Energétique cellulaire
Les organismes vivants ont un besoin constant
d’énergie pour se maintenir en état. Le milieu intérieur des
êtres vivants est différent des milieux extérieurs. Les
concentrations sont différentes à l’intérieur et à l’extérieur.
Les cellules doivent renouveler leurs constituants cellulaires
(protéines, organites…) ; D’autres vont pouvoir subir des
altérations et mourir, et doivent donc être remplacées. dans
certains tissus, les protéines sont renouveler mais les cellules
aussi (GR : 120 jours ; cellules intestinales ≈ 48h.).
tout cela consomme de l’énergie.
De plus, chez les êtres jeunes, la croissance demande un surplus
nécessaire à son bon déroulement.
Dans le règne animal, les déplacements demandent de l’énergie
(activité musculaire oblige !!!). Les êtres homéothermes (à sang
chaud) dépensent de l’énergie pour maintenir une certaine
température supérieure au milieu extérieur.
1er principe : L’énergie
totale d'un système isolé est constante. La variation d’énergie
d’un système dépende de l’état finale (Ef) et de l’état initial
(Ei) et non de la voie suivi pour obtenir cette transformation.
L’entropie (le désordre) de ce système a
augmenté.
2ème principe : Un processus
ne peut évoluer spontanément que si la somme des entropies du
système et du milieu extérieur augmente. (le désordre de
l’univers augmente tout le temps).
Energie libre : E.
ΔG = ΔH – T.ΔS.
ΔG : variation de l’énergie libre. T : température (°C). ΔS :
variation d’entropie
ΔH : variation de l’enthalpie = variation
d’énergie + pression x variation de volume du système : ΔH = ΔE
+ P.ΔV.
En biochimie, il n’y a pas de variation de volume donc : ΔG = ΔE
– T.ΔS.
La variation d’énergie libre est un critère pour savoir si une
réaction peut se produire spontanément (si ΔG < 0). ΔG est
indépendant de na voie suivie. Il ne donne donc aucune
indication de la vitesse de réaction.
[C].[D]
Avec la loi d’action de masse : A + B ↔ C + D
d’où : ΔG = ΔG'0 + RT.ln --------
[A].[B]
ΔG'0 : c’est la variation d’énergie libre
standard, lorsque l’on part d’une concentration des réactifs A,
B, C, D de 1 molaire à un pH = 7 (et non pH = 0) et pour une
concentration d’eau de 55,5 mol/L (= un molaire).
A l’équilibre :
|
ΔG = 0 = |
ΔG'0 + RT.ln |
[C].[D] ------- [A].[B] |
| ΔG'0 = -RT.ln |
[C].[D] ------- [A].[B] |
|
|
Or Keq = |
[C].[D] ------- [A].[B] |
Keq : constante d’équilibre => ΔG'0 = -RT.ln.Keq => ΔG'0 =
-2,303 RT.log10.Keq.
Remarque : le critère de spontanéité d’une réaction est ΔG et
non ΔG'0.
Notion d’unité : la
calorie est la quantité d’énergie nécessaire pour faire
augmenter la température d’1g d’eau de 14,5°C à 15,5°C. (J :
N.m-1 et 1 cal = 4,18 J.)
L’ATP : si l’être
humain ne savait pas régénérer l’ADP en ATP, il consommerait
près de 40 kg d’ATP par jour.
ATP + H2O <--> ADP + Pi.
(± 7,3 Kcal suivant le sens de la
réaction).
L’ATP est souvent utilisé par couplage avec un autre réaction
dont le ΔG'0 est > -7,3 :
PEP => Pyruvate + P -14,8 kcal (--> couplé à la régénération de
l’ATP).
G6P => Glucose + P -3,8 kcal.
Grâce à la nucléotide diphosphate kinase d’autres
nucléotides peuvent jouer le même rôle que l’ATP comme donneur
d’énergie :
Uridine : ATP + UDP
<--> ADP + UTP.
Guanine : ATP + GDP
<--> ADP + GTP.
Cystidine : ATP + CDP
<--> ADP + CTP
Les principales sources d’ATP proviennent de
catabolismes. C’est le catabolisme du glucose et des acides gras
qui vont permettre ce cycle. On va donc obtenir de l’énergie en
dégradant du glucose et des lipides. Que ce soit d’origine
primaire (végétaux) ou secondaire (animaux), l’origine est liée
aux photons solaires (photosynthèse) qui aident à synthétiser
les glucoses primaires (amidon par exemple) et les acides gras.
Si quelques ATP peuvent directement être formés du substrat, la
majorité des ATP sont formés par l’oxydation de groupements H2
avec NAD et FAD comme coenzymes au niveau de la mitochondrie.
La partie du métabolisme commune aux lipides, glucides et partie
carbonée des acides aminés est le
cycle de Krebs
(tricarboxylique ou de l’acide citrique).
