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Chapitre 16 : Introduction au métabolisme1. Métabolisme cellulaire2. Rappels de thermodynamique3. Rôle particulier de l’ATP4. Composés extrêmement riches en énergie5. Réactions d’oxydoréduction

• Les réactions biochimiques dans la cellule sont à l’équilibre

• Les organismes vivants ne sont pas à l’équilibre

• Par le métabolisme l’organisme vivant consomme de l’énergie libre pour assurer différentes fonctions

Métabolisme cellulaire 1

• Pour les êtres phototrophes l’énergie libre est fournie par le soleil grâce à la photosynthèse (CO2 + H2O --> glucides + O2)

• Les êtres chimiotrophes obtiennent leur énergie libre en oxydant des composées organiques provenant d’autres organismes phototrophes.

• L’énergie libre est le plus souvent utilisée pour la synthèse intermédiaire de composés phosphorylés riches en énergie tels que l’ATP.



Biomolécules

Matériaux de construction

Energie

Travail cellulaire

Aliments Déchets

Anabolisme(réactions endergoniques)

Catabolisme(réactions exergoniques)

Lumière

Ensemble de réactions enzymatiques se déroulantà l’intérieur d’une cellule

Voie métabolique : séquence de réactions permettant la synthèse ou la dégradation d’un composé

Voies cataboliques : voies de dégradation; souvent productrices d’énergie (glycolyse, cycle de Krebs, ß oxydation)

Voies anaboliques : voies de biosynthèse(gluconéogenèse, cycle de Calvin, acides gras etc…)

Métabolisme intermédiaire


Chacune des réactions est catalysée par une enzyme propre

Substrats, intermédiaires et produits sont appelés métabolites

Environ 4000 enzymes sont connues

Une simple bactérie contient entre 500 (Mycoplasma) et 5000 (Escherichia coli) gènes

Un organisme eukaryote contient entre 6000 et 30 000 gènes, dont une grande partie avec une fonction encore inconnue

L’ATP et le NADPH fournissent l’énergie libre nécessaire aux réactions de biosynthèse. Ils sont formés au cours de la dégradation de métabolites complexes

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Catabolisme/anabolisme



Les voies métaboliques sont irréversibles

• Une réaction très exergonique faisant partie d’une voie à plusieurs étapes, impose le sens de déroulement de la voie et rend celle-ci irréversible.

• Par conséquence l’anabolisme et le catabolisme doivent emprunter des voies différentes

A1 2 Y X

Division en une série d’étapes élémentaires- une enzyme = une réaction élémentaire

- chemin suit une “logique chimique”- certaines réactions sont possibles

d’autres pas- meilleure récupération de l’énergie

- utilité de cycles (cycle de Krebs, de l’urée, de Calvin, du glyoxylate)

Organisation des voies métaboliques

Fonctions métaboliques d’organites d’eucaryotes

Organite Fonction

Mitochondrie Cycle de l'acide citrique, transport d'électrons et phosphorylations oxydatives, oxydation

des acides gras, dégradation des acides aminés

Cytosol Glycolyse, voie des pentoses phosphate, biosynthèse des acides gras, plusieurs réactions de

la gluconéogenèse

Lysosomes Digestion enzymatique de constituants et de substance ingérées

Noyau Réplication et transcription de l'ADN, maturation de l'ARN

Appareil de Golgi Maturation post-traductionnelle de protéines membranaires ou sécrétées;

formation de la membrane plasmique et des vésicules de sécrétion

Réticulum endoplasmique rugueux Synthèse de protéines liées aux membranes ou sécrétées

Réticulum endoplasmique lisse Biosynthèse des lipides et des stéroïdes

Peroxysomes

(glyoxysomes chez les plantes)

Réactions oxydatives catalysées par les aminoacide oxydases et la catalase;

chez les plantes, réaction du cycle du glyoxylate

Critère de spontanéité d ’une réaction :

