anhydrides Hydrolyse de latp : La molécule datp possède trois liaisons susceptibles de shydrolyser: les deux liaisons anhydrides et la liaison ester. Seulement les deux liaisons anhydrides sont fréquemment rompues. ATP + H 2 O ADP + Pi G 0 = -30 kj / mol ADP + H 2 O ADP + Pi G 0 = -30 kj / mol ATP + H 2 O AMP + PPi G 0 = -30 kj / mol Dans la cellule, la première est la plus fréquente. P P P Page 6 sur 8

7 2. Autres composés à haut potentiel énergétique Voir document N Position de latp parmi les composés phosphorylés Dautres composés dans la cellule sont phosphorylés, mais ne sont pas des composés à haut potentiel énergétique. Ex. : Le glucose-6-phosphate. Glucose-6-phosphate + H 2 O Glucose + HPO 4 2- G 0 = kj / mol On peut classer ainsi les composés phosphorylés suivant leur G dhydrolyse. Voir document N 2. Il apparaît que latp occupe une position centrale parmi ces composés phosphorylés. Ceci met bien en évidence le rôle central de latp dans les échanges dénergie. En effet, dans la cellule, des composés tels que le phosphoénolpyruvate (PEP) formé spontanément au cours de réactions doxydoréduction, restituent lénergie emmagasinée à latp. Par contre des composés tels le glucose-1-phosphate ne peuvent être synthétisés que lors dapport dénergie par latp. LATP, grâce à cette position intermédiaire dans léchelle des G dhydrolyse, joue le rôle daccepteur ou de donneur dénergie dans la cellule. 4. Exemple : échange dénergie entre ATP et créatine phosphate Dans la cellule musculaire, la créatine permet de stocker de lénergie à partir datp selon la réaction: Créatine + Pi créatine-p + H 2 O G = + 44 kj / mol ATP + H 2 O ADP + Pi G = - 30 kj / mol créatine + ATP créatine-p + ADP G = + 14 kj / mol La réaction de formation de la créatine phosphate à partir datp est une réaction endergonique. Cependant dans certaines conditions, elle est néanmoins possible dans la cellule. En effet daprès la relation : G = G 0 + RT Ln [ ADP ] [ Créatine Ph ] [ ATP ] [ Créatine ] Quand la cellule musculaire a besoin dénergie, la concentration en ATP diminue et celle dadp augmente. Donc K eq augmente, et G augmente jusquà devenir positif, la réaction se fera dans le sens de formation de créatine ; le muscle utilise ses réserves de créatine phosphate. Inversement, si la cellule musculaire na pas besoin dénergie, la concentration en ATP est élevée, donc Keq diminue, doù G deviendra négatif ; le muscle fait des réserves de créatine phosphate (réserves énergétiques) lorsque le muscle est au repos. Page 7 sur 8

8 B. MÉCANISMES DE FORMATION DATP Deux mécanismes sont employés par la cellule pour permettre à latp de récupérer lénergie des molécules organiques. - phosphorylation au niveau du substrat - phosphorylation oxydative 1. Phosphorylation au niveau du substrat Au cours de loxydation des substrats cellulaires, il apparaît des substances à haut potentiel énergétique (HPE) qui vont fournir lénergie à latp suivant un mécanisme bien précis. Exemple voir document N Couplage chimio-osmotique LATP peut être formé au niveau de la chaîne respiratoire, au cours de la phosphorylation oxydative. Ce mécanisme sera vu en détail dans le chapitre 2 du métabolisme. C. EXEMPLE DUTILISATION DE LATP Dans la membrane plasmique il existe une pompe à sodium/potassium qui permet de maintenir la différence de concentration entre lintérieur et lextérieur de la cellule. Les ions K + sont intracellulaires: en forte concentration dans la cellule Les ions Na + sont extracellulaires: en forte concentration à lextérieur de la cellule Cette pompe fonctionne en expulsant le Na + vers lextérieur de la cellule et en faisant rentrer le K +. Le déplacement de ces ions se fait contre le gradient électrochimique donc nécessite de latp. Voir documents N 4 et 5. Le maintien de ce gradient par la pompe à sodium/potassium responsable du potentiel de la membrane représente presque un tiers des besoins énergétiques de la cellule. Dans la cellule nerveuse électriquement active, où la propagation de linflux nerveux est due à une variation brutale de ce gradient, le besoin énergétique sélève même à 2/3. CONCLUSION : LATP fournit de lénergie à de nombreux systèmes. Vue densemble de lutilisation de latp dans le métabolisme Voir document 6. Page 8 sur 8