1. Biochimie de la cellule et thermodynamique

a) Thermodynamique

Le vivant obtient son énergie à partir de molécules complexes (protéines, sucres, lipides complexes) qui vont être dégradées : c’est le catabolisme. Au départ, les éléments sont réduits et donc chargés en énergie mais leur oxydation permet à la cellule de récupérer de l’énergie.

A l’inverse, à partir des molécules simples (acides aminés, monosides) issues du catabolisme, on peut refabriquer des molécules complexes : c’est l’anabolisme.

Les cycles anabolismes/catabolismes sont omniprésents dans le vivant et permettent la régénération de molécules.

b) Rappels de thermodynamique

Le vivant est le siège de transformations chimiques et correspond à un système ouvert, c’est-à-dire qu’il échange de la matière et de l’énergie avec l’environnement (milieu). L’étude de ce système est difficile, mais on le considère stationnaire, il maintient son homéostasie.

Ce système diffère des systèmes isolés qui conservent l’énergie et la chaleur à l’intérieur et des systèmes fermés qui n’échangent que de la chaleur.

Le vivant obéit donc aux lois de la thermodynamique :

  • 1er principe : dans un système, l’énergie se conserve. La variation d’énergie prend le nom d’enthalpie ΔH (heat) en J/mol ou cal/mol. 
    • Dans une transformation, s’il y a libération de la chaleur on parle de réaction exothermique (ΔH<0).
    • Quand ΔH est positif : réaction endothermique.
  • 2ème principe : tout système tend spontanément vers un état plus stable désordonné, désorganisé . L’entropie ou le « degré de désordre » du système augmente : ΔS. L’énergie libérée dans cette augmentation de désordre est appelée enthalpie libre ΔG.

En conséquence, seul un système organisé qui dispose d’enthalpie libre peut servir à un travail (Work, W) comme par exemple les fibres musculaires qui se contractent.

Δ(J/mol) = ΔH (J/mol) – T(K)*ΔS(J/mol.K)

Si on considère la réaction : S => P + 10 Kcal

C’est une réaction exergonique. Le système a perdu de l’énergie donc ΔG < 0 : ΔG = -10Kcal/mol. C’est une réaction spontanée, mais elle n’est pas nécessairement rapide et immédiate.

  • Définition : une calorie correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’1°C la température d’1g d’eau. (quand on considère l’eau initialement à 15C°).
    • 1 calorie = 4,184J.

Nombre d’Avogadro : N=6,02.1023 mol-1

Constante de Faraday : F= 96 480 J/V.mol

c) Variation d’enthalpie libre ou d’énergie libre ΔG

Concentration des réactants et équilibre réactionnel

La variation d’enthalpie libre ΔG dépend de 2 facteurs :

  • Un exprimant l’énergie, au moment initial de la réaction, selon la proportion de S et de P
  • Un exprimant l’énergie selon la proportion entre S et P au moment final : lorsque l’équilibre réactionnel est atteint.

On considère la réaction aS1 + bS2 => xP1 + yP2

ΔG = -RT ln(Keq) – (- RT ln ([P1]X . [P2]y / [S1]a. [S2]b))

État final – État initial

ΔG= -RT ln(Keq) + RTlog(produits/substrats)

  • À 25°C : 2,3 RT = 1364 cal/mol
  • À 37°C : 2,3RT= 1419 cal/mol

Couplage de réaction

La variation d’enthalpie libre ΔG d’une somme de réaction est égale à la somme des ΔG de chacune des réactions prises dans le sens de leur réalisation. Si une série de réactions présente un ΔG<0, l’ensemble peut se réaliser spontanément, à condition que les énergies ne soient pas dissipées, diffusées mais puissent être conservées à la réalisation des réactions nécessitant de l’énergie.

Grâce aux enzymes, le vivant à la capacité de coupler des réactions pour éviter cette diffusion inutile d’énergie.

  • Z~Y ————> Z + Y + 15kcal ΔG = (Gz+ Gy) – Gz~y = -15kcal
  • P + 10kcal —-> S ΔG = +10kcal
  • D’où : Z~Y + P ——-> Z + Y + S ΔG = -5kcal

En disposant d’une réaction exergonique (ΔG<0) on peut réaliser une réaction endergonique (ΔG>0) si cette 2ème nécessite moins d’énergie que la première ne peut en libérer.

Conditions standard et ΔG0

Pour comparer les ΔG entre eux, il faut définir un état standard. Ce dernier est défini à 25°C en considérant [S] et [P] à 1mol/L. Cet état standard est nommé : ΔG0.

Ainsi, à l’état standard on a ΔG = – 1364 log Keq + 1364 log (1) d’où
ΔG0 = – 1364 log (Keq) (en cal/mol)

Toute réaction avec un ΔG négatif, sera inéluctable (= inévitable) mais pour avoir lieu il faudra tout d’abord, souvent franchir un cap énergétique appelé énergie d’activation : Ea.

Chemin réactionnel et ΔG

ΔG exprime la différence d’énergie entre un point d’arrivée et un point de départ. Il sera donc identique, quel que soit le chemin emprunté et le nombre d’étapes intermédiaires.

d) Le standard biologique

L’utilisation du standard chimique dans le vivant présente des inconvénients :

  • L’eau dans la cellule est à une concentration de 55,5M très loin du 1M qu’on applique.
  • Le pH de la cellule est à 7, or le standard chimique implique [H+] = 1M.

Pour cette raison on définit un standard « biologique » noté ΔG’0avec de nouvelles règles :

  • pH = 7 ([H+]=10-7 M)
  • Tous les réactants sont établis à 1M y compris l’eau.

2. Les molécules « réservoir d’énergie » : le rôle central de l’ATP

Le maintien de la vie nécessite :

  • La transformation de forme d’énergie en d’autre formes (la photosynthèse par exemple transforme l’énergie solaire en énergie chimique).
  • Le stockage de l’énergie de manière à pouvoir l’utiliser selon les besoins de la cellule (l’amidon et le glycogène). Cette énergie est dite « mobilisable ».

a) Hydrolyse de l’ATP/ transfert de groupement

L’ATP ou adénosine tri-phosphate est une molécule qui peut s’hydrolyser pour libérer :

  • De l’ADP et un groupement phosphate, celui-ci est noté Pi OU
  • De l’AMP et du PPi ou pyrophosphate.

Cette hydrolyse est très exergonique et servira au couplage avec des réactions endergoniques de l’anabolisme et à d’autre activité de la cellule (motricité, transport etc.)

L’ATP est un nucléotide composé d’une base azotée (adénine), d’un sucre (ribose), et de 3 phosphates.

L’hydrolyse de l’ATP, dans les conditions standard vaut-30, 5 kJ/mol pour l’ATP vers l’ADP ou -45kJ/mol pour l’AMP vers le pyrophostphate Ppi. Ceci s’explique car la liaison anhydride phosphorique est une liaison riche en énergie.

Cette énergie libérée est d’autant plus grande dans la cellule, où les concentrations en ATP, ADP et AMP sont différentes de 1M. Par conséquent, on observe un ΔG’ d’hydrolyse inférieur à -30kJ/mol, de l’ordre de -50 à -60kJ/mol. Ce ΔG’ prend le nom de ΔGp. Cette énergie pourra servir à réaliser des réactions énergétiquement défavorables.

b) Autres molécules du vivant à fort potentiel énergétique

D’autres molécule que l’ATP présentent également un ΔG’0 d’hydrolyse inférieur à -25kJ/mol, on les nomme composés « riches en énergie » car ils présentent un fort potentiel énergétique lorsqu’ils subissent un hydrolyse.

Autres composés phosphorylés

Il existe 3 autres molécules phosphorylées, riches en énergie :

  • Le Phosphoénol Pyruvate (PEP)

L’hydrolyse du PEP libère beaucoup d’énergie car elle donne un intermédiaire très instable dans la cellule : l’énol-pyruvate. Cette 1ère étape libère une quantité « classique » d’énergie (environ 30kJ/mol). L’énol-pyruvate, très instable, va immédiatement se tautomériser pour donner la forme céto-pyruvate, appelée pyruvate car c’est la seule forme qu’on retrouve dans la cellule car elle est stable. Cette 2ème étape libère une quantité similaire d’énergie. Finalement, l’hydrolyse du PEP est très énergétique (ΔG’0 = -62kJ/mol).

  • Le 1,3-diphosphoglycérate (DPG)

L’hydrolyse donne du 3-phosphoglycérate, hydrolysé à son tour en glycérate, libérant ainsi de l’énergie via 2 réactions différentes, comme le PEP.

  • La phosphocréatine

L’intérêt de l’existence de ces molécules présentant un plus fort potentiel énergétique que l’ATP est de pouvoir « régénérer » directement de l’ATP. Par exemple, la déphosphorylation du PEP par la pyruvate kinase donne du pyruvate et libère un phosphate qui va pouvoir transformer de l’ADP en ATP.

Acétyl-CoA

L’hydrolyse de l’acétyl-CoA ou acétyl-Coenzyme A libère beaucoup d’énergie en raison de la présence de liaison thioester entre l’acide acétique et le coenzyme A. L’hydrolyse de l’acétyl-CoA libère donc le Coenzyme A et de l’acide acétique. Au pH cellulaire, l’acide acétique se ionise immédiatement en libérant un proton pour donner de l’acétate. La double liaison C=O ainsi créée va se stabiliser pour créer une résonance, ce qui libère de nouveau de l’énergie.

L’ATP est la forme de réserve de stockage chimique de l’énergie dans la cellule et l’ATP doit être considéré comme une molécule navette de groupements phosphate. Elle assure le afin de permettre :

  • D’avoir de l’énergie pour la synthèse de biomolécules.
  • Le transport de biomolécules contre leur gradient de concentration ou contre le potentiel électrique de part et d’autre d’une membrane.

3. Réactions biologiques d’oxydo-réduction, sources d’énergie

a) L’oxydo-réduction

Dans la cellule une autre source d’énergie existe : c’est le flux d’électrons produit par oxydation de molécules. Au cours du catabolisme, les aliments sont oxydés. Les électrons ainsi produits seront transportés par différents intermédiaire, permettant la libération d’énergie et la création de stock chimique d’énergie.

Les oxydations sont fréquentes dans la cellule. On retrouve par exemple beaucoup de déshydrogénations :

  • AH2 <—-> A + 2e + 2H+

Cette réaction s’accompagne automatiquement d’une réduction :

  • B + 2e + 2H+ <—-> BH2,

Au final, l’équation obtenue donne :

  • AH2 + B <—-> A + BH2

b) Rappels sur les potentiels redox

En chimie, on parle de « potentiel rédox » E° par rapport à une référence (en volt).  Ce couple de référence est : 2H+/H2 = E° = 0V

Tout couple qui à un E°>0, ce couple est un oxydant. Dans le cas inverse, on parle de couple réducteur.

Le standard biologique du potentiel rédox E’° est défini à pH proche de 7, à cause de la concentration cellulaire en Hégale à 10-7 mol/L, loin du standard chimique où [H+] = 10-1 mol/L.

La valeur de référence du potentiel rédox E’° du couple 2H+/H2 est donc modifiée : E’°=-0,414 V (pour 1 mole)

c) Enthalpie libre et potentiels redox

Si on considère la réaction Aoxydant + Bréducteur = Aréducteur + Boxydant, alors le potentiel rédox E’ est définie de la manière suivante (à 25°C et pH=7) :

E’ = E’° + (0,059/n)log ([Aox]/[Ared])

D’où

Avec ΔE’° = E° (oxydant) – E° (réducteur)

Cette variation de potentiel rédox déduit le sens d’écriture d’une réaction et peut être converti en variation d’enthalpie libre. ΔG0 = -nFΔE0

Ceci nous donne les potentiels redox de nombreux couples importants dans la biologie. On constate que l’oxygène (couple ½ O2/H2O) est le plus oxydant c’est-à-dire qu’il possède un E’° > 0. A l’inverse, le couple NAD+/NADH est très réducteur avec un E’° << 0.

d) Les transporteurs universels d’électrons

Il existe une multitude de réactions rédox différentes dans la cell, chacune catalysée par une enzyme spécifique (oxydases, déshydrogénases etc.). Cependant, l’oxydation du substrat dans les étapes du catabolisme utilise majoritairement 2 grands types de molécules qui accepteront les électrons perdus par la molécule oxydée. Au cours de ces étapes, ces accepteurs d’e- sont réduits.

Ces 2 grands types d’accepteurs qui deviennent réduits travaillent en relation avec les enzymes, on parle donc de coenzymes. Dans le cas des déshydrogénations (entre autres) intervenant dans le catabolisme, on retrouve 2 types de coenzymes hydrosolubles :

  • NAD (et NADP) : Nicotinamide Adénine Dinucléotide (Phosphate)
  • Coenzymes Nucléotidiques Flaviniques :
    • FMN : Flavine MonoNucléotide
    • FAD : Flavine Adénine Dinucléotide

NAD et NADP

Le NAD(P) est un dinucléotide qui diffère par la présence ou non d’un Pi en 2’ du ribose. Le NAD existe sous forme oxydée NAD+ et sous forme réduite NADH, H+.

Il est fabriqué à partir d’une vitamine : la niacine, appelée vitamine B3, vitamine PP ou encore acide nicotinique. Le potentiel rédox E’° du couple NAD+/NADH,H+ est très négatif (-32V), ce qui en fait un accepteur d’électrons qui pourra très facilement les relarguer.

La concentration de la forme oxydée NAD+ domine dans le vivant, ce qui favorise encore plus le relargage d’électrons depuis les substrats (issus de l’alimentation) vers le NAD+ qui deviendra NADH,H+, capable de stocker les électrons pour permettre la fabrication ultérieure d’énergie (ATP).

Le NAD présente une caractéristique très importante : sa forme réduite NADH,H+ peut être facilement distinguée de la forme NAD+ car c’est la seule qui absorbe à λ= 340nm (UV).

FMN et FAD

Le FMN et le FAD sont synthétisés à partir de la riboflavine (ou vitamine B2). Certaines protéines engloberont du FMN ou du FAD dans leur constitution, ce sont les flavoprotéines. Le FMN ou le FAD est alors intimement lié à la protéine si bien que cette dernière est purifiée avec le FMN ou le FAD. Ils forment un groupement prosthétique (= fraction non protéique d’une protéine) puisqu’il s’agit d’un groupement isoalloxazine.

Le FMN et le FAD sont des formes oxydées qui peuvent donc être réduites :

  • En acceptant un électron (et un H+), formation du FMNH° ou du FADH°. C’est une forme radicalaire stable, appelée semiquinone. Cette forme pourra re-céder un éclectron ou en accepter un 2ème.
  • En acceptant un 2ème e- pour former la forme réduite FMNH2 ou FADH2.

En conséquence le FAD peut indifféremment accepter 1 ou 2 électrons, si bien qu’on retrouvera ces composés dans une grande variété de réactions.

NB : les spectres d’absorption seront également différents selon que la forme soit oxydée, semiquinone ou réduite. Ceci permet de les doser efficacement.

e) La chaîne respiratoire et les phosphorylations oxydatives

La mitochondrie, centrale énergétique de la cellule

La mitochondrie est un organite intracellulaire en contact avec le cytosol de la cellule, sa composition est (depuis l’extérieur vers l’intérieur) :

  • Membrane externe : composée d’une double couche phospholipidique, perméable aux ions et aux petites molécules.
  • Espace intermembranaire : dont le pH est acide (4,5) et donc en excès de protons.
  • Membrane interne : composée de nombreuses crêtes qui permettent d’augmenter la surface d’exposition. Cette membrane est imperméable aux ions (notamment les protons) et aux petites molécules. C’est dans cette membrane que siège la chaîne respiratoire.
  • Matrice mitochondriale : pH de l’ordre de 7, dans laquelle convergent un grand nombre de molécules issues du catabolisme. C’est à cet endroit qu’on trouvera le NADH,H+ réduit. C’est également le lieu du cycle de Krebs qui forme une série de réaction intervenant dans les étapes finales du catabolisme des glucides, lipides, protéines.

Afin de comprendre le métabolisme énergétique et les transferts d’électrons, il est important de se poser 2 questions :

  • Comment retirer de l’énergie sous forme chimique stockable (ATP) depuis coenzymes réduits ?
  • Comment ré-oxyder les coenzymes pour leur réutilisation dans le catabolisme ?

La théorie chimiosmotique de Mitchell

Dans la respiration cellulaire, l’O2 apporté depuis l’extérieur servira d’accepteur final d’électrons pour former de l’H2O. Les électrons captés par les coenzymes réduits seront progressivement transférés à des transporteurs d’électrons de la chaîne respiratoire selon des potentiels redox E’0 de plus en plus grands.

Par cette respiration cellulaire, on obtient :

  • De l’eau par réduction de l’O2
  • La réoxydation de cofacteurs réduits 
  • Couplé à cet échange d’électrons, une expulsion des protons contre leur gradient de concentration depuis la matrice (pH neutre) vers l’espace intermembranaire (pH acide). L’imperméabilité de la membrane interne force les protons et les ions à rester à l’extérieur de la matrice avec 2 conséquences énergétique :
    • On obtient une distribution asymétrique des protons.
    • On obtient une distribution asymétrique des charges électriques.

