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Cours sur: Thermodynamique biologique de la chaîne des transporteurs d'électrons

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COURS DE BIOENERGETIQUE

THERMODYNAMIQUE BIOLOGIQUE DE LA CHAINE DES TRANSPORTEURS D'ÉLECTRONS

PLAN DU COURS DE BIOENERGETIQUE

  • I. GENERALITES
    • I.1 DEFINITIONS
    • I.2 BIOENERGETIQUE ET LIMITES DE LA THERMODYNAMIQUE CLASSIQUE
    • I.3 METABOLISME ET BIOENERGETIQUE
    • I.3.1 LES ORGANISMES AUTOTROPHES
    • I.3.2 LES ORGANISMES HÉTÉROTROPHES
  • II. PRINCIPES ET PARAMETRES DE LA THERMODYNAMIQUE UTILISÉS EN BIOENERGETIQUE
    • II.1 1ER PRINCIPE : CONSERVATION DE L'ÉNERGIE
    • II.2 L'ÉNERGIE INTERNE D'UN SYSTÈME
    • II.3 L'ENTHALPIE
    • II.4 DEUXIÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE, L'ENTROPIE
    • II.5 ENTHALPIE LIBRE DES RÉACTIONS BIOMIQUELLES
    • II.6 NOTIONS DE POTENTIEL D'OXYDOREDUCTION
  • III. LA PHOSPHORYLATION OXYDATIVE ET LA RÉCUPÉRATION DE L'ÉNERGIE
    • III.1 DÉFINITION
    • III.2 FORMATION DE L'ATP À PARTIR DES PHOSPHORÉ D'ÉNTRANSFER D'ANP SUR L'ADP
    • III.3 PHOSPHORYLATION OXYDATIVE
  • IV. PHOTOSPHORYLATION
    • IV.1 DÉFINITION
    • IV.2 LOCALISATION
    • IV.3 GROUPES TRANSPORTEURS D'ÉLECTRONS ET ORGANISATION DU TRANSPORT
    • IV.4 CRÉATION DE GRADIENT DE DENSITÉ DE PROTONS
    • IV.5 MÉCANISME DE LA SYNTHESE DE L'ATP - THÉORIE DE MITCHELL
  • V. AUTRES SYSTÈMES MEMBRANAIRES SIEGES DE CONVERSION D'ÉNERGIE
    • V.1
    • V.2 TRANSFERT D'ÉLECTRONS INDUIITS PAR LA LUMIÈRE
    • V.3 BACTÉRIES PHOTOSYNTHÉTIQUES : EXEMPLE DE TRANSFERT CYCLIQUE D'ÉLECTRONS

Constantes

  • R = 8,314 J/mol·K
  • R = 1,987 cal/mol·K
  • R =
  • F = 90500 C = 96500 J·V⁻¹·Eq⁻¹ = 23060 cal·V⁻¹·Eq⁻¹

I. GENERALITÉS

I.1 Définitions

La bioénergétique est la branche de la biochimie qui étudie des processus par lesquels les cellules vivantes utilisent, accumulent et libèrent de l'énergie. La transformation de l'énergie, c'est-à-dire à la conversion de l'énergie d'une forme en une autre, est l'une des composantes centrales de la bioénergétique.

La thermodynamique (vient du grec thermos, du grec chaud, dynamis, grec = puissance) est l'étude des transferts d'énergie.

La thermodynamique classique est le domaine de la chimie qui traite des modifications d'énergie qui accompagnent les réactions chimiques ainsi que les changements d'état physique des systèmes. Divers types d'énergie sont mis en jeu dans le fonctionnement des êtres vivants et leurs relations avec le milieu extérieur: énergie chimique, thermique, mécanique, électrique, lumineuse...

Un système est une portion de l'espace et son contenu, limitée par une surface réelle ou fictive. Tout ce qui entoure ce système est son environnement. L'état d'un système est complètement défini quand sont fixées des grandeurs comme le volume V, la pression P, la température T.

Un système ouvert permet l'échange d'énergie et de matière avec le milieu extérieur. Un organisme vivant est un système ouvert.

Un système fermé permet l'échange d'énergie avec le milieu extérieur mais pas de matière. La chaleur peut être transmise par conduction, etc. L'eau dans une casserole est chauffée par convection. Le mouvement du fluide peut être naturel ou forcé. Les systèmes peuvent être isolés ou adiabatiques dans certaines hypothèses.

Un système isolé ou adiabatique ne permet aucun échange d'énergie ni de matière avec le milieu extérieur. L'univers est un système isolé.

L'énergie définit toutes les formes de travail et de chaleur; l'entropie est le degré de désordre ou de hasard.

I.2 Bioénergétique et limites de la thermodynamique classique

Dans le domaine de la bioénergétique, la cellule vivante ne peut pas créer de l'énergie mais elle possède la faculté de l'extraire, de la transformer, de l'utiliser et de l'échanger satisfaisant ainsi au premier principe de la thermodynamique.

Par contre, la cellule vivante crée de l'ordre et la maintient par l'intermédiaire de la faculté à fabriquer des biomolécules. Elle échappe ainsi, en tant que système, au second principe de la thermodynamique. En contrepartie, elle augmente l'entropie de l'univers.

La thermodynamique classique de l'équilibre étudie l'évolution d'un système en considérant l'état initial et l'état final, avant et après l'intervention d'un phénomène. Elle ne se préoccupe pas du temps, ni de la voie suivie pour atteindre l'équilibre. La bioénergétique étudie au contraire l'évolution de la cellule vivante qui fonctionne comme un système ouvert et irréversible. Le dernier n'est jamais en équilibre avec son environnement mais se trouve dans un état stationnaire dynamique. Un tel état est obtenu lorsque la vitesse d'apparition d'un composé cellulaire est compensée exactement par la vitesse de sa dégradation. L'étude de l'évolution cellulaire, outre les échanges d'énergie, doit prendre en compte le temps et le chemin suivi, donc la vitesse.

I.3 Métabolisme et bioénergétique

On définit le métabolisme comme l'ensemble des réactions chimiques qui se produisent dans une cellule. Il s'agit d'un cycle de matière organique dans lequel les voies du catabolisme (ensemble des réactions cellulaires qui libèrent de l'énergie utile) fournissent les précurseurs des voies de l'anabolisme (ensemble des réactions cellulaires consommant de l'énergie utile) et inversement.

Le principe du métabolisme des êtres vivants est que le carbone est plus stable à l'état oxydé que l'état réduit (l'oxydation du carbone est une réaction thermodynamiquement favorisée; cela signifie ΔG ≤ 0). De fait, en oxydant sa matière organique, toute cellule trouve l'énergie nécessaire à la réalisation d'un travail particulier. Cependant, nous savons que la matière vivante (sucres, graisses, protéines…) est fondamentalement une matière carbonée réduite.

Ainsi, lorsque qu'elle oxyde sa matière organique, la cellule perd de son pouvoir réducteur. Celui-ci est néanmoins récupérable grâce à un donneur d'électrons qui assure la réduction d'un accepteur final d'électrons.

Ce sont les natures de ce donneur d'électrons et de la source d'énergie qui permettent d'établir les différents types trophiques existants sur Terre.

