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Bioénergétique + Métabolisme - Coggle Diagram
Bioénergétique + Métabolisme
Bioénergétique
Notion :
Bioénergétique = ensembles de processus par lequel nos cellules se procurent l'énergie dont elles ont besoin pour effectuer leur travail
Conversion d'energie
Organisme phototropes (vegetaux) = photosynthèse
Organisme chimiotropes (animaux) = utilisent l'energie de la degradation de leur aliments = energie chimique
Thermodynamique = science etudie un systeme en evolution (durant des transfert d'energie)
Energie des liaisons = energie interne G
Transformation molecule --> energie interne change aussi
Δ G = Gfinale - Ginitiale (transfert d'energie)
Δ G = ΔH - TΔS (reaction AB; ΔG 2 etat : enthalpie + entropie
3 cas de Δ G :
Δ G = 0 , reaction spontanee realisable
Δ G < 0 , reaction spontanee = exergonique
Δ G > 0 , reaction pas spontanee = endergonique necessite energie
Δ G depend = reactants, concentration, T°C, pH
Systeme
def = un ensemble coherent
3 systemes :
Ouvert = echange environnement
matiere + energie
Ferme = echange environnement
energie
Isole = pas d'echange
La cellule
Systeme ferme = echange energie environnement
Types d'energie :
Energie thermique = chaleur
Travail
Chimique = synthese biomolecule
Electrique = gradient ionique
osmotique = gradient de concentration
mécanique = mouvement de la cellule
Conditions Standards
Cas General :
constantes : Condition standard
T = 298°K
concentration des reactants = 1 molaire (1M)
pression = 1 atm
R = 8,3 * 10^-3 kJ/mole/degre
condition standards = ΔG°
Hors condition standard
concentratioon des reactant A et B = varaition energie libre de la reaction
ΔG° + composante = ΔG d'une reaction AB
ΔG = ΔG° + RT Ln(B/A) (concentration A B)
En Biologie :
Def:
pH physiologique = 7
concentration >1M<
conditions physiologiques standards : ΔG°'
ΔG = ΔG°' + RT Ln (B/A)
A l'equilibre :
VA-->VB = VB-->VA , ΔG=0
depend des reactants A et B
ΔG°'= -RT Ln(B/A)
Rapport B/A = constante equilibre Keq = B/A
ΔG°' depend de Keq
Hors equilibre :
ΔG = ΔG°' + RT Ln (B/A)
les concentrations de A et B = signe de ΔG (dont si la reaction est spontane)
B/A = K ; ΔG = 0 : reaction equilibre
B/A > K : ΔG> 0 ; reaction spontane --> endergonique
B/A < K : ΔG< 0 ; reaction pas spontane --> exergonique
reaction biologique :
conditions standards --> pas spontanée
la cellule --> spontanément réalisable
Métabolisme
2 voies :
Catabolisme
= voies de dégradation des macromolécules alimentaires afin de récupérer leur energie
Exergoniques
= libèrent de l'Energie interne
Anabolisme
= utilisation de l'energie par la cellule + synthese de macromolecules (=travail cellulaire)
Endergoniques
3 etapes du
Catabolisme
:
1 - digestion des macromolecules de l'alimentation en elements constitutifs
2 - element degrade en molecules a 2-5 C grace a des reactions d'oxydation (glycolyse) dans le cytosol
3 - molecules subissent cycle de Krebs + reactions de phosphorylation oxydative dans la mitochondrie --> energie + H2O + CO2
Anabolisme
: substrat pour synthèse de macromolécules endogènes
organisme = pas capable d'utiliser CO2 pour synthetiser mol carbone importante
molécule a 2-5 C vont servir pour la synthese de macromolécule par voie anabolisme (transfert energie)
Anabolisme sont réductrices + besoin d'Energie (voie cataboliques)
Nucléotide
Notion de Couplage :
couplage energetique necessaire pour recuperer l'energie liberee par les reaction cataboliques
Energie d'un intermediaire
Couple ATP/ADP
intermediaire de couplage energetique
ATP est hydrolyse en ADP --> libère un phosphate inorganique + energie
ATP :
Synthèse
Origine glucidique
nucléoside = fraction osidique (D-Ribose) + base azoté = adénine (liaison C1 au ribose) + liaison N-osidique
3 groupement de phosphates (1 phosphate liaison ester C5 du ribose
nucléoside triphosphate = nucléotide
Rapports avec ses catabolites
Rapport ATP/ADP = 10 (maintenu par la cellule)
ATP, ADP, AMP = pool constant
Quantite dans l'organisme
concentration intracellulaire d'ATP = quelque mmole/L
