PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DE L’ATP

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Le Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs, du nom de son découvreur, le lauréat du prix Nobel 1953 de physiologie en médecine, Hans Adolf Krebs, est une voie métabolique complexe, effectuée dans les mitochondries. Le substrat intervenant dans la première réaction, l’oxaloacétate, intervient aussi dans la dernière, d’où le nom de cycle donné à la réaction du fait de son caractère cyclique. Le cycle de Krebs s’effectue en aérobie, c’est-à-dire qu’il nécessite de l’oxygène pour fonctionner. Il se déroule dans la matrice mitochondriale des eucaryotes et dans le cytoplasme des bactéries. Dans les mitochondries, le pyruvate est oxydé par le complexe pyruvate déshydrogénase pour former de l’acétyl-CoA. Cette dernière est oxydée en CO2, NADH et FADH2 par le cycle de Krebs, avec production également de GTP, qui est énergétiquement équivalent à l’ATP. Le NADH et le FADH2 cèdent leurs électrons à haut potentiel de transfert à la chaîne respiratoire, qui produit des molécules d’ATP supplémentaires par phosphorylation oxydative, à raison de 2 à 3 molécules d’ATP par molécule de NADH, et de 1 à 2 molécules d’ATP par molécule de FADH2 [20]. L’essentiel de l’ATP des cellules non photosynthétiques est produit de cette façon. Bien que le cycle de Krebs ne requière pas directement la présence d’oxygène O2, il ne peut fonctionner sans celui-ci car c’est l’oxygène qui sert d’accepteur final d’électrons à la chaîne respiratoire, permettant la régénération du NAD+ et du FAD à partir du NADH et du FADH2 produits par le cycle de Krebs : en l’absence d’oxygène, ce dernier cesse de fonctionner faute de NAD+ et de FAD.

La Phosphorylation oxydative

Chez les eucaryotes, la phosphorylation oxydative se déroule dans la membrane mitochondriale interne, plus précisément au niveau des crêtes de cette membrane. Les éléments intervenant sont la chaîne respiratoire, qui assure l’oxydation des coenzymes réduites par le cycle de Krebs, et l’ATP synthase (enzyme capable de phosphoryler l’ADP en ATP à partir de l’énergie libérée par la chaîne respiratoire au cours de l’oxydation des coenzymes) [20]. Au cours de la phosphorylation oxydative, les électrons à haut potentiel, issus des réactions d’oxydation du métabolisme, sont transférés à de l’oxygène avec libération d’énergie, cette énergie étant récupérée pour synthétiser de l’ATP. Ceci est réalisé chez les eucaryotes grâce aux protéines membranaires des mitochondries formant la chaîne respiratoire, chez les procaryotes, ces protéines se trouvent dans la membrane interne [16]. Ces protéines membranaires utilisent l’énergie libérée par la circulation des électrons issus des coenzymes réduites telles que le NADH et le FADH2, pour pomper des protons à travers la membrane mitochondriale interne chez les eucaryotes ou la membrane plasmique chez les procaryotes [21]. Le pompage des protons hors de la matrice mitochondriale ou du cytoplasme génère un gradient de concentration de protons à travers les membranes d’ou une différence de pH. Il en découle un gradient électrochimique à l’origine d’une «force proton motrice» [22]. Cette force actionne une enzyme appelée ATP synthase qui fonctionne comme une turbine qui catalyse la phosphorylation de l’ADP en ATP au passage des protons qui retournent vers la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne [23].

Rendement énergétique de la respiration aérobie

Le rendement théorique de l’oxydation complète d’une molécule de glucose au cours de la respiration cellulaire est de 38 molécules d’ATP, cependant, ce chiffre est rarement atteint en raison de différentes pertes d’énergie telles que le transport actif du pyruvate produit dans le cytosol par la glycolyse jusque dans la matrice mitochondriale pour être dégradé par le cycle de Krebs après décarboxylation en acétyl-CoA, ou encore par le transport actif du phosphate dans la mitochondrie
par la protéine SLC25A3, qui fonctionne comme un antiport échangeant des ions phosphate H2PO4– contre des ions hydroxyde OH– ou comme un symport avec les protons H+ en utilisant la « force proton-motrice » générée par la chaîne respiratoire. Le transport actif de l’ADP et de l’Adénosine triphosphate à travers la membrane mitochondriale interne par la translocase ATP/ADP génère également des pertes d’énergie. Cette translocase est un antiport qui utilise également la « force proton-motrice » par le fait que l’ATP possède une charge électrique de –4 tandis que l’ADP n’a qu’une charge électrique de –3 : l’ATP sort de la mitochondrie en dissipant le gradient électrochimique généré par la chaîne respiratoire. Le résultat de ces différents processus de transport actif utilisant la « force proton-motrice » et le gradient électrochimique générés par la chaîne respiratoire est que plus de trois protons sont nécessaires pour produire une molécule d’ATP par phosphorylation oxydative. C’est la raison pour laquelle la production maximum d’ATP par molécule de glucose entièrement oxydée ne dépasse pas 30 molécules [16] Ce rendement peut même être encore réduit en raison de fuites de protons à travers la membrane mitochondriale interne [24]. D’autres facteurs sont également susceptibles de dissiper le gradient de concentration de protons autour de la membrane interne de la mitochondrie, ce qui représente une dissipation d’énergie supplémentaire qui induit une baisse du rendement énergétique global de l’oxydation de cette molécule de glucose. C’est par exemple le cas d’une protéine, la thermogénine, exprimée dans certains types de cellules et qui a pour rôle de transporter des protons à travers la membrane mitochondriale interne, laquelle leur est normalement imperméable. En dissipant le gradient de concentration de protons, cette protéine découple les deux composantes de la phosphorylation oxydative : l’énergie libérée par la chaîne respiratoire sous forme d’un gradient électrochimique n’est plus utilisée pour produire de l’ATP en phosphorylant l’ADP mais est simplement convertie en chaleur. Ceci est particulièrement important pour la thermogenèse dans le tissu adipeux brun chez les mammifères en hibernation.

