Bilans énergétiques : ATP/ADP etc.. (PACES)

[invite8feb29d3]

Bonjour à tous,

Je poste mon premier message sur le forum afin de solliciter votre aide mais je tenais d'abord à remercier l'ensemble de la communauté futura-sciences pour m'avoir éclaircie et m'avoir apporté des réponses bien que n'ayant jamais fait appel à vous directement.

Mon problème est le suivant : dans le cours de biochimie, j'ai beaucoup de mal avec les bilans énergétiques et plus particulièrement tout ce qui concerne les ATP/ADP, GTP/GDP, NAD/NADH, FAD/FADH.

De ce que j'ai compris, l'ATP serait la monnaie énergétique de l’organisme. Ce dernier, peut être hydrolysé pour donner de l'ADP et que par le processus inverse, on peut obtenir de l'ATP par phosphorylation de l'ADP.
Il est possible d'apporter de l'énergie à une molécule par l'intermédiaire de ces << groupements >> afin de briser une liaison par exemple et d'en modifier la structure pour en donner une autre.
Par ailleurs, il me semble également que l'ATP et le GTP sont des nucléotides des ARN, ceci n'étant peut-être pas utile pour comprendre leurs rôles dans les réactions chimiques.

Cela fait un petit peu désordonné mais ce sont les seules connaissances que j'ai à ce sujet. Dans le cadre de mes études, je dois apprendre les mécanismes de la glycolyse, cycle de Krebs et tout ce qui s'ensuit par cœur. Cependant, je suis incapable d'apprendre quelque chose sans le comprendre (du moins en grande partie) et mon cours n'explicite pas du tout à quoi tout cela correspond mis à part les schéma avec les réactions.
J'aimerais donc avoir, si possible, une définition simplifiée mais en même temps complète de ce que représente tous ces acronymes (dans le cas des réactions biochimiques) et également dans quels cas interviendront-ils chacun. Qu'est ce qui les différencie et pourquoi en favoriser un plutôt qu'un autre ?

PS : je tiens à préciser que j'ai, au préalable, effectué des recherches sur de mon côté afin de mieux comprendre mais sans succès. Tout lien que vous jugerez utile à la compréhension de ces mécanismes sera également le bienvenu.

Je vous remercie d'avance pour vos retours !
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[zwitterion]

Bon courage, car la PACES ça n'est quasiment que du par cœur ! Pour moi ce concours (avec quasiment que des QCM) est une insulte à l'intelligence (ce qui ne veut pas dire que les étudiants qui le réussissent sont des débiles, bien au contraire) !

Bref, je pense qu'il est très important de faire le lien avec le cours de chimie physique (chimie des solutions, notamment les réactions Rédox, et thermochimie) afin d'avoir une vue d'ensemble des processus.

Tout d'abord, effectivement, l'ATP (Adénosine Tri Phosphate) est considéré comme la "monnaie énergétique". Ça n'est pas la molécule la plus énergétique, loin de là, mais si on regarde toutes les petites molécules "énergétiques" qui possèdent un groupement phosphate, l'ATP se situe dans une position "intermédiaire". Je m'explique, de la même façon qu'il y a une échelle pour classer les couples rédox ou les couples acides/bases, on peut classer les différentes molécules possédant un groupe phosphate selon l'énergie libérée par l'hydrolyse de ce groupement. Et il se trouve donc qu'il y a des molécules phosphorylées dont l'hydrolyse (càd la "perte" d'un phosphate) génère plus d'énergie que celle de l'ATP (par exemple le PEP, phospho-énol-pyruvate), d'autres dont l'hydrolyse en produit moins (ex le G6P, glucose-6-phosphate).

Donc selon la molécule "partenaire" X on va avoir soit la réaction ATP + X ==> ADP + XP (si le "potentiel" d'hydrolyse du groupe phosphate de l'ATP est supérieur à celui de XP) ou bien ADP + XP ==> ATP + X (dans le cas inverse). Il s'agit de deux réactions dites de transphorylation (le phosphate "passe" d'une molécule donneuse à une molécule accepteuse, mais uniquement quand le donneur à un potentiel d'hydrolyse supérieur au receveur phosphorylé) . C'est pour ça que dans la glycolyse, on a parfois de l'ATP qui est consommé (par exemple phosphorylation du glucose, puisque l'ATP a un potentiel d'hydrolyse supérieur au G6P) ou l'inverse : de l'ATP est produit par transfert du phosphate depuis le PEP, puisque ce dernier à un potentiel d'hydrolyse plus important.