Variation d’énergie libre (de Gibbs) = ∆G

∆G < 0 réaction “exergonique”(thermodynamiquement possible)

∆G > 0 réaction “endergonique”thermodynamiquement impossible(à moins de fournir de l’énergie libre)

∆G = 0 équilibre thermodynamique

Rappel de thermodynamique

∆G = ∆ H - T∆S

Rappel de thermodynamique

∆H : variation d’enthalpie; chaleur reçue par le système∆H > 0 : réaction endothermique∆H < 0 réaction exothermique

∆S = variation d’entropie

Influence des [réactifs] sur la valeur de ∆G

G = G° + 2,303 RT log[A]Avec G° = énergie libre standard

R = constante des gaz parfaits

Pour un réactif “A”

Pour une réaction A + B C + D

∆G = ∆G° + 2,303 RT log [C][D]/[A][B]Avec ∆G° = variation d’énergie libre standard

[Réactifs] = 1 M; Pression (gaz) : 1 atmosphèreH2O = fraction molaire = 1; pH = 0 (∆G°) ; pH = 7 (∆G°’)

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ?

Critère grossier, car les concentrations intracellulairesdes réactifs sont très différentes de 1M

Bon critère : ∆G

Mais demande de connaître les concentrations intracellulaires de réactifs !

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ?

Exemple : fructose-1,6-bisphosphate aldolase

Fructose-1,6-P2 Glycéraldéhyde-3-P +dihydroxyacétone-P

∆G°’ = + 24 kJ/molMais[Fru-1,6-P2] ≈ 100 µM[Glycéraldéhyde-3-P] ≈ 5 µM[Dihydroxyacétone-P] ≈ 100 µM

∆G ≈ - 8.4 kJ/mol

Réactions proches et éloignées de l’équilibre thermodynamique

Dans voies métaboliques-réactions proches de l’équilibre thermodynamique

(∆G ≈ 0 à - 2 kJ/mol)-les plus fréquentes-Régulation ”passive” : [substrats] et [produits]

-réactions éloignées de l’équilibre thermodynamique-(∆G < - 8 kJ/mol)-Étapes régulées

-Régulation par [substrats] et [produits]-Régulation allostérique-Régulation par modification covalente

Thermodynamique des composés phosphorylés

• Les processus endergoniques qui assurent le maintien en vie des organismes sont rendus possibles par les réactions exergoniques de l’oxidation des nutriments.

• Ce couplage dépend le plus souvent de la synthèse d’intermédiaires « riche en énergie ».

• L’ATP est une sorte de monnaie universelle d’énergie libre



Structure de l’ATP montrant sa relation à l’ADP, l’AMP et l’adénosine

Réactions de transfert de groupement phosphoryle

R1-O-PO32- + R2-OH R1-OH + R2-

O-PO32-

ATP + H2O ADP + Pi

ATP + H2O AMP + PPi

Pi= phosphate inorganique (PO43-)

PPi= pyrophosphate (P2O74-)

liaison pyrophosphate

∆G d’hydrolyse de l’ATP

ATP + H2O ADP + Pi∆G°’ = - 29.2 kJ/mole∆G ≈ - 55 kJ/molesi [ATP] = 5 mM; [ADP] = 0,1 mM; [Pi] = 5 mM

ATP + H2O AMP + PPi∆G°’ = - 32 kJ/mole∆G ≈ - 84 kJ/molesi [ATP] = 5 mM; [AMP] = 10 µM; [PPi] = 1 µM

Détermination du ∆G°’ d’une réaction

∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B]

À l’équilibre

∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B] = 0

Donc∆G°’ = - 2,303 RT log [C][D]/[A][B]

On détermine la concentration des substratset produits de la réaction lorsque celle-ci a atteint son équilibre thermodynamique et on calcule ∆G°’