Quantite totale d'ATP = 75g
fabrication et hydrolysation permanente (hydrolyse 45 Kg/jour = 100 mole)
Propriété Physico-chimique de l'acide phosphorique
Capacite de céder des H+
Formule H3PO4 (triacide minéral ; cede 3 H+)
3 couples acides bases = H2PO4- ; HPO42- ; PO43-
Existence de 3 pKa
H2PO4- = pKa1 = 2,15
HPO42- = pKa2 = 7,20
PO43- = pKa3 = 12,42
Forme prédominante a pH = 7,4 = H2PO4-
Energie des liaison phosphorylees de l'acide phosphorique
liaison forme par l'acide phosphorique
fonction alcool OH --> forme ester-phosphate
fonction acides carboxyliques COOH --> forme anhydride d'acide
Liaison ester phosphate = bas potentiel = 14 kJ/mole
Liaison anhydride acide = haut potentiel = 30 kJ/mole
Liaison ATP = 1 liaison ester + 2 liaison anhydride = 74 kJ/mole
ATP intermédiaire en haut (>>-30kJ/mole) et bas (<<-15 kJ/mole) potentiel
Origines de la richesse en Energie des liaison anhydre d'acide
Leur environnement moleculaire
hydrolyse est exergonique
repulsion entre charges negatives des groupes phosphates ( molecule d'ATP destabilise et reactive)
stabilisation acide phosphorique en solution aqueuse (charge delocalise)
Rapport ATP/ADP = 10 (maintenu par la cellule)
10^5 x superieur que de l'etat equilibre
hydrolyse spontanee de l'ATP libere une grande quantite d'energie
Formes d'hydrolyse de l'ATP
ADP
cas le plus frequent
ATP est hydrolyse en ADP et en groupement phosphate Pi
liaison anhydride = 30 kJ/mole
l'ADP peut être hydrolyse en AMP + Pi (hydrolyse 2e liaison anhydride + 30 kJ/mole
AMP
ATP hydrolyse directement en AMP (acide adénylique)
les 2 liaison anhydride hydrolyse = 30 kJ/mole
libération mol de pyrophosphate (couper par pyrophosphatases) --> libère de Pi (20 kJ/mole) = energie par recuperable
En pratique :
Energie libérée lors réaction hydrolyse de l'ATP en AMP dépendant = ration AMP+Pi/ATP (rapport faible = éloigne équilibre + grande quantité d'Energie)
Dans la cellule =
rapport ATP/AMP = 10 000 --> Energie libre = - 110 kJ/mole
hydrolyse de l'ATP en AMP libère donc d'avantage d'Energie que celle de l'ATP en ADP
Autre role de l'ATP :
donneur de phosphate = enzymes de phosphorylation ou kinases
donneur de pyrophosphate = activation de la vitamine B1 ou thiamine --> pyrophosphate de thiamine
donneur d'AMP = activation AG + AA
donneur d'adénosyl
synthes de la S-adénosyl-methionine
reaction ATP + Methionine --> S-adenosylemethionine + 3 Pi (liaison ester-phosphate + liaison anhydride (14 et 20 kJ/Mole)
formation d'ion Sulfonium S+
Mobilité du méthyl, energie interne de la S-adénosylmethionine (voie anabolique + reactions de methylation)
Couplage énergétique avec hydrolyse de l'ATP :
Reaction pas spontane dans cellule = endergonique = ΔG = positif ; besoin energie
source d'energie = couplage energetique
hydrolyse mol d'ATP pour forme ADP = 30 kJ/mole
groupement phosphate ATP transfere mol glucose
ΔG global de la somme des 2 reactions = negatif
phosphorylation du glucose est devenue réalisable par un couplage avec l'hydrolyse de l'ATP
Constante d'équilibre de la réaction endergonique couple a l'hydrolyse de l'ATP
sans couplage : Keq = 3*10^-3
couplage : Keq = 850 (phosphorylation glucose multiplie 2.2*10^5
Formation de l'ATP
dans le cytosol (=synthèse cytoplasmique)
1 - Glycolyse
formation d'ATP (dans cytosol)
synthèse de coenzyme reduits
2 - Coenzymes d'oxydoréduction
coenzymes dans le cytosol = NAD+ et NADP+ ; réduit en NADH et NADPH en enlevant les protons H+
utilise pour transfert protons H+ pour production d'ATP
ATP de mol a haut potentiel énergétique
ATP produit par = 1,3-bisphosphoglycérate + phosphoénolpyruvate
1,3-bisphosphoglycérate --(-49,3 kJ/mole)--> 3 phosphoglycérate
phosphoénolpyruvate --(-61,9 kJ/mole)--> pyruvate
dans la mitochondrie
specialisation dans la production de l'ATP
lieu de production d'ATP = mitochondrie
transfert d'H+ et d'électron pour = chaleur + énergie directement utilise synthétiser ATP d'ADP et groupement phosphate
Couplage chimio-osmotique mitochondrial
production d'H2O
Phosphorylation oxydative