Bon, c'est un peu complexe, mais il est fondamental de retenir que :

- l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi génère de l'énergie
- beaucoup d'autres molécules ont des groupements phosphates qui peuvent libérer de l'énergie : certains moins que l'ATP, d'autres plus
- l'ATP occupe une position "intermédiaire" dans la capacité à libérer de l'énergie
- une molécule phosphorylée peut transférer son phosphate à une autre du moment que la molécule donneuse est plus "énergétique" que la receveuse phosphorylée
- plutôt que d’imaginer tous les couplages possibles entre toutes les molécules phosphorylées/phosphorylables, c'est plus simple de passer par un intermédiaire
- cet intermédiaire est l'ATP, de part, notamment, sa position intermédiaires en terme de libération d'énergie parmi les molécules phosphorylées !

Tout ce raisonnement peut-être transposé au GTP. Il se trouve qu'il intervient juste plus rarement que l'ATP, c'est tout.

Suite dans un autre message.

[zwitterion]

Bon, maintenant qu'on a exposé le rôle de monnaie énergétique de l'ATP, comment est-ce que la cellule va se débrouiller pour en fabriquer ? Comme on le sait, rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ! Donc cette énergie qu'il faut pour phosphoryler l'ADP en ATP, il va bien falloir la prendre quelque part ! Et cette énergie on la trouve dans les aliments (bon, je ne t'apprends rien jusque là).

Mais qu'est-ce qui fait qu'un aliment est "énergétique" ? C'est sa capacité à être oxydé ! Càd son pouvoir réducteur !! Faisons une analogie avec la combustion. Pour une bonne combustion, il faut un comburant (le dioxygène en général) et un combustible (par exemple le charbon). Le comburant c'est un oxydant et le combustible c'est un réducteur ! Toute réaction entre un oxydant et un réducteur dégage de l'énergie ! Et d'autant plus que les "potentiels rédox" de ces deux espèces sont éloignées ! Ça peut être de l'énergie thermique (combustion), électrique (pile) ou bien chimique (la cellule !).

Évidement je t'encourage à revoir ton cours de chimie (même si c'est celui du lycée) sur les couples rédox, c'est fondamental ! En gros, plus une molécule est oxydante, plus elle va vouloir "choper" des électrons, et plus elle est réductrice, plus elle va vouloir en donner !

Dans la cellule, l'oxydant c'est O2, et le réducteur c'est (souvent) le glucose (C6H1206). O2 est un oxydant très fort, et le glucose est à l'opposé un réducteur fort. On a donc la célèbre réaction de la respiration : 6 O2 + C6H12O6 ==> 6 CO2 + 6 H2O. Mais elle ne se fait pas d'un coup ! Pour profiter de l'énergie libérée (et ne pas la perdre en chaleur), cette réaction est découpée en plein de petites étapes, dont certaines sont couplées à la synthèse d'ATP : ce sont toutes les réactions de la glycolyse et du cycle de Krebs. Autrement dit, la glycolyse et le cycle de Krebs sont, grosso modo, une série de réactions rédox !

Alors, entrons dans le vif du sujet, l'ATP va pouvoir être synthétisé de deux façons :
- par transphosphorylation comme on l'a vu, mais c'est marginal
- et surtout par couplage "osmo-chimique", là on rentre dans le dur

Bon, on respire un bon coup et on y va ! La grosse majorité de l'ATP ne va pas être synthétisé directement ! A la place, l'énergie va être "stockée" dans des intermédiaires : les fameux NADH et FADH2 !! Ces composés sont des réducteurs, intermédiaires entre le glucose et l'eau. Càd que, avant d'arriver à la réduction de l'O2 en H20, il y a des réducteurs "intermédiaires" qui sont produits : NADH et FADH2, à partir de leurs formes oxydées (NAD+ et FAD).

En gros, on a transféré le "pouvoir réducteur" du glucose (et donc son énergie) à tout plein de petits intermédiaires qui jouent le rôle de "transporteur d'électrons".

La suite, c'est sur la membrane interne des mitochondries que ça se passe (à suivre).