Utilité des valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse

Reflètent le contenu énergétique d’une liaison

Permettent de calculer les valeurs de ∆G°’ de réactions de transfert de groupe

Rôle particulier de l’ATP comme monnaie énergétique

-Composé abondant dans la cellule (≈ 5 mM)-Riche en énergie (∆G°’ = - 29.2 kJ)-Utilisé par de très nombreuses enzymes

-Kinases (entre autres celles qui forment autres nucléotides)

-Ligases-ATPases (transport, mouvement)

-Pouvant être formé - à partir de composés ”super”-riches en énergie

-PEP (phosphoénolpyruvate), créatine-P, 1,3-bisphosphoglycérate

- par les phosphorylations oxydatives mitochondriales

Origine du haut contenu énergétique de l’ATP (des NTP)

- Plus grande stabilisation de résonance des produits d’hydrolyse

-Meilleure solvatation des produits

-Répulsion électrostatique des charges négatives dans ATP

-Formation par hydrolyse d’une fonction acide (qui s’ionise à pH neutre)

Et cependant, l’ATP, “thermodynamiquement instable”,est “cinétiquement stable” (besoin d’enzyme pour catalyser son hydrolyse).

NB - ATP essentiellement présent sous forme d’ATP-Mg

Valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse

Métabolite ∆G°’ hydrkcal/mol

Phosphoénolpyruvate - 14,81,3-bisphosphoglycérate - 11,8Acétylphosphate - 11,2Phosphocréatine - 10,3

Pyrophosphate - 8,0ATP ( AMP + PPi) - 7,6ATP (ADP + Pi) - 7,3

Glucose 1-phosphate - 5,0Glucose-6-phosphate - 3,3Glycérol-3-phosphate - 2,2

Extrêmement riches

Riches

Pauvres

Variation d'énergie li bre standard lors de l'hydrolyse de

quelques composés phosphorylés importants en

biochimie

Composé G°′ (kJ•mol-1)

Phosphoénolpyruvate - 61,9

1,3-Bisphophoglycérate - 49,4

Acétyl phosphate - 43,1

Phosphocréatine - 43,1

PPi - 33,5

(ATP → AMP + PPi) - 32,2

ATP (→ ADP + Pi) - 30,5

Glucose-1-phosphate - 20,9

Fructose-6-phosphate - 13,8

Glucose-6-phosphate - 13,8

Glycérol-3-phosphate - 9,2

NB: Le ∆G d’une réaction varie en fonction des concentrations totales de ses substrat et ses produits et avec leurs états de ionisation (pH)



Transfert de groupements phosphoryle

Composés extrêmement riches en énergie

Phosphoénolpyruvate - 61,91,3-bisphosphoglycérate - 49,4Acétylphosphate - 43,1Phosphocréatine - 43,1

PEP + ADP Pyruvate + ATP ∆G°’ = - 31,5 kJ/molpyruvate kinase

1,3-P2G + ADP 3-phosphoglycerate + ATP ∆G°’ = - 18,9 kJ/molphosphoglycérate kinase

P-créatine + ADP créatine + ATP ∆G°’ = - 12,6 kJ/molcréatine kinase

Facteurs responsables du caractère « riche en énergie » des liaisons

pyrophosphate

• Stabilisation par résonance

• Forces de répulsion électrostatiques

• Energie de solvation



La résonance est responsable du caractère « riche en énergie »

des acyles phosphate

R-CO~PO32-

O

R-C-O-H + HOPO32-

OH2O

R-C=O

O-H

R-CH2 - O-PO32- R-CH2-O-H + HOPO3

2-

H2O

G°’ ≤ 20 KJ/mol

G°’ > 40 KJ/mol

Liaison d’haute énergie

Phosphagènes

- Composés permettant de régénérer rapidement l’ATP(en particulier dans muscles)- Dérivés de la guanidine

Rôle de réservoir énergétique de la phosphocréatine

P-créatine + ADP créatine + ATP ∆G°’ = - 12.6 kJ/mol

Keq = [créatine][ATP]/[P-créatine][ADP] ≈ 100

[ATP]/[ATP] + [ADP]