Le produit d’entrée dans le cycle de Krebs est l’acétyl-CoA, qui
provient de la β-oxydation des acides gras et de la
décarboxylation de l’acide pyruvique (intramitochondrial du
glucose). Cette décarboxylation est irréversible.
Une fois en acétyl-CoA, on ne pourra plus atteindre une
néosynthèse des acides gras (et jamais de sucres avec des
graisses => néoglucogenèse).
Bilan du cycle de Krebs
Il y a libération de 2 molécules de CO2,
terminant l’oxydation de l’acétyl-CoA (2C venant de l’acétyl-CoA).
Formation de 3 NADH + H+ et 1 FADH2 (pouvant être réoxydé en
donnant leurs hydrogènes). Il y a 3 molécules d’ATP produite par
NADH, H+ oxydé et 2 molécules d’ATP par FADH2 produite.
1 ATP (quand passage de succinyl-CoA à succinate)
1.
3 ATP / NADH, H+ x 3 NADH, H+ :
9.
2 ATP / FADH2 x 1 FADH2 :
2.
Total : 12 ATP.
• L’ATP inhibe allostériquement la citrate
synthase (porte d’entrée de l’acétyl-CoA.)
• L’ADP active l’isocitrate déshydrogénase (passage de l’isocitrate
à α-cétoglutarate).
• L’ATP active l’acide citrico-déshydrogénase ?
• L’α-cétoglutarate déshydrogénase est inhibé par le
succinyl-CoA (son produit) et par NADH, H+ (son coenzyme
réduit).
Rôle amphibolique : c’est le rôle dans le métabolisme des
acides aminés :
Glutamine --> α-cétoglutarate + NH2.
=> C’est le métabolisme des copules d’acides aminés.
Définition du "Harper" sur les voies amphiboliques :
…Elles apparaissent aux « carrefours » du métabolisme et servent
de liens entre les noies anaboliques et cataboliques, par
exemple, le cycle de l’acide citrique.
Cas du propionyl-CoA
A noter également, le rôle du cycle de Krebs dans les réactions de néoglucogenèse
Ceci permet d’augmenter le taux d’oxaloacétate (activateur allostérique d’acétyl-CoA) à l’origine de la néoglucogenèse
Le PEP (phosphoénol pyruvate) permet la synthèse du glucose (par la néoglucogenèse).
Le citrate : il peut
servir pour faire sortir l’acétyl-CoA de la mitochondrie lors de
la synthèse des acides gras (l’acétyl-CoA ne pouvant franchir la
membrane mitochondriale) :
|
|
Il est nécessaire de coupler le cycle de Krebs avec la chaîne respiratoire mitochondriale. |
Rappels d’oxydoréduction
Donneur d’électron ↔ acceptateur d’électron + ne–.
Réducteur ↔ oxydant + ne–.
On peut définir un potentiel d’oxydoréduction dans des
conditions standards de températures et de pressions E’0.
2,303 RT Accepteur d'electron
(oxy)
Equation de Nernst : E = E’0 + -------------- log
----------------------------------------
nF
Donneur d'elecrton (red)
La différence d’énergie libre s’écrit : ΔG'0 =
-RT.lnKeq d’où : ΔG'0 = -nF.ΔE’0 pour un système redox.
H2
<-->
2H+ + 2e–.
Il faut donc régénérer NADH, H+ et FADH2.
Chaine respiratoire
ΔE’0 = 1,14V car on passe de –0,32V à + 0,82V.
soit, en appliquant l’équation de Nernst :
-52,6kcal/mol. Il y a 7,3 kcal par ATP, avec 3 ATP fournis, le
rendement est de 41% (c’est un bon rendement : voiture thermique
: 10% au mieux).
Comment se forme l’ATP ?
La première hypothèse a été celle d’un couplage
chimique qui est basé sur le principe suivant :
AH2 + B + C
<-->A~C + BH2.
A~C + P1 + ADP
<--> A + C + ATP.
Hélas cette hypothèse n’existe pas car le composé C n’existe pas
non plus, le procédé est bien plus compliqué et consiste en la
théorie chimiosmotique de Mitchell.
Il est primordial de préserver l’intégrité des
membranes de la mitochondrie pour son bon fonctionnement
(utilisation de l’O2).
On a mesuré entre la matrice et l’espace intermédiaire une
différence de potentiel chimique en ions H+ (protons) et une
différence de potentiel électrique.
Le transfert d’électrons à travers la chaîne respiratoire permet
de pomper des protons de la matrice vers l’espace intermédiaire
créant le gradient de protons (pH) entre les deux faces de la
membrane interne. C’est ce gradient qui est utilisé pour former
l’ATP.
Où se trouvent les pompes à protons
dans la chaîne respiratoire ?