Métabolisme Anaérobie

En dehors de la production mitochondriale d’ATP, la production d’ATP extra mitochondriale (environ 5 %) joue un rôle qualitatif important. En effet, au sein de la cellule, du fait des phénomènes de compartimentation et de retard à la diffusion certaines activités enzymatiques dépendent principalement de cet ATP. La formation extra mitochondriale d’ATP est classiquement qualifiée d’anaérobie, et on distingue la production anaérobie lactique (glycolyse) et alactique (adénylate kinase et créatine kinase).

Métabolisme Anaérobie alactique

La première voie métabolique énergétique anaérobie alactique est la réaction : ADP + ADP → ATP + AMP, qui est catalysée par l’adenylate kinase (myokinase dans le muscle). Cette réaction est sans doute de peu d’importance au plan quantitatif. En effet, si le renouvellement de l’ATP est très élevé (on estime qu’un homme consomme son propre poids d’ATP par jour), la masse totale de nucléotides est très faible (quelques centaines de grammes: 250g environ). Aussi, la production d’ATP par cette réaction ne peut pas avoir une grande ampleur. En situation de demande énergétique élevée, l’AMP ainsi formé active certaines voies métaboliques énergétiques comme la glycolyse (l’AMP active la phosphofructokinase). A l’exception du foie, la plupart des tissus possèdent un autre composé « riche en énergie » : la phosphocréatine (PCr). Il s’agit de la forme phosphorylée de la créatine (Cr) selon la réaction : PCr + ADP → Cr + ATP. La PCr est une réserve d’énergie permettant de tamponner des variations importantes et brutales de la consommation d’ATP (par exemple au cours de l’initiation de l’effort), mais son rôle complet n’est pas encore élucidé. La masse de PCr est faible par rapport à la masse d’ATP qui peut être libérée à partir de la glycolyse. On pense actuellement que le couple PCr/Cr sert en fait à canaliser la diffusion de l’énergie à l’intérieur de la cellule. En effet, la possibilité qu’a la liaison phosphate, riche en énergie, de passer de la PCr à l’ATP, puis de l’ATP à la PCr, et ceci avec peu de perte de chaleur, permet d’envisager que le couple PCr/Cr puisse guider les flux d’énergie dans la cellule entre sites de production et sites de consommation. Autrement dit, l’énergie serait transportée préférentiellement par un maillage enzymatique de créatine kinase qui ne transporte pas directement de l’ATP mais une liaison riche en phosphate. Ce type de canalisation métabolique permettrait une diffusion plus rapide et plus orientée dans l’espace que la simple diffusion de l’ATP dans le cytosol.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
I. STRUCTURE DE L’ATP
II. PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DE L’ATP
III. ROLE DE L’ATP
IV. ORIGINE DE L’ATP
IV.1. Catabolisme du glucose
IV.1.1. Le catabolisme aérobie
IV.1.2. Métabolisme Anaérobie
IV.1.2.1. Métabolisme Anaérobie alactique
IV.1.2.2. Métabolisme Anaérobie lactique
IV.2. Catabolisme des lipides et protides
IV.2.1. Catabolisme des lipides
IV.2.1.1. Première déshydrogénation de l’acyl-CoA
IV.2.1.2. Hydratation de la double liaison
IV.2.1.3. Deuxième déshydrogénation
IV.2.1.4. Clivage de l’acide gras
IV.2.1.5. Techniques de calcul
IV.2.2. Catabolisme des protides
DEUXIEME PARTIE : BIOENERGETIQUE DE L’ATP
I. DEFINITION
II. RAPPEL DE NOTIONS THERMODYNAMIQUES
II.1. Systèmes biologiques et Lois générales de la thermodynamique
II.2. Couplage réactions Endergoniques-Exergoniques
III. ROLE DES PHOSPHATES DANS LE STOCKAGE ET LE TRANSFERT D’ENERGIE
III.1. Energie libre de l’hydrolyse de l’ATP comparée à celle des autres organo-phosphates
III.2. L’ATP monnaie énergétique de la cellule
IV. TYPE OU FORME DE L’ENERGIE DE LA MOLECULE D’ATP
V. RELATION ENTRE LES DIFFERENTES ENERGIES
CONCLUSION
REFERENCES