[P-créatine]/[P-créatine] + [créatine]

1

10

0

Lors de contraction musculaire

Réactions d’oxydoréduction

Importance

biosynthèses : souvent réductionsbiodégradations : souvent oxydations

Réactions d’oxydo-réduction souvent productrices ou consommatrices de beaucoup d’énergie

Réactions d’oxydo-réduction

Ared + Box Aox + Bred

“Monnaie d’échange” : NAD+/NADH et NADP+/NADPH

Calcul des ∆G des réactions d’oxydoréduction :à partir des valeurs de potentiel de réduction

Mesure de la force électromotrice



Pile électrochimique :

Fe3+ + Cu3+ <========> Fe2+ + Cu2+

Cu+ <-------------> Cu2+ + e- (oxydation)Fe3+ + e- <-------------> Fe2+ (réduction)

Potentiel mesuré est la force électromotrice

Point de référence : l'électrode de gaz d'hydrogène:

2H+ + 2e- <-------------> H2(g)Dans des conditions standard: [H+] = 1M (pH=0); H2(g) 1atm, 25°C

Valeurs de potentiel de réduction

Demi-réaction

1/2 O2 + 2H+ + 2 e- H2OCyt a3 (Fe3+) Cyt a3 (Fe2+)Cyt a (Fe3+) Cyt a (Fe2+)Cyt c (Fe3+) Cyt c (Fe2+)Cyt b (Fe3+) Cyt b (Fe2+)Ubiquinone + 2 H+ + 2 e- UbiquinolFumarate + 2 H+ + 2 e- SuccinateFAD (lié) + 2 H+ + 2 e- FADH2

FMN (lié) + 2 H+ + 2 e- FMNH2

Pyruvate + 2 H+ + 2 e- LactateAcétaldéhyde + 2 H+ + 2 e- EthanolNAD+ + H+ + 2 e- NADHNADP+ + H+ + 2 e- NADPHAcétate + 3 H+ + 2 e- Acétaldéhyde

E°’ (V)

0,820,390,290,250,220,100,03≈ 0≈ 0- 0,18- 0,20- 0,32- 0,32- 0,58

Bons réducteurs

Bons oxydants

Relation entre potentiel oxydoréduction et ∆G

Travail = charge x différence de potentiel

∆G°’ = - n F ∆E°’“-” : parce que charge négative des électronsn = souvent 2, parce que deux électrons échangésF : constante de Faraday = charge d’une “mole” d’électron

= 96,9 kJ/(Volt x mol)

Oxydation du NADH par O2

NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O∆E°’ = 0,82 V - (-0,32V) = 1,14 V∆G = - 2 x 23,06 x 1,14 = 221 kJ/mol

(soit de quoi synthétiser certainement 3 mol d’ATP)

Effet des concentrations de réactifs sur ∆E

Valeurs de potentiel de réduction

Demi-réaction

1/2 O2 + 2H+ + 2 e H2OCyt a3 (Fe3+) Cyt a3 (Fe2+)Cyt a (Fe3+) Cyt a (Fe2+)Cyt c (Fe3+) Cyt c (Fe2+)Cyt b (Fe3+) Cyt b (Fe2+)Ubiquinone + 2 H+ + 2 e UbiquinolFumarate + 2 H+ + 2 e SuccinateFAD (lié) + 2 H+ + 2 e FADH2

FMN (lié) + 2 H+ + 2 e FMNH2

Pyruvate + 2 H+ + 2 e LactateAcétaldéhyde + 2 H+ + 2 e EthanolNAD+ H+ + 2 e NADHNADP+ H+ + 2 e NADPHAcétate + 3 H+ + 2 e Acétaldéhyde

E°’ (V)

0,820,390,290,250,220,100,03≈ 0≈ 0- 0,18- 0,20- 0,32- 0,32- 0,58

Succinatedéshyd.

ChaîneResp.

Déshydrogénases

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