La comparaison du rendement de l’oxydation de l’ATP
avec NADH, H+et FADH2 ou l’acide ascorbique, a permis de définir
le rapport P/O qui fournit les résultats suivants :
-NADH, H+ :
3 ATP .
-FADH2 :
2 ATP.
-l’acide ascorbique (vit. C) : 1 ATP.
NADH + H+ --> FpH2 --> UQH2 --> Cyt b --> Cyt
c1 --> Cyt c --> Cyt a + a3 --> O2.
Roténone, Amylobarbital.
Antimycine A.
cyanure, CO
ΔG = -12kcal.
-10kcal.
-24kcal.
Les complexes I, III, IV fonctionnent comme des pompes à protons ouvertes dans la membrane pour favoriser l’éjection. Dans la chaîne respiratoire, environ 10 protons vont être éjecter dans l’espace inter-membranaire par NADH, H+ utilisés, donc avec 10 protons, on forme 3 ATP (9 vont être réellement utilisés) a niveau des unités phosphorylantes (F1 ATPase).
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On distingue en fait 3
sites par complexe ATPase F1. Expérimentalement, le fait d’ajouter des H+ au milieu extérieur suffit à créer de l’ATP : le flux de protons est nécessaire. En cas d’inhibition, il y a formation de chaleur (voir les cas pathologiques). |
Agents découplants
Ils augmentent la perméabilité aux ions de la
membrane interne (perte de l’intégrité de la membrane donc
mauvais fonctionnement) : la chaîne respiratoire s’effectue,
mais il n’y a plus de synthèse d’ATP. C’est le cas du
dinitrophénol qui est un agent découplant.
Le cyanure est également un inhibiteur de la chaîne
respiratoire, mais il agit sur le cytochrome oxydase provoquant
l’arrêt total du processus (!!!).
Transports de l’ATP et de l’ADP
L’ATP est nécessaire pour de nombreuses réactions
hors de la mitochondrie : il y a donc nécessité d’un
transporteur :
Il existe un transport de nucléotides qui permet la sortie d’ATP
contre l’entrée d’ADP. Ainsi que d’autres transports comme le
H2PO4– contre le OH– (franchement je vois pas ce que cela vient
foutre ici…). Ils permettent la réoxydation de NADH, Photon
-
la navette glycérophosphate
- la navette à malate
Pathologie
De nombreuses pathologies vont affecter la chaîne
respiratoire, par exemple lorsque une artère est bouchée (plaque
d’athérome), le sang n’arrive plus aux cellules, elles ne
reçoivent donc plus d’oxygène, ne produisent plus d’ATP… lorsque
cela se produit dans le cœur = infarctus du myocarde.
Un autre cas maintenant, l’intoxication au monoxyde de carbone
(CO). Le CO a une meilleure affinité avec l’hémoglobine que
l’O2, il s’y fixe plus facilement, l’oxygène n’est alors plus
transporté, la cellule n’en reçoit plus et meurt. Traitement :
air à 100% dans un caisson hyperbare (oxygénothérapie).
Le CO agit également sur le cytochrome c, dans la mesure où il
ressemble à l’hémoglobine
=> il y a donc fixation du CO sur le cytochrome.
Le cyanure produit à peu près les mêmes effets en se fixant sur
le fer des cytochromes (possédant un noyaux de fer héminique).
découplage physiologique
Ce découplage physiologique (qui a tout de même
les mêmes effets dans la mesure où il empêche la formation d’ATP)
est sous l’action de hormones thyroïdiennes et intervient dans
la thermogenèse de réchauffement pour augmenter la température
corporelle. Effet, comme la chaîne respiratoire s’effectue sans
produire d’ATP (car le découplage annule le flux de protons), le
rendement est alors nulle et toute l’énergie mise en jeu est
perdue sous forme de chaleur.
=> augmentation de la température corporelle.
Chez les rats, au niveau du tissu adipeux, une protéine
découplante la thermogénqeqchose (un analogue de T3) va
engendrer le découplage des membranes mitochondriales et
provoquer un réchauffement corporel.
En pathologie :
-hyperthyroïdie : augmentation de la thermogenèse : "il a toujours
chaud".
-hypothyroïdie : diminution de la thermogenèse : "il a toujours
froid", il est même arrivé de rencontrer des cas d’hypothermie
due à une hypothyroïdie.
Ce sont les gènes UCP1, 2 et 3 qui sont
responsables du découplage physiologique et qui sont sous le
contrôle de l’hormone thyroïdienne T3.
Un autre découpleur : l’arsenic AsO4H (même gueule que l’acide
phosphorique PO42–). L’arsenic se lie à l’ADP pour former
l’ADP-AsO4H, un composé instable qui empêche la formation d’ATP
mais pas la production de chaleur !!!
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE