Bioénergétique, cours de biochimie (université de Reims Champagne Ardenne S4) PDF

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cours de bioénergétique, biochimie. cours de ROMIER-CROUZET Beatrice...

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Bioénergétique A) Bioénergétique 1- Introduction

Bioénergétique = biochimie thermodynamique : - Partie de la biochimie qui étudie et explique les mécanismes des transformations (conservation) de l’énergie dans les tissus vivants. - Étude d’une multitude de processus cellulaires comme la respiration ou les autres voies du métabolisme qui consomment ou produisent de l’énergie emmagasinées dans les molécules d’ATP En bioénergétiques les organismes vivants = systèmes ouverts Dans le système ouvert on aura des échanges d’énergie et de matière avec le milieu environnant. Et tous les produits de la réaction vont être continuellement consommés. Systèmes fermés = tubes à essai , on ne retrouve pas ces échanges avec l’environnement.  Pourquoi certaines réactions ont lieu (et pas d’autres) (on peut prédire pourquoi cette réaction à lieu) Pour vivre et croitre les organismes ont besoin de synthétiser de la matière organique, de se déplacer, de réparer substituer les tissus endommagées… Cela demande de l’énergie :  D’où les cellules tirent-elles cette énergie ?  Comment les cellules utilisent l’énergie et synthétisent les composants cellulaires ? Les organismes doivent extraire l’énergie à partir de la matière environnante et la convertir en d’autres formes d’énergies propres à leurs existences. Les organismes peuvent être divisés en deux classes étroitement liées : - Les phototrophes qui reçoivent l’énergie lumineuse du soleil et qui la convertissent en une énergie chimique sous forme de molécule organique. (Exemple de molécules organiques synthétisés par les autrotrophes : les oses) - Les chimiotrophes qui vont dégrader ces molécules organiques par oxydation et refournir des molécules simples aux phototrophes (ils vont dégrader les molécules organiques des phototrophes) o Une fois ces molécules dégradées on va obtenir des molécules simples CO2 H2O qui vont être utilisés par les autotrophes. o Les oses sont ingérés par les chimiotrophes En conséquence, toute cellule vit en se développe grâce à un échange ininterrompu de matière et d’énergie avec le milieu environnant.

Le métabolisme : Toutes cellule est le siège de milliers de réactions biochimiques mettant en jeu des transfert de matière et d’énergie. Cet ensemble de réaction = le métabolisme. Les réactions formant un réseau de voies très ramifiées le long desquelles les molécules, les métabolites, sont transformées. Interdépendance des voies métaboliques : Chaque point = un métabolite/ Les traits qui relient les points = les réactions biochimiques Chaque métabolite est issu d’un ou plusieurs précurseurs et est le précurseur d’un (ou plusieurs métabolites)

Les organismes phototrophes font la photosynthèse et synthétiser des intermédiaires (ATP) riches en énergie chimique et pouvoir réducteur (NAD, NADP) NAD = nicotinamine adénine dinucléotide NADP = nicotinamine adéline dinucléotide phosphate

Les chimiotrophes trouvent leurs éléments sous forme de nutriments que l’on va oxyder pour synthétiser de l’ATP du NAD et NADP , toute cette énergie nous permet de synthétiser différents constituants (biosynthèse) Plus en détail : Les réactions métaboliques sont associées à l’utilisation de l’énergie de co-facteurs. Les réactions de dégradation (catabolisme) libèrent de l’énergie, les réactions de synthèse (anabolisme) en consomment.

À partir d’oses et de cofacteur on aura la synthèse de produits simple et surtout d’ATP et de NADP. Les réactions de biosynthèse vont utiliser ATP molécules simples et NADPH pour former des métabolites complexes.

Les cofacteurs peuvent être classés en 2 catégories : - Les ions métalliques qui permettent le maintien de la structure de l’enzyme - Les coenzymes qui favorisent l’activité enzymatique et qui peuvent être calssés selon leurs mode de liaison à l’enzyme : o Les coenzymes faiblement liés à l’enzymes (liaisons hydrogène ou ionique) seront appelés cosubstrats o Coenzymes fortement liés à l’enzyme (liaison covalente) seront appelés groupements prosthétiques -

Les cofacteurs organiques sont souvent des vitamines ou des dérivés de vitamines. La plupart vont contenir le nucléotide adénosine monophosphate (AMP) dans leurs structures, comme l’ATP le coenzyme A, le FAD et NAD+. o Molécules riches en énergie permettant aux cellules d’utiliser leurs énergie

Le catabolisme : Ensemble de réactions enzymatiques de dégradation de macromolécules qui convergent en peu de molécules de petite taille. Ces réactions s’effectuent avec libération d’énergie dont une partie est stockée sous forme d’ATP et de transporteurs d’électrons réduits (ex : NAD(P)H et FADH2) Exemples de réactions de catabolisme : - Glycolyse - Cycle de Krebs - Dégradation du glycogène - Phosphorylation oxydative - beta-oxydation des acides gras - La voie des pentoses phosphates - Transamination/désamination des acides aminés But du catabolisme : obtenir des molécules simples et de l’énergie et tout au bout transformer en CO2 et H2O

L’anabolisme : Ensemble de réactions enzymatiques de biosynthèse qui divergent pour former beaucoup de macromolécules ou de leurs précurseurs. Ces réactions nécessitent un apport d’énergie fournie généralement par l’hydrolyse de l’ATP et/ou le pouvoir réducteur du NAD(P)H et du FADH2 Exemples de réactions d’anabolisme : - Photosynthése - Gluconéogenèse - Cycle de Krebs - Synthèse glycogène - La voie des pentoses phosphate - Synthèse acides gras - Synthèse des acides aminés

L’anabolisme et le catabolisme ont lieu simultanément dans la cellule : ces deux processus sont extrêmement régulés de manière coordonnée. Les voies de biosynthèse et de dégradation qui pourraient être en compétition sont, chez les eucaryotes, souvent localisés dans des compartiments sub-cellulaire distincts. Exemple : la voie de dégradation oxydative des acides gras est localisée dans la mitochondrie et celle de leur biosynthèse est localisée dans le cytosol (pas de compétition entre les deux) Toutes les réactions du métabolisme se déroulent à une très grande vitesse, bien supérieur à celle qu’elles auraient isolément dans la nature, grâce à des catalyseurs biologiques : les enzymes.

Il existe 3 grands types de nutriments (substrats énergétiques) : sucres, protéines, graisses. On va les consommer et on va dégrader ces différents nutriments pour obtenir glucose et oses, AA et AG et glycérol. Ensuite on va synthétiser de l’acétyl-coA. Qui va aller au cycle de Krebs. On aura un transfert d’électron vers la respiration mitochondriale et au bout on aura la synthèse d’ATP. Quand on dégrade ses différents substrats énergétiques ne permettent pas d’obtenir la même quantité d’énergie.

Les substrats énergétiques :

-

Les glucides : 4 kcal/g Les lipides : 9 kcal/g Les protéines : 4 kcal/g

Quel est le rôle des substrats énergétiques Double rôle des substrats énergétiques :  Satisfaire les besoins immédiats en ATP par leurs oxydation dans le cycle de kREBS o Oxydation possible de tous les substrats. Chois des substrats des substrats énergétiques dépend de l’état métabolique et hormonal  Acides gras : oxydés quand ils sont à un niveau élevé dans le sang (période postabsortive et jeûne, exercice physique)  Glucides : oxydés en période postprandiale par tissus insulinodépendants (muscles squelettiques, adipeux, hépatique) et en permanence par tissus non insulino-dépendants (cerveau)  Protéines : oxydées en cas d’afflux important (foie en période post prandiale)  Reconstituer les réserves de glycogène et de protéines Période postprandiale notre organisme est fait pour alterner entre période postprandiale et jeune. Actuellement de plus en plus de personnes qui n’ont plus une alternance et donc problématique du diabète de type 2 et d’obésité Donc les substrats énergétiques soit fournir un apport immédiat soit effectuer un stock. 2- Notions de bioénergétiques

La thermodynamique est la science qui étudie et décrit le comportement de la matière et des systèmes, en fonction des notions de température (T). d’énergie (chaleur, travail) et d’entropie (S). Entropie : fonction d’état qui va mesurer le degré de désordre d’un système. La thermodynamique repose sur 2 notions de base, l’énergie interne et l’entropie qui satisfont aux deux principes suivants, qui stipulent que : - L’énergie se conserve (premier principe) - L’entropie (degré de désordre) ne peut qu’augmenter (deuxième principe)

Le premier principe de la thermodynamique : affirme que l’énergie ne se crée ni ne se détruit, mais se transforme (les différents types d’énergie peuvent s’inter convertir).

-

Le contenue total de l’univers est constant.

 w Uinitiale : énergie interne du système (cellule) Ufinale = énergie interne du système après le processus U = fonction d’état en J.mol-1 q = quantité de chaleur échangée avec le système (absorbé => signe +) (émise => signe -) w = travail effectué par le système sur le milieu extérieur ou inversement

Le travail se décompose en 2 types de travaux : 1- Travail mécanique correspond à un changement de volume à la pression P. w = PV o Dans la cellule, P constante, V ne varie quasiment pas => PV = 0 => w = 0 2- Toute autre forme de travail : w’ o Dans la plupart des réactions biochimiques isolées w’ = 0  La variation d’énergie interne se résume à = qp : H Cette quantité de chaleur absorbée à P constante est appelée enthalpie ou H. Enthalpie = fonction d’état du système dont l’unité est J.mol-1 (la variation d’énergie interne d’un système est égale à la quantité de chaleur échangée avec l’environnement. Et U = H ) On dit qu’un processus est : (en fonction de l’enthalpie)  Exothermique : quand il produit de la chaleur => Dans ce cas H < 0  Endothermique : quand il absorbe de la chaleur => dans ce cas H > 0 Le second principe de la thermodynamique : affirme que tout échange ou transformation d’énergie dans un système ouvert augmente son entropie c’est à dure le degré de désordre de ce système. Cette augmentation vient du fait qu’au cours des transformation, une partie de l’énergie est convertie en chaleur qui est perdue en se dispersant dans le milieu extérieur  degré de désordre

Illustration biologiques de l’augmentation de l’entropie :

-

Un organisme chimiotrophe reçoit des formes organisées de matière et d’énergie de la part de son environnement et les transforme en formes moins ordonnées (CO2 et H2O).

-

Un animal consomme de l’amidon (forme organisée d’oses), des protéines (formes organisées d’acides aminés) et d’autres molécules de structures complexes. Il dégrade ensuite ces molécules complexes en CO2 et H2O, molécules petites et simples qui contiennent moins d’énergie que les aliments de départ. o En ingérant des nutriments et en les dégradants on augmente le désordre du système

3- Entropie et enthalpie Entropie : fonction d’état extensive (Rudolf Clausius, 1865), notée S et dont l’unité est le joule par kelvin (J.K-1). Peut être interprété comme la mesure du degré de désordre d’un système au niveau microscopique. - Cube de glace : passe de l’état solide à l’état liquide vont passer de l’état organisé à l’état désorganisé. Plus l’entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, lié entre eux, capable de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l’énergie inutilisable pour l’obtention d’un travail ; c’est-à-dire libérée de façon incohérente. - Plus un système est ordonné avec un faible désordre plus il va être capable de produire un travail. - Si on a un système avec un degré de désordre important il va être moins capable d’effectuer un travail.

= variation d’énergie libre de Gibbs = Variation d’énergie interne T = température en kelvin = Variation d’entropie = Permet de mesurer l’énergie disponible pour faire un travail = Chaleur dissipé ou absorbé dans une réaction (enthalpie) = Mesure l’état de desordre au sein du système (entropie) permet d’évaluer la part de l’énergie potentielle du système qui n’est pas dissipée sous forme de chaleur () - avoir une indication de la quantité d’énergie qu’il reste pour effectuer un travail - A partir de la valeur de on doit pouvoir déduire certaines explications. - Nous permettre de savoir si une réaction est sontanée ou non.

< 0  Réaction exergonique (spontanée)

> 0  Réaction endergonique (apport d’énergie) = 0  État d’équilibre (sans conservation d’énergie) La capacité d’un système à fournir un travail utile diminue à mesure que ce système se rapproche de son état d’équilibre. A l’équilibre le système ne peut plus fournir de travail : est NUL 4- Variation d’énergie libre et constante d’équilibre

État initial de la réaction

A+B

A l’équilibre la réaction devient :

C+D

Aeq + Beq

Ceq + Deq

photo :

= différence d’énergie libre d’une réaction dans les conditions réelles de température et de concentrations (unité de mesure : énergie/mol…ex : J/Mol) 0

= différence d’énergie libre standard (concentration 1M, pH7, 298°K)

R : constante des gaz parfaits (8,314 J.mol-1.K-1 T : température en kelvin À un instant donné t : concentrations finales à cet état correspond à < 0 ou >0 peut-être < 0 : exergonique > 0 : endergonique La valeur de R : 8,314 J.K-1.mol-1 1,987 cal.K-1.mol-1

À l’équilibre : concentrations à l’équilibre À cet état correspond un

Définit l’état d’équilibre : Cela peut être. < 0 : exergonique > 0 : endergonique

5- Réactions couplées L’énergie fournie par un processus biologique est souvent couplée à un autre processus qui, sans cet apport énergétique ne pourrait avoir lieu Le couplage d’une réaction exergonique avec une réaction endergonique donne une réaction globale dont la variation d’énergie libre est suffisamment négative pour que cette réaction globale soit spontanée.

A

Réaction 1

B

A

B

B

C

Réaction 2

C

Intérêts : Apport d’énergie par une réaction exergonique et donc permet à une réaction endergonique de se faire. -

Dans les réactions des voies métaboliques, le couplage dépend de la présence d’un intermédiaire commun aux différents composants de la réaction globale : Il s’agit de l’ATP (adénosine triphosphate)

-

Certains métabolites libèrent une quantité d’énergie libre supérieur à celle fournie par l’hydrolyse de l’ATP dans les mêmes conditions

-

Cette énergie peut donc être utilisée pour la synthèse d’ATP.

-

Les enzymes qui transfèrent le groupe phosphoryle de ces molécules pour former de l’ATP s’appellent des kinases. o Les enzymes qui enlèvent un groupement phosphoryles : phosphatases

Composés extrêmement riches en énergie Phosphoenolpyruvate : -61,9 kJ/mol 1,3-bisphosphoglycérate : 49,4 kJ/mol Acétylphosphate -43,1 kJ/mol Phosphocréatine : -43,1 kJ/mol

Pyruvate kinase

PEP + ADP

Phosphoglycérate kinase

1,3-PG + ADP P-créatine + ADP

Pyruvate + ATP 3-phosphoglycérate + ATP

créatine kinase

Créatine + ATP Enzymologie

A- Scatchard Grâce à l’expérience de Scatchard.

Détermination : - Du nombre de site de fixation du substrat sur l’enzyme : n - De leur affinité : Ka (1/KD) o KD : constante de dissociation

E+S

ES

E+P

R+S

RS

R+P

R total : concentration en récepteurs totaux Équation de Scatchard :

ce qui correspond à Y = -Ax +B

Pour tracer la droite de scatchard, nous devons déterminer expérimentalement les concentrations du substrat lié et libre. Dialyse à l’équilibre : 1- Récipient divisé par une membrane de dyalise qui est percée par des petits pore avec seules les petites molécules qui peuvent passer. 2- On met du substrat d’un côté de l’enzyme de l’autre 3- Une fois que l’équilibre est atteint 4- Les concentrations en substrat libre de chaque côté sont identique = osmose 5- Combien de molécules du substrat sont fixés sur chacune des enzymes.

À l’équilibre :

Par dosage simple :

On va répéter plusieurs fois l’expérience : Expérience 1 : Expérience 2 : Expérience 3 :

Représentation de Scatchard :

On va tracer une droite qui présente notamment un point d’intersection avec l’axe des abscisses qui est un point d’intérêt - Concentration en récepteurs total donc on peut calculer n. - La pente de la droite va donner la valeur de -Ka (qui est la constante d’affinité

Y=

-aX

+

b

Exercice ; La fixation du glucose et de l’ATP-Mg) sur l’hexokinase a été suivie par équilibre de dialyse. Les expériences sont rapportées dans les tableaux suivants :

1- Que pouvez vous conclure 2Compartiment sans enzyme (glucose en ) 20 50 sites 100 200 500 du 1000 2000 Compartiment sans enzyme (ATP-Mg en mM) les 0,2 sont 8,9 et 0,5 1 2

Compartiment avec enzyme (glucose en ) 26,4 64 123 235 550 1058 2064 Compartiement avec enzyme (ATP-Mg en mM) 0,21 0,49 1 2

Dès qu’on voit équilibre de dialyse penser à scatchard.

Déterminer, lorsque c’est possible, le nombre de et la constante de dissociation complexe enzymesubstrat sachant que expériences réalisées à pH 30°C avec

Pour ce qui concerne l’ATP les concentrations avec ou sans enzyme sont proches l’une de l’autre donc l’enzyme n’influence pas la concentration d’ATP. Mais l’enzyme va interagir avec le glucose. Ce qui va nous intéresser ce sont donc les concentrations de glucose 1- Les expériences montrent que le glucose se fixe sur l’enzyme alors que l’(ATP-Mg) 2- n’a pas d’interaction avec l’enzyme libre (donc pour la suite on ne va tenir compte que de ce qui va concerner le glucose) 2- On va utiliser la représentation de Scatched. La concentration de glucose libre est identique dans les 2 compartiments de la chambre de dialyse - Le glucose lié sera déterminé dans le compartiment contenant l’enzyme. - lié = (compartiment+E) - (compartiment sans E) Glucose libre 20 50 100 200 500 1000 2000

Glucose lié 6,4 14 23 35 50 58 64

Ka = pente de la droite

Cf graphe : - n x E = 70 micromolaire => n = 70/E = 70/35 - n=2 - KA = 0,098/19,5 = 5,02.10-3 micromolaire o => KD = 0,2.103 micromolaire = 0,2mM

Glucose lié/glucose libre 0,32 0,28 0,23 0,175 0,1 0,058 0,032...