MI1 Métabolisme et Nutrition - Bioénergétique - Baudin Année Universitaire BIOENERGETIQUE

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1 BIOENERGETIQUE 1. Préambule Les organismes vivants sont des systèmes chimiques autonomes qui s auto-reproduisent. Ils sont constitués d une série de molécules C, O, H (+ N et phosphore) 4 catégories : glucides : c est la source d Energie de la cellule, stockés en polysaccharides acides gras : rôle principal dans la constitution des membranes acides aminés : constituant des protéines, rôles très divers dont celui important des enzymes nucléotides : rôle central dans le transfert de l Energie + transmission de signaux intracellulaires + constitution des molécules d ADN et d ARN La principale source d Energie chez l homme est le glucose (rôle dans la glycémie, responsable du diabète en pathologie ) Il est constitué des atomes C, O et H. Une fois brûlé, il donne de l Energie et des déchets sous forme de CO2 et H2O. 2. Généralités 2.1 Ordre biologique et Energie La cellule obéit aux lois physiques et chimiques 1 ère loi de thermodynamique : tout système isolé tend vers le désordre. Un organisme vivant a un haut degré d organisation. Il se nourrit, s accroît, se développe Il s agit ainsi d un système désordonné qui tend vers un système ordonné. Il y a donc nécessité d échanges permanents avec le milieu extérieur. Schéma 1 Pour que les réactions puissent se faire à l intérieur de la cellule, de l Energie doit être fournie par les aliments. Au départ, l Energie est fournie par rayonnement électromagnétique via les photons du soleil, ce qui permet, à partir des molécules de CO2, de faire vivre les végétaux grâce à la photosynthèse. Ces derniers serviront ensuite de nourriture aux animaux. Le tout se dégradant pour redonner du CO2 et H2O (cycle) Schéma Transfert énergétique Le transfert de l Energie solaire se réalise grâce à la chlorophylle. Les photons du soleil la transforment en une molécule excitée. L Energie récupérée est transportée par des molécules de transfert : ATP et NADPH Celles-ci libèrent de l Energie qui permet la transformation de CO2 en glucides. Les molécules fabriquées par les végétaux sont ensuite absorbées par les animaux sous forme d aliments. 1

2 2.3 Molécules organiques et Energie Oxydation et réduction Il s agit de réactions de transfert d électrons d un atome à un autre. Oxydation = perte d électrons /gain d O /perte d H Réduction = gain d électrons / perte d O /gain d H Dans la nature, les 3 principaux atomes C, H et O sont organisés en 2 briques fondamentales qui sont H2O et CO2. Exemples Oxydation : Réduction : Fe++ Fe+++ Cl Cl- Dans une liaison covalente, il y a attraction des électrons suivant l électronégativité des atomes : C (δ +) --- O (δ -) C (δ -) --- H (δ +) O (δ -) --- H (δ +) C forme oxydée O forme réduite C forme réduite H forme oxydée O forme réduite H forme oxydée De part leur équilibre électronique, les atomes de C et d H sont plus stables sous forme oxydée. Au contraire l O est plus stable sous forme réduite. O== C ==O H--- O ---H Ainsi, CO2 et H2O sont les molécules les plus stables dans l univers au niveau électronique. Le méthane CH4 est très instable. Pour le stabiliser, on ajoute des O petit à petit (oxydations successives) : Remarques : CH4 CH3 OH CH2O HCOOH CO2 alcool aldéhyde / cétone acide forme la plus stable - les réactions inverses correspondent à des réductions. - il peut exister une étape intermédiaire avec formation d alcène (double liaison) CH3 CH3 CH2 == CH2 2

3 Intervention des enzymes : Energie d activation Il existe une barrière d Energie d activation (entre état final et état initial) qui interdit les transformations spontanées. Schéma 4 Il est nécessaire d apporter de l Energie : Ga Il existe dans l organisme des systèmes qui permettent de passer cette barrière de manière harmonieuse et contrôlable : les ENZYMES, dont le rôle est d abaisser cette barrière. Le système enzymatique permet ainsi de libérer de l Energie. Devenir de l Energie libérée Formation d une molécule capitale : l adénosine tri phosphate ou ATP Schéma 5 et 6 Les glucides perdent du CO2, de l H2O et de la chaleur en libérant de l Energie qui est récupérée via le cycle de Krebs. 3. Rappels de thermodynamique o Energie libre : fonction thermodynamique la plus utile 1 er principe de la thermodynamique : L Energie totale d un système et de son milieu extérieur est constante. E = E (B) E (A) = Q W E (B) : Energie fin du processus E (A) : Energie début du processus Q : chaleur absorbée par le système W : travail effectué par le système Si E > 0 : le système a gagné de l Energie Si E < 0 : le système a perdu de l Energie 2 ème principe de la thermodynamique : notion d entropie (S) Un processus ne peut évoluer spontanément que si la somme des entropies du système et du milieu extérieur augmente (le système devient plus désordonné) S (système) + S (milieu extérieur) > 0 L entropie permet la mesure du degré de désordre d un système. - Notion d Energie libre (GIBBS) G = H T S G : variation d Energie libre H : variation d enthalpie T : température S : variation d entropie 3

4 H = E P V E : variation d Energie P : pression V : variation de volume (négligeable dans les conditions biochimiques) Donc G = E T S S > 0 : réaction spontanée G <0 : réaction exergonique pouvant se produire spontanément G = 0 : équilibre G > 0 : réaction endergonique nécessitant un apport d Energie libre o Relation Energie libre constante d équilibre A + B C + D (réactifs) (produits) K équilibre = G = Go + RT log Go : variation d Energie libre standard à ph 7 Exemple : glycolyse Phosphohydroacétone phosphoglycéraldéhyde Go = kcal/mol Ke = [finaux] / [initiaux] soit [aldéhyde] / [cétone] = ( ) / ( ) G = = -0.7 kcal/mol La réaction peut donc se faire pour ces concentrations. La possibilité d une réaction dépend de : - La nature des réactifs - La concentration des réactifs 4

5 o Couplage des réactions La variation d Energie libre totale d une série de réaction est égale à la somme des variations d Energie libre de chacune des réactions. Une réaction endergonique couplée à une réaction exergonique peut se faire : Endergonique : A B + C Go = +5 kcal/mol Exergonique : B D Go = -8 kcal/mol C + D Go total = -3 kcal/mol Ici A C peut se faire. A Exemple : - pompe Na+/K+ La phosphorylation entraîne un changement de conformation autorisant le transfert Na+/K+ - Un gradient ionique peut permettre une réaction : les protons H+ dans le cycle de Krebs 4. ATP Cycle de l ATP L ATP est un élément majeur des processus cellulaires qui nécessitent un apport d Energie en vue d une transformation. Il a été décrit en 1941 par LIPMAN. Les aliments arrivent dans un rotor métabolique : fabrication d ATP utilisé dans la cellule qui revient au rotor sous forme d ADP. Il y a possibilité de stocker l Energie sous forme de CP. Schéma 7 L ATP est utilisé pour : fabriquer des molécules : travail chimique transporter des molécules : travail osmotique la contraction musculaire : travail mécanique Travail chimique, osmotique et mécanique sont réalisés dans tous les organisme vivants. L ATP correspond à : une base : adénine un sucre : ribose 3 P avec 2 liaisons riches en Energie Au ph cellulaire, l ATP est un anion fortement chargé. Il est couplé à du magnésium (Mg ++) ou du manganèse (Mn + +). L ATP ainsi couplé présente 2 charges négatives. 5

6 Cette molécule d ATP s hydrolyse : - ATP ADP + Pi Elle émet en s hydrolysant une quantité d Energie importante soit 7.3 kcal/mol : c est le Go de la réaction dépendant des conditions de ph, de pression etc Go peut aller jusque 11 ;13 kcal/mol. - ADP AMP + Pi Cette réaction fournit 7.3 kcal/mol d Energie. - AMP adénosine + Pi Cette réaction fournit 3.4 kcal/mol d Energie. En pratique, seuls 2 phénomènes se produisent dans l organisme - ATP ADP + Pi - ATP AMP + PPi (pyrophosphate) Schéma 10 L ATP est important de part sa position médiale dans la chaîne d Energie. Le PEP est la molécule la plus énergétique avec 14.8 kcal/mol. bases structurales de la variation d Energie libre a) Energie de résonance Quand une double liaison est proche d une simple liaison, les électrons π de la double liaison sont susceptibles de se déplacer. Exemple : benzène (échange permanent d électrons) L Energie des électrons qui s agitent correspond à l Energie de résonance. L ATP est un exemple de molécules très riches en Energie car il est en résonance. Les électrons supplémentaires des O et les électrons des doubles liaisons résonnent. Remarque : le ribose joue le rôle d isolant entre adénine et P. b) Energie électrostatique Une molécule d ATP porte 4 charges négatives se repoussant fortement. Son hydrolyse produit un Pi avec 2 charges négatives et 1 ADP avec 3 charges négatives. Pi 2- et ADP 3- se repoussent fortement et l Energie créée par la répulsion est utilisable. Dans le cas du G6P, il y a production d un glucose neutre pour 1 Pi 2-, il n y a donc pas d Energie électrostatique. 6

7 Rôle de transporteur du système ATP-ADP En pratique, dans l organisme, rien ne se passe brutalement. La plupart des réactions énergétiques procèdent par étapes. Donneurs d Energie : PEP + ADP + pyruvate kinase pyruvate + ATP phosphocréatine + ADP créatine + ATP phosphocréatine = phosphagène, (condensateur d Energie) schéma 12 Accepteurs d Energie : glucose + ATP G6P (glycolyse) schéma 11 Il y a ainsi un flux des liaisons riches P des molécules riches en Energie vers les molécules pauvres en Energie. Rappel : condensation possible sous forme de CP. aspects thermodynamique de l hydrolyse de l ATP Soit A B de Go = -4 kcal/mol - puisque G (à l équilibre : G = 0) = Go + RT log Ke on peut calculer Ke = [B] / [A] = 1, si on couple A + ATP + H2O B + ADP + Pi + H+ donc Go = = -3.3 kcal/mol d où Ke = 2, Et si le rapport ATP / (ADP + Pi) est de 500 (cas de la cellule), alors Ke = 1, C est à dire qu on a modifié le rapport d équilibre par un facteur 10 8 par la seule présence d un ATP. Si 3 ATP, alors 10 8*3 = Autres nucléotides 5 P ATP UTP UDP utilisé dans la synthèse des polyalcools CTP CDP utilisé dans la synthèse des lipides GTP GDPutilisé dans la synthèse des protéines + cycle de Krebs Quelle que soit la base concernée, c est la même chose du point de vue énergétique. Remarque : il y a possibilité d échange avec l ATP dans un sens de la réaction et le GTP par exemple dans l autre. Rôle de l AMP Dans certaines réactions, les besoins énergétiques sont plus importants. On assiste donc à la réaction suivante : ATP AMP + PPi La quantité d Energie libérée est égale à 10 kcal/mol. Retour de l AMP : AMP + ATP + adénylate kinase ADP +ADP qui donneront à leur tour de l ATP par ajout d un phosphate Remarque : PPi Pi + Pi libérant 4.6 kcal/mol 7