Application des principes de la thermodynamique aux systèmes biologiques

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2- Rôle central de l’adénosine triphosphate dans les échanges d’énergie :

Quelques exemples de l’utilisation de l’ATP

- contraction musculaire

- transport de molécules à travers les membranes

Découverte du rôle central de l’ATP dans les échanges d’énergie par Fritz Lipmann et Herman Kalckar en 1941.

L’ATP est une molécule capable «d’emmagasiner» de l’énergie rendue disponible lors du métabolisme des aliments puis de la «restituer» à la demande.

La molécule d’ATP est formée de :

- l’adénosine : caractérisé par 2 gpt le D ribose (sucre à 5 C) et l’adénine

- trois groupements phosphate ou phosphoryle

[pic 1]

A un pH voisin de 7 → les 3 groupement phosphate sont quasiment dissociés → l’ATP porte 4 charge - ( ATP 4-)

Répulsion des 4 charges négatives → instabilité de la molécules.

a- L’ATP est un composé phosphorylé riche en énergie :

a.1 Hydrolyse de l’ATP

En présence d’une enzyme spécifique, un groupement phosphate qui se détache de l’ATP et qui est transféré sur 1 mol d’eau.

L’hydrolyse de l’ATP peut conduire soit à la formation d’ADP (adénosine di phosphate) et de l’orthophosphate Pi.

→ ATP 4- + H2O= ADP3-+ Pi

avec Pi qui représente HPO42- + H+aq

Soit à la formation d’AMP (Adénosine monophosphate ) et du pyrophosphate PPi

→ ATP+ H2O = AMP + PPi

Avec PPi représentant HP2O72- + H+aq

Remarque :

à un pH voisin de 7 → la concentration en H+ tend vers 10-7 elle est négligeable devant la concentration de HPO42- et HP2O72-

Dans le cadres de ce cours, nous écrirons la réaction d’hydrolyse de l’ATP sous la forme

→ ATP + H2O= ADP + Pi

Lorsque cette réaction est effectuée à T=298K et dans les conditions biologique de référence

ΔrG°’m (298K) = - 30,5 kJ/mol

Évaluons ΔrGm dans le cas ou la réaction d’hydrolyse de l’ATP a lieu dans les cellules de foie de rat et à 298K.

Les valeurs des concentrations cellulaires sont :

[ATP]= 3,38 mM

[ADP]= 1?32 mM

[Pi]= 4,8mM

ΔrGm (298K)= ΔrG°’m (298K) + RTln ( ADP) (Pi)/ (ATP)

ΔrGm (298K)= -30,5. 10³ + 8,314 * 298 ln (1,32. 10-3 * 4,8 10-3/ 3,38.10-3

ΔrGm (298K) = -46 kJ/mol

À 298K et dans les conditions cellulaires du foie de rat, l’hydrolyse de l’ATP est une réaction exergonique.

Évaluons ΔrGm dans les mêmes conditions précédentes mais cette fois ci à T°C=37°C (310K)

on a ΔrG°’m (310K)= -30,9kJ/mol

même raisonnement que tout a l’heure attention aux unités

ΔrGm (310K)= -47kJ/mol

À 310K, et dans les conditions cellulaires du foie de rat, l’hydrolyse de l’ATP est une réaction exergonique.

a.2 Concept de composés à potentiel énergétique élevé

L’ATP est considéré comme un composé à potentiel énergétique élevé puisque lors de son hydrolyse une grande quantité d’énergie est libéré.

Une partie de ce potentiel énergétique peut être utilisé pour une étape de phosphorylation dans 1 autres composé lors d’une réalisation de couplage.

Réaction d’hydrolyse

Composés phosphorylés

ΔrG°’m (298K) kJ/mol

Composés très riches en énergies

– Phosphoénolpyruvate

– Phosphocréatine

– -61,9

– - 43,1

Composé riche en énergie

ATP

- 30,5

Composés pauvres en énergie

– glucose 6 phosphate

– fructose 1,6 di-phosphate

– -20,9

– - 15,9

Composé très riche ⇒ composé phosphorylés dont l’hydrolyse est + exergonique que celle de l’ATP

composés pauvre ⇒ composé phosphorylés dont l’hydrolyse est – exergonique que celle de l’ATP.

Composé phosphorylés dont l’hydrolyse est – exergonique que celle de l’ATP.

Pour ces composés, une réaction de couplage peut avoir lieu

- étapes exergonique. (l’hydrolyse de l’ATP )

- étape endergonique : la phosphorylation du composé « pauvre en énergie »

Exemple : avec le fructose 1,6 diphosphate

Étape exergonique :

ATP +H2O= ADP+ Pi

Étape endergonique :

Fructose 6 phosphate + Pi = fructose 1,6 Diphosphate

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