D’où une différence de pH et une différence de potentiel électrique au niveau de la membrane, qui possède donc 2 faces :

  • Celle tournée vers l’espace intermembranaire riche en H+ : face P (positive)
  • Une face tournée vers la matrice comparativement déficitaire en H+ : face N (négative)

On trouve dans la membrane interne un complexe protéique transmembranaire appelé complexe V ou ATP synthase. Du côté matrice, il permet la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de Pi à l’aide d’énergie apportée par l’entrée des protons selon leur gradient de concentration et leur gradient de charge depuis la face P vers la face N grâce au complexe (la membrane étant imperméable). Ces protons forment un flux présentant une énergie, c’est la force proton-motrice. Une fois rentrés dans la matrice (et l’ATP synthétisé) ces protons seront utilisés par la réduction de l’O2 en H2O.

En conclusion la cellule emmagasine de l’énergie sous forme d’ATP grâce à la chaîne respiratoire et au complexe V (ATP synthase) en utilisant l’énergie de ré-oxydation des coenzymes. Ceci passe par une chaîne d’électrons intra-membranaire formé de complexes avec des potentiel redox E’° de plus en plus important.

Nature des différents éléments de la chaine respiratoire

Il existe 5grands types de transporteurs d’électrons :

  • NAD
  • FAD et flavoprotéines associées
  • Coenzyme-Q (CoQ, ubiquinone) hydrophobes donc solubles dans la membrane. L’ubiquinone sera mobile dans la membrane et pourra fixer 1 ou 2 électrons existants sous la forme oxydée (semiquinone radicalaire) ou totalement réduite (ubiquinol QH2)
  • Les cytochromes : plusieurs types sont rencontrés dans la chaîne respiratoire (les cytochromes a, b et c). Ce sont des complexes protéiques avec une porphyrine qui permet de lier un métal (fer, cuivre, nickel, zinc). Lorsque la porphyrine fixe un fer on parle de noyau hème.
  • Des protéines fer-soufre

Séquence et constitution de la chaîne respiratoire

  • Entré du NADH, H+

Cette entrée se fait du côté de la matrice au niveau du complexe I et permet de régénérer (réoxyder) le NAD. Ce complexe multiprotéique présente un potentiel redox E’° supérieur à celui du NADH,H+ ce qui permet de lui prendre ses électrons. Il prend le nom de NADH déshydrogénase. Il est formé de nombreux constituants dont des flavoprotéines à FMN et des protéines Fer-soufre. Ces électrons captés seront cédés à l’ubiquinone.

Au final la réaction du complexe I (NADH déshydrogénase) peut s’écrire ainsi :

NADH + 5H+ + CoQ => NAD+ + CoQH2 + 4H+

  • Transfert des électrons par le Coenzyme-Q

Le Coenzyme-Q hydrophobe est mobile dans la membrane, il va permettre le déplacement des électrons captés depuis le complexe I vers le complexe III.

  • Le complexe III

Le complexe III est aussi appelé Cytochrome bc1 ou CoQ–CytC oxydoréductase

Ce complexe permet le transfert d’un des électrons du CoQH2 vers un cytochrome c et de l’autre électrons vers un Coenzyme-Q qui devient alors une semiquinone. Un autre CoQH2 vient se lier et réitère l’opération ce qui a pour résultat de régénérer du CoQH2 depuis la semiquinone.

QH2 + 2CytC (oxydés) + 2H+ => Q + 2 CytC (réduits) + 4H+

  • Le cytochrome c

Le cytochrome est hydrosoluble et ne fait pas parti de la membrane interne, il est retrouvé dans l’espace inter-membranaire. Il permettra le transfert des électrons du complexe III vers la complexe IV.

  • Le complexe IV

Aussi appelé Cytochrome C Oxydase, ce complexe transfert les électrons à un oxygène en récupérant des électrons à travers la membrane interne de la mitochondrie. Pour une molécule d’oxygène réduite, 2 molécules d’H20 sont formées et 4 protons sont expulsés vers l’espace intermembranaire.

O2 + 4Cyt C (réduits) + 8H+ (matrice) => 2H2O + 4cyt c (oxydés) + 4H+ (intermembranaires)

Bilan

La ré-oxydation du NADH,H+ par la chaîne respiratoire permet de passer d’un potentiel redox E’° de -0,32V à +0,816V. Le retour des protons expulsés via l’ATP synthase permettra la fabrication de 3 ATP par molécule de NADH oxydé.