I.3.1 Les organismes autotrophes

Il s'agit de tous les êtres vivants capables de réduire le carbone inorganique ou minéral en carbone organique. On distingue parmi cette classe d'êtres vivants les organismes: les photolithotrophes et les chemolithotrophes.

  • Figure 1 : Source d'énergie/Donneur d'électrons chez les photo-lithotrophes [Schéma: Source d'énergie et donneur d'électrons chez les photo-lithotrophes]
    • VEGETAUX CHLOROPHYLLIENS ET CYANOBACÉTRIES
  • Figure 2 : Source d'énergie/Donneur d'électrons chez chimiolithotrophes [Schéma: Source d'énergie et donneur d'électrons chez les chimiolithotrophes]
    • BACTERIES DE LA MINÉRALISATION

Constantes (suite)

  • Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

II. PRINCIPES ET PARAMÈTRES DE LA THERMODYNAMIQUE UTILISÉS EN BIOENERGÉTIQUE

(Contenu non affiché dans les images, mais normalement présent dans le document)

III. LA PHOSPHORYLATION OXYDATIVE ET LA RÉCUPÉRATION DE L'ÉNERGIE

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IV. PHOTOSPHORYLATION

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V. AUTRES SYSTÈMES MEMBRANAIRES SIEGES DE CONVERSION D'ÉNERGIE

(Contenu non affiché dans les images, mais normalement présent dans le document)

I.3.2 Les organismes hétérotrophes

Il s'agit de tous les êtres vivants tenus de se procurer la matière organique dans leur alimentation. On distingue parmi cette classe d’êtres vivants les organismes:

  • photo-organotrophes (Source énergétique = photo / donneur d’électrons = organique) (athiorodacées) qui puisent leur énergie dans la lumière et pour lesquels le donneur d’électrons est un composé organique (cf. schéma).
    [Schéma: Source d'énergie/Donneur d'électrons chez les photo-organotrophes]

  • chimiOrganotrophes (Source énergétique = chimio / donneur d’électrons = organique) (animaux et végétaux non chlorophylliens) qui puisent leur énergie dans la matière organique et pour lesquels le donneur d’électrons est un composé organique (cf. schéma). Ils comptent des organismes aérobies c’est-à-dire respirants (l’accepteur final d’électrons est le dioxygène) et des organismes anaérobies c’est-à-dire fermenteurs (l’accepteur final d’électrons est un composé organique).
    [Schéma: Source d'énergie/Donneur d'électrons chez les hétérotrophes]

I.4 Les formes d'énergie de la cellule

I.4.1 L'énergie de réaction

Soit la réaction: A + B → C + D

On définit la variation d’enthalpie libre de réaction comme la grandeur ΔG = ΔG° + RT ln([C][D]/[A][B])

où ΔG° est la variation d’enthalpie libre de réaction standard c’est-à-dire ΔG° dans des conditions standard définies par [X] = 1 mol.L⁻¹, pH = 7 et température et pression constantes, R est la constante des gaz parfaits et T la température.
ΔG°’ = -RT ln K_eq

Remarque importante: seule ΔG a une signification. En effet, les conditions généralement rencontrées dans une cellule sont tout sauf des conditions standard. Exemple: pour l’hydrolyse de l’ATP ΔG°’ ≈ -30,5 kJ.mol⁻¹; ΔG ≈ -45 kJ.mol⁻¹.

ΔG°’ = -RT ln(K_eq) (ou équivalent, selon le formalisme utilisé)

Il s’agit de la loi d’action de masse: si on augmente la concentration en réactifs (respectivement en produits), on déplace l’équilibre vers la formation des produits (respectivement des réactifs).

I.4.2 L'énergie de gradient

Un gradient électrochimique transmembranaire consiste en une répartition inégale d’une espèce chimique d’un côté et de l’autre d’une membrane biologique. Il se traduit physiquement par l’existence d’une différence de potentiel électrique et chimique pour cette espèce.

ΔG = RT ln([X]₂/[X]₁) + z F (ψ₂ − ψ₁)

où z est la charge de l’espèce et F est la constante de Faraday (F ≈ 96485 C.mol⁻¹). Remarque: la dissipation d’un gradient électrochimique peut être utilisée comme forme d’énergie potentielle.

G = ∑ n_i μ_i (potentiel électrochimique)

μ_i = μ_i⁰ + RT ln [i] + z_i F ψ

ΔG correspond à la variation du potentiel d’énergie lors du passage de l’espèce d’un compartiment à l’autre.

I.5 Couplages énergétiques

I.5.1 Définition des Couplages énergétiques

On parle de couplage lorsque le travail fourni par une transformation spontanée permet de réaliser une transformation non spontanée (de type chimique ou mécanique). Le couplage peut être chimio-osmotique (fourniture d’un travail chimique), osmo-chimique (fourniture d’un travail osmotiques) ou osmo-osmotique (fourniture d’un travail lié au mouvement ionique).

La cellule peut utiliser des protéines membranaires comme éléments de couplage, ce qui permet que les deux transformations s’effectuent simultanément.

La figure 5 illustre des couplages qui ont lieu au niveau de la membrane interne mitochondriale:

  • couplage chimio-osmotique
  • couplage osmo-chimique
  • couplage osmo-osmotique

[Schéma: Différents couplages à travers une membrane interne mitochondriale]

I.5.2 Exemple

Considérons la réaction de phosphorylation directe de l’ADP en ATP par le Pi:

ADP + Pi → ATP

C’est une réaction réversible catalysée par l’ATP synthase. Le potentiel d’énergie associé peut être transféré via le gradient électrochimique pour réaliser le travail de synthèse de l’ATP.

Dans cette approche, l’énergie est fournie par le gradient transmembranaire et par l’action de la protéine couplante.

I.5.3 Couplages faisant intervenir un transport

Une réaction chimique spontanée peut être couplée à un transport actif non spontané. On parle de couplage chimio-osmotique (fourniture d’un travail chimique, nécessité d’un travail osmotiques). Inversement, un transport spontané peut être couplé à une réaction chimique non spontanée. On parle alors de couplage osmo-chimique. Enfin, un transport peut être couplé à un transport actif. En biologie, les transports se conçoivent surtout entre deux compartiments séparés par une membrane biologique.

La figure 5 illustre différents types de couplages à travers une membrane mitochondriale.

I.6 Coenzymes et couplages énergétiques

I.6.1 Système monétaire contre système de troc

Un couplage énergétique biologique requiert l’existence d’un coenzyme spécifique assurant l’interdépendance des 2 processus (la spécificité de l’enzyme assure l’efficacité du couplage).

La cellule a recours à un « système monétaire » préferable au système de type troc car il réduit le nombre de coenzymes nécessaires.

Pour le couplage de n processus exergoniques à n processus endergoniques, dans le cadre d’un système de type troc, le nombre de coenzymes requis est de n² alors que, dans le cadre d’un « système monétaire », il est de 2n. Cf. schéma.

Exemple (cf schéma): (co-facteurs et coenzymes permettent l’échange d’énergie entre réactions et transports)

I.6.2 L’ATP

L’Adénosine TriPhosphate est la monnaie d’échange énergétique la plus répandue des systèmes vivants. L’ATP : Phosphodérivé essentiel à l’intérieur de la cellule existe dans toutes les cellules vivantes avec une concentration de l’ordre de 10^-4 à 10^-3 mol/l. Il est thermodynamiquement instable et présente une grande aptitude à s’hydrolyser en ADP ou AMP. C’est cette instabilité qui lui permet de servir à la fois de transporteur et de donneur de groupement phosphate.

[Schéma: Coenzymes requis lors échanges énergétiques – système troc]
[Schéma: Coenzymes requis lors échanges énergétiques – système monétaire]

Figure 6: Coenzymes requis lors échanges énergétiques dans le cas d’un système troc, et dans le cas d’un système monétaire

L’ATP (voir Fig. 7 et texte ci-dessous) n’est pas le seul phosphate activé utilisé par les cellules; il agit comme couple donneur et accepteur du groupement phosphate.

Figure 7: Structure de l’ATP et de ses dérivés – II est transporteur de l’énergie et de groupement phosphate

  • La couple ATP/ADP se comporte comme un coenzyme donneur et accepteur du groupement phosphate.

La variation d’enthalpie libre d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule n’est pas constante et dépend des conditions cellulaires (pH et température) et des concentrations des substrats et des produits. Sa valeur dans les conditions standard biologiques est donnée par les tableaux suivants et les valeurs mesurées dans le cadre des conditions réelles.

PhosphodérivésΔG°Potentiel de transfert
Phosphoénolpyruvate (PEP)-14,814,8
Phosphoglycéroylphosphate-11,811,8
Phosphocréatine-10,310,3
Acétylphosphate-10,310,3
Phosphoarginine-7,77,7
ATP-7,37,3
Glucose-1-P-5,05,0
Fructose-6-P-3,83,8
Glucose-6-P-3,33,3

Les phosphodérivés ayant un ΔG° < -7,3 kcal/mol (ΔG° de l’ATP) sont considérés comme des composés à haut potentiel d’hydrolase ou à haut potentiel de transfert du groupement phosphate. Lorsqu’un couple de couplage existe, ces composés, au cours de leur hydrolyse, fournissent l’énergie et le groupement phosphate nécessaire à la synthèse de l’ATP.

I.6.3 Couplages chimiques et rôle de l’ATP

Dans les organismes hétérotrophes, les besoins énergétiques d’une cellule sont fournis par l’oxydation des aliments. Par exemple, l’oxydation du glucose par l’oxygène moléculaire est accompagnée d’une diminution d’enthalpie libre considérable.

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O ; ΔG° ≈ -2.800 kJ.mol^-1

Tout un ensemble de couplages énergétiques ( chimiques, chimio-osmotique, osmo-osmotique) va permettre de récupérer une part de cette énergie libre pour déplacer une réaction particulière très loin de l’équilibre ; il s’agit de la phosphorylation de l’ADP en ATP (ΔG° positif).

Des couplages ultérieurs vont permettre de récupérer l’énergie libre de l’hydrolyse de l’ATP, réaction inverse de la phosphorylation (ΔG° négatif) pour effectuer la plupart des travaux cellulaires.

La réaction d’hydrolyse de l’ATP est:
ATP4- + H2O → ADP3- + Pi2-, pH = 7, ΔG°pH = -30 kJ.mol^-1

(GLUCOSE, OXYGÈNE, CO2, H2O – schéma et texte explicatif)

Figure 8: Couplage entre l’oxydation du glucose et les travaux cellulaires par l’intermédiaire du couple ADP/ATP

I.6.4 Exemples

  1. Phosphoenolpyruvate + ADP → Pyruvate + ATP (enzyme: pyruvate kinase)
  2. Phosphoglycérolphosphate + ADP → 3-phosphoglycérate + ATP (enzyme: 3-phosphoglycérate kinase)

Les phosphodérivés à ΔG° > -7,3 kcal/mol sont considérés comme des composés à faible potentiel d’hydrolyse ou à faible potentiel de transfert. L’énergie libérée au cours de leur hydrolyse est insuffisante pour former de l’ATP. Le tableau I contient quelques phosphodérivés, leur énergie libre d’hydrolyse et leur potentiel de transfert du groupement phosphate défini comme -ΔG°’.

II. Principes et paramètres de la thermodynamique utilisés en bioénergétique

II.1er Principe : Conservation de l’énergie

Une des lois les plus fondamentales en sciences est la conservation de l’énergie : au cours de n’importe quelle transformation, l’énergie n’est ni créée, ni détruite. Elle peut être convertie d’une forme en une autre ou transférée d’un système à un autre sous forme de travail, soit de chaleur, mais la quantité totale d’énergie reste toujours invariante.

II.2 L’énergie interne d’un système

En thermodynamique, l’énergie d’un système est représentée par le symbole U. La variation d’énergie du système ΔU
ΔU = Uf − Ui

Cette énergie peut varier à la suite d’un transfert d’énergie, sous forme de chaleur (Q) ou sous forme de travail (W)

L’application de la loi de conservation de l’énergie permet d’écrire:
ΔU = Q − W (ou, selon le signe choisi pour W, ΔU = Q + W)

On remplace W par sa valeur et l’on obtient:
ΔU = Q − PΔV (ou ΔU = Q + W selon la convention)

Deux cas peuvent se présenter:

  • Si la réaction a lieu sous pression constante, ΔHréaction = Q (chaleur transférée à pression constante)
  • Si la réaction se déroule sous pression constante, l’enthalpie est reliée à l’énergie libre et au travail de pression PV.

La variation d’enthalpie d’une réaction est égale à la chaleur transférée sous pression constante.

II.3 Conditions standard et équation des gaz parfaits

ΔH°réaction = variation d’enthalpie standard = P = 1 atm, C = 1 M
variation d’enthalpie d’une réaction chimique qui a lieu sous 1 atm, 1 M de soluté.

ΔH°réaction = ΔU°réaction + PΔV°réaction
Avec P valor exactement 1 atmosphère.
La différence entre ΔH°réaction et ΔU°réaction est déterminée par ΔVréaction; ΔV réagit par rapport au volume des réactifs et des produits.

Figure 9: Enthalpie en fonction du temps des réactions exothermiques et endothermiques

II.3.1 Cas général (résumé)

  • Enthalpie est la chaleur transférée à pression constante.
  • Énergie interne et enthalpie sont liées par l’équation ΔH = ΔU + Δ(PV).
  • Les réactions exothermiques libèrent de la chaleur; les réactions endothermiques nécessitent de la chaleur ou l’apport d’énergie sous forme de travail.

Figure 9 et texte expliquent les variations d’enthalpie en fonction du temps pour les réactions exothermiques et endothermiques.

Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

II.4 Deuxième principe de la thermodynamique, l’entropie

  • Constats: certaines réactions sont irréversibles.
    • l’énergie thermique se transporte toujours spontanément d’une région à température plus élevée vers une région plus basse.
    • une transformation d’un papier qui brûle spontanément dans l’oxygène est un exemple, alors que le processus inverse n’est pas observé.
  • La thermodynamique stipule que lorsque le système et son entourage se disposent pour un processus naturel, l’univers est modifié de manière irréversible.
  • Le deuxième loi et le concept d’entropie (S) sont liés à la production/dissipation d’énergie sous forme de chaleur et à l’évolution des états.
  • Selon ce principe, si une transformation est isotherme et réversible entre deux états A et B, la variation d’enthalpie libre et les autres grandeurs suivent certaines relations:
    • ΔG = ΔH − T·ΔS
    • Le signe de ΔG détermine le sens des transformations:
      • ΔG < 0: réaction exergonique ou spontanée (gauche→droite possible)
      • ΔG > 0: réaction endergonique (nécessite apport d’énergie)
      • ΔG = 0: équilibre
  • Figure 10: variation d’énergie libre. A gauche la réaction est exergogine et spontanée; à droite la réaction inverse est endergonique et nécessite un apport d’énergie pour se faire
    [Image: Variation d'énergie libre. Graphiques montrant exergonique vs endergonique]

II.5 Enthalpie libre des réactions biochimiques

II.5.1 Notion de variation d’enthalpie libre ΔG (Énergie libre de Gibbs)

  • L’énergie totale contenue dans un composé organique ou biochimique brûlé dans un calorimètre est appelée l’ENTHALPIE TOTALE (H). La partie susceptible de fournir du travail est l’ENERGIE LIBRE (G). La différence entre H et G correspond à l’ENERGIE ENTROPIQUE (TS) ou énergie du désordre du système.
  • Relation fondamentale (Willard Gibbs): H = G + T·S
  • En biochimie, seule l’enthalpie libre est utile pour indiquer l’évolution d’un système réactionnel. Elle est définie par:
    • ΔG = ΔH − T·ΔS
  • Les grandeurs H, ΔH, G, ΔG, TS, T·ΔS s’expriment en calories/mol ou en joules/mol.
  • En biologie, on s’intéresse à ΔG’ (à pH 7). La variation d’enthalpie libre à pH 7 est notée ΔG’ et est liée à ΔG et ΔS selon les mêmes principes, adaptés au milieu biologique.
  • Schéma/Notion clé: si ΔH, ΔS et T varient, ΔG renseigne sur le sens de l’évolution d’une réaction; cas particuliers avec ΔG < 0, ΔG > 0, ou ΔG = 0 existent selon le contexte.

[Image: Diagramme montrant ΔG, ΔH et ΔS et le sens d’évolution d’une réaction]

II.5.2 Calcul de la variation d’enthalpie libre

a) Calcul de ΔG

  • Considérons la réaction: aA + bB ⇌ cC + dD
  • On peut définir à l’instant initial (ou à tout moment) une constante de Gibbs K:
    • K = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b
  • Relation entre ΔG et K (relation de Gibbs):
    • ΔG = ΔG° + R·T·ln K
    • ΔG° = −R·T·ln Keq
    • K = valeur de la constante d’équilibre dans les conditions standard
  • Tableau de relations (résumé):
    • ΔG = ΔG° + R·T·ln K
    • ΔG° = −R·T·ln Keq
    • K = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b

b) Conditions standard et Calcul de ΔG°

  • 1re possibilité (conditions standard): lorsqu la concentration de chaque réactant est égale à 1 M (ou 1 mol/L) et T = 298 K.
  • (Note: dans les contextes biologiques, on peut utiliser ΔG’ et des conditions adaptées, par exemple pH 7.)

c) Conditions biochimiques et calcul de ΔG’ et de ΔG°’

  • En biologie, les réactions se déroulent souvent à pH 7. On définit ΔG’ comme l’enthalpie libre adaptée, et ΔG’ dépend des conditions biologiques.

  • ΔG’ = ΔG°’ + R·T·ln K (ou, selon le contexte, ΔG’ = ΔG°’ + R·T·ln Q)

  • Conditions standard biologiques à connaître:

    • Concentration des réactants dissous égale à 1 M
    • Température: 25 °C ou 298 K
    • Concentration des protons: 10^−7 M (pH 7)

  • Exemple d’application:

    • Réaction catalysée par une enzyme: Glucose-6-phosphate ⇌ Fructose-6-phosphate; Keq = 2
    • ΔG’° = −R·T·ln Keq
    • À 25 °C, ΔG’° ≈ −1.7 kJ/mol (pour Keq = 2)
    • Formule utilisé: ΔG’° = −R·T·ln Keq

  • Remarque: les valeurs numériques dépendent des constantes utilisées (R en J/mol·K, T en K).

  • Exemple final de calcul illustratif:

    • ΔG’° = −(8.314 J/mol·K) × 298 K × ln(2) ≈ −1.7 kJ/mol.

Fin des blocs principaux.

Notes:

  • J’ai conservé les équations et les définitions essentielles.
  • Les schémas et la figure associée ont été marqués comme images à insérer là où approprié.
  • Pas d’ajouts de contenu non présent dans les pages fournies.

d) Nature additive de la variation de ΔG'

Dans la cellule aucune réaction n'est isolée. Elle est impliquée dans une séquence de réactions ou dans une suite de réactions. Dans ces conditions le substrat d'une enzyme conduit à un produit qui lui-même devient substrat d'une deuxième enzyme et ainsi de suite. On peut donc écrire comme une séquence de réactions comme suit :

  • A → B → C → D

Pour chaque étape on peut écrire

  • A → B ΔG'AB
  • B → C ΔG'BC
  • C → D ΔG'CD

La réaction globale est : A → D ΔG'AD

On démontre que :
ΔG'AD = ΔG'AB + ΔG'BC + ΔG'CD

On utilise cette propriété lorsqu'on connaît les variations d'enthalpie libre des réactions composantes et qu'on ne peut pas calculer les constantes d'équilibre.

Exemple d’application : Enthalpie libre standard de l'hydrolyse de l'ATP

On recourt à cette loi car on ne sait à quel moment la réaction est en équilibre dans la cellule, mais on connaît deux autres réactions où interviennent l'ATP.

  1. ATP + glucose → glucose-6-phosphate + ADP
    Ke1 = 661 → ΔG'01 = -4 kcal/mol

  2. glucose-6-phosphate + H2O → glucose + Pi
    Ke2 = 171 → ΔG'2° = -3,30 kcal/mol

La réaction d’hydrolyse de l’ATP est la somme des deux réactions (1) et (2), on déduit :
ΔG'ATP'° = ΔG'01' + ΔG'2° = -4 + (-3,30) = -7,3 kcal/mol

II.6 Notions de Potentiel d’oxydoréduction

II.6.1 Couplés redox et potentiel d’oxydoréduction

On parle de réaction d’oxydoréduction lorsque dans une réaction chimique il y a un transfert d’électrons d’un composé à un autre.

  • Un réducteur est un composé ayant tendance à fournir un ou des électrons ; l’espèce chimique qui cède les électrons est appelée réducteur et au cours de la réaction s’oxyde.
  • L’espèce chimique qui accepte les électrons est appelée oxydant et au cours de la réaction il se réduit. La réaction chimique a lieu lorsque l’on mélange le réducteur et l’oxydant.

La forme réduite et oxydée d’un même composé constitue un couple redox. Une réaction d’oxydoréduction fait intervenir deux couples redox : le premier couple transfère ses électrons à l’autre et on obtient la forme oxydée du premier couple et la forme réduite du second couple.

  • Exemple (schéma informel) :
    Réducteur1 + Oxydant2 → Oxydant1 + Réducteur2

Certains couples redox font intervenir des électrons et des protons. C’est le cas des déshydrogénations (H est équivalent à H+ + e−). AH2 → A + 2H+ + 2e−

Une réaction d’oxydoréduction est caractérisée par son potentiel d’oxydoréduction, ΔE. Le pouvoir réducteur d’un couple redox est défini par le potentiel redox du couple (E), obtenu par comparaison au pouvoir réducteur d’un couple de référence (2H+/H2). Plus ce potentiel redox est négatif, plus le couple a un pouvoir réducteur.

Le potentiel redox est défini comme la différence entre le potentiel redox du couple qui accepte les électrons et le potentiel redox du couple qui fournit les électrons. Les électrons sont transférés spontanément de la forme réduite du couple le plus réducteur à la forme oxydée du couple le moins réducteur. Le ΔE d’une réaction d’oxydoréduction est donc positif. A l’inverse, une réaction non spontanée est accompagnée d’un ΔE négatif.

II.6.2 Potentiel d’oxydoréduction et variation d’énergie libre standard

Il existe des relations très simples entre ΔE (ΔE°) et ΔG (ΔG°) d’une réaction d’oxydorédution.

  • ΔE° = - ΔG° / (nF)
  • ΔE°' = - ΔG°' / (nF)

n = nombre d’électrons mis en jeu au cours de la réaction d’oxydoréduction
F = le faraday = 96,500 Coulombs

ΔE, au même titre que ΔG, fournit un critère de spontanéité des transformations et est relié au travail maximum qu’une réaction spontanée est susceptible de fournir ou au travail minimum qu’il faut fournir à une réaction non spontanée pour qu’elle s’effectue. Il faut aussi faire la distinction entre ΔE°, ΔE'° et ΔE en tenant compte du fait que le potentiel d’oxydation d’une réaction dépend des réactifs et des produits.

E° correspond à la valeur de E lorsque les concentrations des formes réduites et oxydées sont égales à condition que la stœchiométrie de la forme oxydée et de la forme réduite soit la même. Dans ce cas on désigne E°' par E°m (potentiel redox de demi-réduction).

Les électrons sont transférés spontanément de la forme réduite du couple le plus réducteur à la forme oxydée du couple le moins réducteur. Le ΔE d’une réaction d’oxydoréduction est donc positif. A l’inverse, une réaction non spontanée est accompagnée d’un ΔE négatif.

III. La phosphorylation oxydative et la récupération de l’énergie

III.1 Définition

Le premier principe de la thermodynamique dit : “l’énergie ne peut ni être créée ni être détruite, elle ne peut qu’être transformée”. Par opposition aux êtres inanimés, les êtres vivants sont capables de transformer l’énergie en ses différentes composantes, énergie chimique (ATP), travail, chaleur, etc., ce qui leur permet entre autres d’édifier et de maintenir une structure organisée au cours de leur évolution. La seule source universelle d’énergie pour la cellule est l’ATP. Il existe trois modalités de formation d’ATP dans la cellule :

  • L’ATP est formé par transfert de groupement phosphate et d’énergie à partir d’un phosphate dérivé riche en énergie.
  • L’ATP est formé par l’issu d’un ensemble de processus de dégradations pendant lesquels les glucides, lipides (parfois les protéines) sont oxydés en CO2 avec production de cofacteurs réduits riches en énergie (NADH, H+ et FADH2). Ces derniers alimentent le transport des électrons dans la chaîne respiratoire, à laquelle est couplée la formation de l’ATP. Il s’agit de la phosphorylation oxydative.
  • L’ATP peut être formé chez les végétaux chlorophylliens, couplé au transport des électrons dans la photosynthèse. Les électrons transportés proviennent de la photosynthèse de l’eau. Ce processus est appelé conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique (ATP). Il s’agit de la photophosphorylation ou phosphorylation photosynthétique.

III.2 Formation de l’ATP à partir des phosphodérivés par transfert de Pi sur l’ADP

Nous citerons seulement deux exemples. Ils constituent les deux réactions sur lesquelles est basée la production de l’énergie dans la glycolyse.

III.2.1 Le 3-phosphoglycérol-1-phosphate (PGP)

Il est formé par oxydation du 3-phosphoglycéraldéhyde. Le groupement phosphate fixé sur la fonction carbonyle est très riche en énergie. Son hydrolyse délivre une variation d’énergie libre (ΔG°) égale à -11,8 kcal/mol alors que la formation de l’ATP ne nécessite que +7,3 kcal/mol. La réaction est catalysée par la 3-phosphoglycérate kinase :

3-Phosphoglycérol-1-phosphate + ADP ⇌ 3-Phosphoglycérate + ATP

III.2.2 Le phosphoénolpyruvate (PEP)

Le phosphodérivé riche en énergie est formé dans la glycolyse par départ d’une molécule d’eau sur le 2-phosphoglycérate. Le PEP est le phosphodérivé le plus riche en énergie formé par la cellule avec une énergie libre d’hydrolyse (ΔG°') égale à -14,8 kcal/mol. La réaction de transfert d’énergie et du groupement phosphate est catalysée par la pyruvate kinase :

Phosphoenolpyruvate + ADP → Pyruvate + ATP

III.3 Phosphorylation oxydative

III.3.1 Localisation

En suivant la logique de la production de l’énergie à partir du glucose en présence d’oxygène nous arrivons après l’oxydation des 6 carbone au bilan suivant :
Glucose + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi + 10 NAD+ + 2 FAD → 6 CO2 + 2 ATP + 2 GDP + 10 NADH, H+ + 2 FADH2

Comme nous pouvons le constater, seules 4 liaisons phosphates riches en énergie sont directement formées, ce qui représente environ 10,5 % de l’énergie totale susceptible d’être libérée par le glucose. Mais son oxidation complète en CO2, dans la cellule, s’accommode de la formation de 10 NADH, H+ et de 2 FADH2. Ces derniers alimentent le transport d’électrons dans les mitochondries des hétérotrophes et des autotrophes, à travers des séquences de réactions d’oxydoréductions respiratoires, jusqu’à l’oxygène, accepteur final. Ce processus est responsable de la formation de la majeure partie de l’ATP. La synthèse d’ATP, couplée à ce transport d’électrons, est appelée phosphorylation oxydative.

  • La phosphorylation oxydative se déroule dans les mitochondries possédant :
    • une membrane externe semi-perméable
    • une membrane interne, intrinsèquement imperméable aux ions et aux petites molécules. Ces derniers ne peuvent les traverser s'ils disposent de transporteurs spécifiques. Elle renferme les différents complexes impliqués dans le transport d’électrons et la synthèse d’ATP.
    • un espace intermembranaire
    • un milieu intérieur, appelé matrice, entouré par la membrane interne.

III.3.2 Variation d’énergie libre d’oxydation de NADH, H+ et de FADH2

Les deux principaux coenzymes donneurs d’électrons dans la chaîne respiratoire sont le NADH, H+ et le FADH2. Les électrons sont transportés jusqu’à l’oxygène. L’énergie libre d’oxydation de NADH, H+ et de FADH2 peut être calculée à partir de la relation entre ΔE et ΔG. Les réactions globales d’échange d’électrons sont :

  • NADH, H+ + 1/2 O2 → NAD+ + H2O
    ΔE°' ≈ +1,14 V; ΔG°' ≈ -52 kcal/mol

  • FADH2 + 1/2 O2 → FAD + H2O
    ΔE°' ≈ +0,88 V; ΔG°' ≈ -40 kcal/mol

Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

III.3.3 Chaîne membranaire mitochondriale de transfert des électrons

Elle est formée de 4 complexes multi-enzymatiques. Chaque complexe renferme des couples redox ou coenzymes d’oxydoréduction.

a) Les couples redox (coenzymes d’oxydoréduction)

L’énergie liberée par l’oxydation de ces cofacteurs réduits est disponible au niveau de la cellule pour la production de l’ATP mais la cellule ne peut supporter de brusques variations de potentiel ni d’énergie libre de telle ampleur, qui conduiraient à sa destruction. Pour s’en protéger la cellule met en œuvre une séquence de groupes de transporteurs. Les électrons sont alors transportés par étape à travers une série de complexes multi-enzymatiques. La variation de potentiel ou d’énergie se fait donc par fractions et par paliers depuis le cofacteur réduit jusqu’à l’oxygène.

Le couple le plus réducteur NADP+/NADPH,H+ est utilisé comme donneur d’électrons lors des synthèses réductrices de matière organique (photosynthèse). NAD+/NADH,H+ et FAD/FADH2 sont moins réducteurs et servent à régénérer l’ATP (conversion de la “monnaie redox” en “monnaie ATP”).

[Image: Diagramme du potentiel des couples redox de la chaîne membranaire]

  • Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

A1) Nucleotides pyrimidiques : Couple NAD+/NADH 1

Les paires d’e- qui entrent dans la chaîne respiratoire proviennent des déshydrogénases qui utilisent le NAD+ ou le NADP+ comme cofacteurs suivant les réactions:

  • Substrat réduit + NAD+ → Substrat oxydé + NADH + H+
  • Substrat réduit + NADP+ → Substrat oxydé + NADPH + H+

La réduction de la forme oxydée fait intervenir 1H+ et 2e−; la forme réduite est le donneur d’électrons de la mitochondrie NAD+ + 2e− et H+. Le site réactif du coenzyme se situe au niveau du noyau pyridine. Le premier électron neutralise la charge de l’azote quaternaire, le second neutralise un proton H+ qui se fixe sur le carbone 4. Il existe un proton qui accompagne la molécule réduite, d’où l’écriture NADH, H+.

[Figure 12: Couples NAD+/NADH, NADP+/NADPH, H+]

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A2) Flavines nucléotides : on a la flavine mononucléotide (FMN) et la flavine adénine dinucléotide (FAD)

Les flavines nucléotides (FN) sont associées aux chaînes polypeptidiques des protéines par des liaisons covalentes ou non covalentes. La réduction de la forme oxydée du couple fait intervenir 2 électrons et 2H+.

[Figures: Riboflavine (Vit B2), FMN, FAD et leurs formes réduites]

Figure 13: Couplés FMN/FMNH2; FAD/FADH2

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A3) Ubiquinone ou coenzyme Q

C’est une quinone liposoluble possédant une chaîne latérale de 10 unités isopréniques chez les mammifères (Q10) et de six unités chez d’autres organismes. On les appelle alors Q10 ou Q6/Q8. Dans les végétaux il y a des plastoquinones qui jouent un rôle équivalent dans les transports d’électrons photosynthétiques.

Les quinones existent soit libres soit associées à des protéines. Les quinones possèdent deux fonctions quinoniques qui, par réduction, sont transformées en dihydroquinone par acceptation de 2 électrons et de 2 protons libérés par le substrat.

UQ + 2e− + 2H+ → UQH2 Em = −0,44 V

Le site réactif du coenzyme se situe au niveau du noyau pyridine.

Figure 14: Couple UQ/UQH2

  • Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

A5) Les protéines à centre Fer-Soufre

Ces protéines Fer-Soufre interviennent dans les séquences de transport des électrons aussi bien dans la chaîne respiratoire que dans la photosynthèse. Le fer est non hémique et le soufre sous forme sulfure. L’apoproteine est liée au fer par l’intermédiaire des cystéines. Le fer et le soufre sont en quantités équimoléculaires. Ces centres peuvent être plus ou moins complexes : Fe2/S2; Fe4/S4; Fe6/Fe8… Ces centers peuvent être plus ou moins complexes; quels que soient leurs niveaux de Complexité, la réduction de la forme oxydée du couple ne fait intervenir qu’un seul électron. Le transport des électrons se fait encore par changement de valence de fer passant réversiblement du fer ferreux au fer ferrique.

La figure 15 donne un exemple de la partie non protéique de ces protéines Fer-Soufre. Ces protéines Fer-Soufre se comportent comme des sous-unités de complexe protéique.

Figure 15: Structure du centre réactionnel des protéines Fer-Soufre semblable au co le rencontr dans la NADH,H+ Déshydrogénase du Complex I de la chaîne respiratoire.

  • Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

A6) Les protéines à cuivre

Dans le complexe IV des atomes de cuivre participent aux réactions d’oxydodéduction mais les mécanismes demeurent encore mal connus. Leur potentiel de demi-réduction est compris entre environ +0,25 V et +0,28 V.

A7) Les cytochromes

Les cytochromes sont des hémoprotéines qui participent à des réactions d’oxydodéduction impliquant un transfert d’e−. Le groupement prosthétiques est le groupement hème sur lequel s’effectue la réaction d’oxydoréduction. Le couplage redox fixé à la protéine est le groupement hème. Différents cytochromes se différencient par la nature du groupement hème et par la nature de la chaîne polypeptidée.

La réduction de la forme oxyde ne fait intervenir qu’un seul électron, l’atome de fer central à l’hème passant de l’état ferrique (Fe3+) à l’état ferreux (Fe2+). Le cytochrome c, protéine de masse moléculaire environ 12 500 daltons, est l’un des plus connus de tous les cytochromes; il est constitué de 104 aa et sa structure tridimensionnelle est connue.

Tableau (extraits): Complexes et cytochromes avec potentiels redox (exemples et valeurs E°′)

  • Dr OUATTARA Monique Brigitte / Université Joseph KI-ZERBO

III.3.4 Les groupes transporteurs des électrons

  • On distingue 4 groupes qui sont des complexes multi-enzymatiques:
    • Complexe I - NADH, H+ - CoQ Réductase (FP1)
    • Complexe II - Succinate - CoQ Réductase (FP2)
    • Complexe III - CoQH2 - Cytochrome c réductase
    • Complexe IV - Cytochrome c oxidase

[Schéma: Structure de l’hème des cytochromes]

Les cytochromes sont présents dans toutes les cellules. Ils sont impliqués dans le transport des électrons de la chaîne respiratoire et de la photosynthèse par changement de valence du fer.

[Schéma: Schéma de la chaîne respiratoire montrant les principaux complexes intervenant dans le transport des électrons, les sites d’intervention des principaux inhibiteurs]

a) Complexe I : NADH, H+ - CoQ Réductase (FP1)

C’est un complexe multi-enzymatique qui transporte les électrons de NADH, H+ au coenzyme Q appelé Ubiquinone à travers une séquence où apparaissent des protéines Fer-Soufre (Fes). La circulation des électrons est spontanée et se fait dans le sens d’une augmentation du potentiel.

NADH, H+ → FMN → Fe-S → CoQ.

L’enzyme principale de ce complexe est la NADH, H+ déshydrogénase à FMN. C’est une flavoprotéine appelée FP1, de masse moléculaire de 250 000 daltons. Cette enzyme est inhibée par l’Amytal, la rotenone et la pétridicine. L’un de ces composants inhibe le transport des électrons dans le complexe I.

b) Complexe II : Succinate - CoQ réductase (FP2)

Ce complexe enzymatique transporte les électrons du succinate jusqu’au coenzyme Q. L’enzyme principale du complexe est la succinate déshydrogénase à FAD. C’est la flavoprotéine FP2. Ici encore les protéines FeS interviennent pour donner la séquence suivante :

Succinate → FAD → Fe-S → CoQ.

D’autres complexes de moindre importance, non impliqués dans la chaîne respiratoire, transportent aussi des électrons jusqu’au niveau du coenzyme Q pour alimenter le transport des électrons. Les plus importants sont les suivants:

  • Complexe Acyl-CoA déshydrogénase (FP3). Enzyme de la β-oxydation des acides gras
    R-CH2-CH2-CO-SCoA → FAD → (Fe-S) → CoQ.
  • Glycérol 3-phosphate déshydrogénase (FP4) mitochondriale à FAD. C’est aussi une flavoprotéine.
    Glycérol 3-O → FAD → (Fe-S) → CoQ.

c) Complexe III : CoQH2 - Cytochrome c réductase

(Description résumée du rôle: transporte les électrons entre le CoQH2 et le cytochrome c selon la suite du cheminement.)

d) Complexe IV : Cytochrome c oxydase

Il transporte les électrons jusqu’à l’oxygène. On obtient :

Cyt c → Cyt a → Cyt a3 → O2

[Schéma: Schéma de la chaîne respiratoire montrant les principaux complexes intervenant dans le transport des électrons, les sites d’intervention des principaux inhibiteurs]

Le transfert des électrons entre le Cyt a3 et l’oxygène est inhibé par l’azide, par le CO et par les cyanures qui constituent des poisons respiratoires violents.

[Schéma: Figure 18 — Arrangement des couples redox au sein de la chaîne mitochondriale de transfert d’électrons. Le site d’action des différents inhibiteurs est indiqué.]

III.3.5 Composition et fonctionnement de la chaîne

L’organisation du transport montre l’ordre d’intervention des différents complexes et coenzymes. Deux coenzymes, le coenzyme Q et le cytochrome c ne sont pas fixés aux membranes et peuvent s’y mouvoir.

On peut considérer que lors du transfert des électrons du NADH à O2 molaire, une dizaine de H+ sont transportés de la matrice vers le milieu extramitochondrial: 3 à 4 H+ au niveau du complexe I, 2 H+ au niveau du complexe III, et 2 H+ au niveau du complexe IV.

[Schéma: Figure 19 — couplages entre transfert d’électrons et transport de H+ dans la chaîne membranaire mitochondriale]

III.3.6 Création de gradient de densité de protons

a) Gradient de densité de protons

Lors du transport des électrons, un gradient de densité de protons (gradient électrochimique) est créé à travers la membrane mitochondrionale.

III.3.7 MECANISME DE LA SYNTHESE DE L'ATP - Théorie de Mitchell

interne. Des protons sont pompés de façon unidirectionnelle de la matrice vers l'espace intermembranaire. Au niveau des complexes I, III et IV, il existe, dans la membrane mitochondriale interne, des complexes protéiques qui se comportent comme des pompes à protons, alimentées par l'énergie libre fournie par le transport des électrons. Ceci constitue la théorie chimio-osmotique postulé par P. Mitchell en 1968.

Le pH à l'intérieur de la matrice augmente et devient supérieur à celui de l'espace intermembranaire. Il se crée un ΔpH négatif.

Le passage des électrons à chaque site créé un ΔE°'. Le ΔG°' correspondant sera utilisé pour la synthèse de l'ATP. Ainsi l'oxydation de NADH, H+, dont les électrons circulent à travers les 3 sites, provoque la formation de 3 ATP; celle de FADH2, dont les électrons entrent au niveau du site 2 provoque la formation de 2 ATP. Les électrons qui entrent au niveau du site 3 permettent la formation de 1 ATP.

La création d'un gradient de densité de protons par le flux des électrons à travers les 3 sites de conservation de l'énergie implique que les protéines de transport de protons fonctionnent de façon irréversible et asynmétrique de telle façon que les protons puissent être pompés du côté matriciel vers le côté cytoplasmique.

Le ΔV = ΔΠ - 2.3 RTΔpH/F = 0.14 – 0.06*(-1,4) = 0.224 V.
ΔG°' = -96500 * 0.224 – 21.6 kJ/mol.

On voit que, pour couvrir les +30.5 kJ/mol nécessaires à la synthèse de l’ATP, il faut déplacer au niveau de chaque site au moins 2 moles de protons.

  • b) Calcul de l’énergie libérée pour la production de l’ATP

Le gradient électrochimique ΔV (exprimé en volt) créé par le déplacement d’une mole de protons est donné par la formule dans laquelle ΔΠ (= 0,14 V) est le potentiel de membrance ;
ΔpH est égal à −1,4 par mole d’H+ transporté. On en déduit :

ΔV = ΔΠ - 2.3 RTΔpH/F = 0.14 − 0.06*(-1,4) = 0.224 V.
ΔG°' = -96500 * 0.224 − 21.6 kJ/mol.

On voit que, pour couvrir les +30.5 kJ/mol nécessaires à la synthèse de l’ATP, il faut déplacer au niveau de chaque site au moins 2 moles de protons.

III.3.8 INHIBITION DE LA SYNTHESE DE L’ATP

La formation de l’ATP utilise l’énergie mise en réserve par le potentiel électrochimique créé lors de la formation du gradient de densité. Elle entraîne donc la dissipation de l’énergie. Par le reflux des protons vers la matrice elle permet aussi la neutralisation du gradient électrique (relaxation). Plusieurs composants peuvent affecter le fonctionnement de ce complexe.

  • a) Oligomycine

C’est un antibiotique. Elle se fixe sur le canal prottonique (Fo) et le bloque, empêchant ainsi le reflux des protons vers la matrice. La synthèse de l’ATP et la relaxation de la membrane sont donc inhibées. Par voie de conséquence le transport des électrons dans la chaîne respiratrice est trouvé à son arrêt. En résumé l’oligomycine bloque le transport des électrons et la phosphorylation de l’ADP d’où inhibition de la phosphorylation oxydative.