[zwitterion]

Alors tous ces intermédiaires (FADH2 et NADH) vont se faire oxyder à leur tour par des complexes protéiques de la membrane internes de la mitochondrie, les cytochromes. En gros, ils vont leur "filer" leurs électrons. Au bout de la chaîne, on retrouve O2, l'accepteur final d'électrons, qui va se faire réduire en H2O. Par des couplages complexes, ces transferts d'électrons vont s'accompagner de transfert d'ions H+ (des protons donc, mais en solution aqueuse ils ne se baladent pas librement, ils sont captés par l'eau sous formes d'ions hydronium H3O+, mais par commodité on écrit H+ et on parle de protons). Ces protons vont s'accumuler dans l'espace inter-membranaire (oui, il faut aussi avoir en tête "l'anatomie" de la mito). Du coup le pH intermembranaire va être inférieur au pH de la matrice de la mitochondrie. En gros, on a transformé du pouvoir réducteur en pouvoir osmotique (l'établissement d'une différence de concentrations).

C'est là que se joue le dernier acte ! L'énergie libérée par le retour des protons dans la matrice va permettre la synthèse d'ATP ! Mécanisme très complexe qui met en jeu l'ATP-synthase, un gros complexe enzymatique transmembranaire. C'est un véritable "moulin" moléculaire. En traversant l'enzyme pour retourner dans la matrice, les protons vont faire tourner les "pales" de ce moulin, ce qui a pour effet d'induire des changements de conformations au niveau des sites de synthèse de l'ATP permettant la phosphorylation de l'ADP !

EN BREF :

- l'ATP est la principale monnaie énergétique de la cellule
- pour synthétiser l'ATP, la cellule utilise l'énergie issue de l'oxydation complète du glucose par le dioxygène
- ce couplage se fait sous deux formes : transphosphorylation (minoritaire) et couplage osmochimique
- ce dernier couplage est complexe : il se fait en 3 étapes :
* formation de composés intermédiaires réducteurs (NADH et FADH2) à partir de l'oxydation de composés intermédiaires de la glycolyse et du cycle de Krebs
* couplage entre la reoxydation des ces composés et l'export de protons au niveau de la membrane interne des mitochondries (couplage "chimioosmotique") via les cytochromes
* couplage "osmochimique" entre le retour des protons vers la matrice et la synthèse d'ATP via l'ATP synthase !

[A voir en vidéo sur Futura]

[zwitterion]

* couplage entre la reoxydation des ces composés et l'export de protons au niveau de la membrane interne des mitochondries (couplage "chimioosmotique") via les cytochromes

Par "ces composés", je parle bien entendu du FADH2 et du NADH !

[invite8feb29d3]

Merci mille fois pour ces explications très claires et très complètes que je n’aurais sans aucun doute trouvé nulle part ailleurs !!!

Et oui malheureusement tel est le fonctionnement de la PACES. Nous sommes évalués sur notre capacité à nous bourrer le crâne d’informations sans toujours comprendre le pourquoi du comment. Et du coup, certains sujets qui ne sont pas des adeptes du « par cœur » (un peu comme moi) se retrouvent quelque peu défavorisés. En effet, je pense que lorsque quelque chose est très bien assimilé, il n’y a qu’à revoir le fonctionnement plusieurs fois pour le connaître parfaitement mais la quantité de choses à enregistrer est tellement énorme en PACES qu’il est impossible de fonctionner de cette manière là.
Finalement, le secret est d’apprendre à concilier les deux et ce sont ceux qui y arrivent qui réussissent : tout comprendre ET tout apprendre en un temps record.

Ceci dit, merci encore d’avoir pris le temps de répondre à tout cela. Je dois avouer que cela m’a aidée à prendre du recul par rapport au cours dans sa globalité. Moi qui pensais que chercher à comprendre le rôle de l’ATP n’était qu’un « supplément » il s’avère être en réalité un élément fondamental !
Je pense avoir maintenant compris, bien que la dernière partie reste un peu floue, nous n’avons pas encore traité le chapitre mitochondrie et peroxysome.
Que représentent exactement les cytochromes ?

[zwitterion]

Je compatis !

Et c'est souvent comme ça, parfois le cours de bioch a de l'avance sur celui de biocell, parfois c'est l'inverse ! Mais à la fin du semestre, tu pourras reconstruire le puzzle !

Brièvement, la mitochondrie c'est la centrale énergétique de la cellule, c'est l'organite de la cellule ont lieu le cycle de Krebs et les transferts de protons (alors que la glycolyse a lieu dans le cytosol). La mitochondrie possède deux membranes. Pour la petite histoire, on suppose (mais c'est très probable) qu'il s'agit d'anciennes bactéries qui ont été phagocytées il y a 2 ou 3 milliards d'années et qui vivent depuis en "endosymbiose" avec la cellule eucaryote. Les mitochondries ont leur propre ADN !

Les cytochromes sont de gros complexes protéiques enchâssés dans la membrane interne de la mitochondrie. Ils existent à l'état réduit ou oxydés. Leur rôle est de récupérer les électrons des NADH et FADH2 pour les refiler au dioxygène. En parallèle, ils expulsent des protons de la matrice de la mitochondrie vers l'espace intermembranaire. Et c'est presque le point le plus important !! TOUT CE BAZAR c'est pour en arriver à créer une DIFFERENCE DE pH de part et d'autre de la membrane interne de la mitochondrie ! Différence de pH qui va être mise à profit pour synthétiser l'ATP !

Et pour résumer, prend une règle, trace une flèche pointant vers le haut. Trace 4 graduations. De part et d'autre de chaque graduation, écrit, de haut en bas :

O2 | H2O

cytochromes ox | cytochromes red

FAD ou NAD+ | FADH2 ou NADH

CO2 | Glucose

En fait il s'agit de l'échelle des couples rédox (potentiel le plus gros en haut) des principaux acteurs dont j'ai parlé ! Tu te souviens de la règle du gamma ? (sinon cours réviser ton cours de lycée !) La réaction spontanée (et donc qui dégage de l'énergie) est celle qui se fait quand on trace la lettre grecque gamma γ qui relie les couples rédox (quand on "commence" à tracer le gamma en haut à gauche puis qu'on finit en haut à droite). Autrement dit, le plus fort oxydant avec le plus fort réducteur.

Bon, sur ton schéma, tu va tracer le "gros" gamma, celui de l'équation bilan de la respiration : tu pars d'O2, tu relies au Glucose, et tout ça donne du CO2 et de l'eau !

Bon, maintenant tu peux tracer 3 "petits" gamma (en fait y'en a encore plus, mais ils résument bien les choses) !

1. Celui qui part de FAD ou NAD+ vers Glucose pour donner FADH2 ou NADH (en fait on écrit souvent NADH,H+ pour équilibrer la réaction, mais en fait le proton il fait "sa vie" dans son coin) ==> c'est le job de l'ensemble (glycolyse + cycle de Krebs) : on part de glucose et on arrive à la libération de CO2 (c'est les trois décarboxylations de ton cours : celles du pyruvate, de l'isocitrate et de l'alpha-cétoglutarate) !

2. Celui qui part de cytochromes ox vers FADH2 ou NADH pour donner cytochromes red vers FAD ou NAD+ (au passage on a recyclé ces composés vers la forme ox !) ==> c'est le job de la chaîne d'électrons de la membrane interne des mitochrondries !

3. Celui qui part de O2 vers cytochrome red pour donner H20 et cytochrome ox (là aussi on a bien recyclé les cytochromes vers cytochrome ox !) ==> là aussi c'est le job de la chaîne d'électrons précité !

Au final on retrouve donc l'équation bilan de la respiration

[zwitterion]

Juste un message pour corriger une bourde qui va m'empêcher de dormir sinon en fait les cytochromes sont inclus dans les complexes protéiques de la membrane interne mais ne sont pas des protéines en tant que telles, mais des co-enzymes !

Voilà, je peux dormir en paix !

[zwitterion]

Euh, le modérateur va me tuer, mais il peut finalement effacer le message ci-dessus (je crois que j'ai essayé de l'éditer après 6 min, mais c'était déjà trop tard !). En fait je m'étais amusé à regarder l'article wikipedia sur le cytochrome et du coup j'ai eu un doute, mais non, les cytochromes sont bien des protéines, des hémoprotéines en l’occurrence !

[Flyingbike]

Mais non, c'est pas grave !

[invite8feb29d3]

Concernant la règle du gamma, pas de problème, nous l'avons plus ou moins revue en chimie cette année.

Je vous remercie énormément pour avoir clarifié ce qui était pour moi du charabia !! Je pense que tout sera parfaitement clair lorsque j'aurai en tête la structure de la mito et tous les petits détails qui vont avec.

J'ignore si vous êtes dans l’enseignement, dans tous les cas bonne continuation !

[zwitterion]

Merci, mais tu peux me tutoyer, on est sur un forum

Et au fait, j'oubliais, le FAD est un dérivé de la vitamine B2, et le NAD un dérivé de la vitamine B3 (ou PP) !