NAD mitochondrial = production ATP (pas transfert NAD du cytoplasme vers mitochondrie)
molecule d'ATP mitochondrial = reaction anabolisme
Nucleotides a potentiel energetique
ATP = donneur universel d'energie
Role energetique des autres nucleotides :
GTP = metabolisme des protides
UTP = metabolisme des glucides
CTP = metabolisme des lipides
reaction specidiques :
metabolisme (couple ATP/ADP)
contraction musculaire
mouvement cellulaire
mouvement intracellulaire
gradient ioniques membranaire ( pompes ATPases)
Composes phosphoryles et Acétylcoenzyme A
Composes phosphorylés
bas potentiel :
glycérol-3-phosphate : ΔG°' = -9,2 kJ/mole
glycérol-6-phosphate : ΔG°' = -13,8 kJ/mole
glycérol-1-phosphate : ΔG°' = -20,9 kJ/mole
haut potentiel :
créatine-phosphate : ΔG°' = -43 kJ/mole
1,3 bisphosphoglycérate : ΔG°' = -49,3 kJ/mole
phosphoénolpyruvate : ΔG°' = -61,9 kJ/mole
Acétylcoenzyme A
transporteur active de groupement acétyles
intermédiaire voies catabolisme des lipides + glucides
entre dans le cycle des acides carboxyliques = cycle de Krebs dans la mitochondrie
hydrolyse = 30 kJ/mole
Digestion - Absorption
les macronutriments = nutiments alimentaire ; polymeres ( polysaccharides , proteines et lipides)
Catabolisme dans le tube digestif
digestion permet degrader ces macronutriments en element constitutifs = monosaccgaride, AA (proteine) et AG (lipides)
Absoption + diffusion
circulation sanguine
Utilisation des elements constitutifs par la cellule
prelevement des produits de la digestion grace transporteur membranaires
produire energie
reserve = glucide (glycogene) ; AG (tryglycerides)
Voies métaboliques des glucides
Glycolyse
formation du glucose 6 phosphate = dégradation des polysaccharides alimentaires pour fin du glucose
Glucose-6-phosphate dégrade en pyruvate dans le cytoplasme
condition aérobie :
mitochondrie : pyruvate --> acétyl-SCoA
integres au cycle de Krebs --> energie
condition anaérobie :
pyruvate degrade en lactate
pyruvate precurseur des AA
Utilisation et reformation du glucose
1 - Néoglucogenèse = synthèse de glucose (grâce a du pyruvate)
2 - Glycogénogenèse = mise en réserve du glucose sous forme de glycogène (=forme de stockage énergétique du monde glucidique)
3 - Glycogénolyse = la cellule puise dans stocks de glycogène libere des mol de glucose
4 - Voie des pentoses phosphates = glucose-6-phosphate en ribose-5-phosphate --> synthétise NADPH, H+ et pentoses (synthèse de acides nucléiques)
Voies métaboliques des lipides
1 - Degradation des lipides alimentaires = lipides alimentaires sont degrades en AG
2 - beta oxydation = AG entrent dans la mitochondrie subit beta-oxydation ; degrade en acétyl-SCoA qui entre dans le cycle de Krebs --> energie
3 - Mise en reserve = partie AG est ré-ésthérifié en triglycéride endogène
4 - Lipolyse = l'hydrolyse des triglycérides endogène dans le tissu adipeux pour liberer des AG
5 - Synthese de citrate et AG = utilise les molecules d'acetyl-CoA --> forme citrate --> synthese des AG
Voies métaboliques des protides
1 - synthese des proteines tissulaires = proteine alimentaire sont degrade en AA ; voie principale d'utilisation des AA --> synthese des proteines tissulaires
2 - Degradation des proteines tissulaire = proteines tissulaires degrade --> forme AA
3 - Utilisation des AA comme source energie = AA sont désaminés libere mol d'ammoniac + squelette carbones (forme pyruvate + intermediaire du cycle Krebs)
4 - Uréogenèse = ammoniac est détoxifié --> urée
5 - Cetogenese en cas de jeune prolonge = AA cetogene --> synthese des corps cetoniques
6 - Néoglucogenèse = AA glucoformateurs --> transforme en glucose par la néoglucogenèse
Voies centrales communes du catabolisme
voie utilise des elements constitutifs issus des macromolecules complexes pour former des molecules a 2-5 C
molécules 2-5 C = utiliser dans la mitochondrie par le cycle de Krebs --> produit : energie + composes utilse pour les synthese
Entres de compose des molecules a 2-5 C dans les voies centrales communes du catabolisme est realise par leur transformation en acétyl-CoA activé