  • b) Les découplants

Ce sont souvent des transporteurs lipophiles de protons. Le composé souvent cité est le 2,4-dinitrophénol. Il diffuse à travers la membrane mitochondriale interne et peut ainsi transporter des protons d’un endroit à un autre. Par ce fait il annule le gradient de densité de protons associé au transport des électrons. Les découplants inhibent la phosphorylation sans perturber le transport des électrons. L’énergie libre fournie par le transport des électrons est, dans ce cas, entièrement dissipée sous forme de chaleur. Cette production d’énergie en présence de découplant prend le nom de thermogenèse. Les animaux et les humains développent un tissu adipeux spécial, appelé graisse brune. Ce dernier est très riche en mitochondries qui possèdent, dans leur membrane interne, une protéine découplante appelée thermogénine. Après la création du gradient, les protons, au lieu de retourner à la matrice par le canal protonogique (Fo), sont acéhemés par la thermogénine pour produire de la chaleur plutôt que de l’ATP. Ce processus est sollicité pour la lutte contre le froid et pour le maintien de la température corporelle des animaux en hibernation.

III.3.9 Transport de molécules à travers la membrane mitochondriale interne

a) Système ADP/ATP translocase

L’ATP est synthétisé dans la mitochondrie qui n’est pas le lieu d’utilisation. Il doit être transporté hors de la mitochondrie après formation. Le transport de l’ATP est assuré par le système Adénine nucléotide translocase (ADP/ATP translocase) qui couple la sortie d’une molécule d’ATP matriciel à l’entrée d’une molécule d’ADP cytosolique. Ce système évite l’encombrement de la mitochondrie et règle le flux d’ATP et d’ADP. Cette translocase est localisée dans la membrane mitochondriale interne. Elle représente 6 % des protéines totales de la mitochondrie. Le fonctionnement de ce système peut être inhibé par une toxine végétale : le spectinogénine. Le facteur Fo et l’ATP synthétase.

À la base de F1 et constitant son pédicule membranaire, il existe une autre unité protéique essentielle appelée Fo et canal prootonique. La liaison entre Fo et F1 est assurée par plusieurs autres protéines dont l’ensemble est le complexe Fo-F1. Le facteur Fo assure le reflux des protons de l’espace intermembranaire vers la matrice à travers le canal protéique (Fo). Le flux transmembranaire de protons assure la production d’ATP par l’ATP synthétase.

b) Réoxydation des NADH, H+ cytosoliques – ROLE Des navettes

Le NADH, H+ a deux origines:

  • cytosolique. Il est formé essentiellement dans la réaction d’oxydoréduction de la glycolyse, par consommation de NAD+ (pouvoir oxydant de la glycolyse).
  • mitochondriale. Il est formé dans les réactions d’oxydation du pyruvate, des acides gras et du cycle de Krebs. Le NADH, H+ formé dans ces conditions est déjà à l’intérieur de la mitochondrie et sa réoxydation est assurée par le transport des électrons jusqu’à l’oxygène par la chaîne respiratoire.

La réoxydation de NADH, H+ en NAD+ est indispensable au maintien de l’activité glycolytique et de l’oxydation des substrats dans la mitochondrie. Pour contourner ces difficultés, la cellule a développé des navettes qui assurent le transport des électrons et des protons du cytosol dans la matrice à travers la membrane mitochondriale.

La vitesse de phosphorylation oxydative est conditionnée par le besoin en ATP. Dans les conditions physiologiques le transport des électrons est étroitement lié à la synthèse de l’ATP. Le facteur le plus important qui détermine la vitesse de phosphorylation est le taux d’ADP dans la cellule. Le transport des électrons et la phosphorylation de l’ADP d’où l’inhibition de la phosphorylation oxydative.

Figure 20: Mécanismes de la création du gradient de densité de protons (Pompe à protons) et de la synthèse de l’ATP.

Figure 21: Navettes β-hydroxybutyrate/acétoacétate ; 3P-glycérol/3-Pglycérol acétonate.

La réoxydation de NADH, H+ en NAD+ indispensable au maintien de l’activité glycolytique n’est pas assurée dans le cytosol des organismes aérobies et n’est possible que si ses électrons sont transportés dans la mitochondrie et jusqu’à l’oxygène. La seconde difficulté vient du fait que le NADH, H+ ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne qui ne dispose pas de transporteurs pour ce coenzyme nicotinique (NADH, H+ et NAD+). Pour contourner ces difficultés, la cellule a développé des navettes qui assurent le transport des électrons et des protons du cytosol dans la matrice à travers la membrane mitochondriale.

Le principe est simple. La navette est assurée par des composés qui peuvent être transportés, sous forme oxydée ou réduite, à travers la membrane mitochondriale interne grâce à des transporteurs spécifiques. Elle utilise l’interconversion des fonctions céto et cétoine secondaire, par l’usage des systémiques de transport, qui dépendent du gradient de protons pour la libération de l’énergie nécessaire à la synthèse de l’ATP.

IV. PHOTOPHOSPHORYLATION

IV.1 Définition

  • La photophosphorylation représente les réactions lumineuses de la photosynthèse.
  • La photosynthèse comporte deux phases: lumineuse et obscure, et transforme l’énergie lumineuse en énergie chimique (molécules carbonées).
  • H2O + CO2 -> O2 + CH2O.
  • Ce type de photosynthèse est le plus connu, mais il en existe d’autres où l’eau est remplacée par le soufre (par ex. certaines bactéries vertes et bactéries pourpres). Ces bactéries utilisent des substances organiques particulières (ex. isopropanol pour Rhodopseudomonas).
  • Les réactions de la phase lumineuse conduisent à la formation d’ATP et de pouvoir réducteur sous forme de NADPH + H+. Le processus de production d’ATP couplé au transport des électrons dans la chaîne photosynthétique est la photophosphorylation.
  • Les réactions obscures, dans le stroma du chloroplaste, utilisent l’énergie stockée sous forme d’ATP et de NADPH + H+ pour réduire le CO2 en glucide via le cycle de Calvin (Calvin-Benson), alimenté par l’ATP et le NADPH2.

IV.2 Localisation

  • La photophosphorylation se déroule dans les chloroplastes des plantes et des algues, et dans les membranes plasmique ou chromatophores des bactéries photosynthétiques.
  • Le chloroplaste possède une structure comparable à celle de la mitochondrie et possède son propre ADN.
  • On distingue:
    • une membrane externe, unique et continue, très fragile, perméable aux petites molécules et aux ions;
    • une membrane interne, moins perméable, entourant l’espace central appelé STROMA;
    • la membrane thylakoïde, qui abrite le système photosynthétique et est imperméable aux petites molécules et ions, formant l’espace intrathylakoïdien.
  • On distingue deux types de chloroplastes:
    • les chloroplastes à granums (grana), situés dans les cellules mésophylliennes des graminées tropicales;
    • les chloroplastes sans granums situés dans les cellules périphériques des graminées tropicales, et dans les cellules à haute production photosynthétique.

IV.3 Groupes transporteurs d’électrons et organisation du transport

  • Les pigments, chlorophyllies, caroténoïdes et phycoérythrines y sont organisés en sous-unités, les photosystèmes.
  • Le transport des électrons est assuré par des complexes multi-enzyma tiques au nombre de 3:
    • Le Photosystème II (PSII), auquel est associée la photolyse de l’eau;
    • Le Photosystème I (PSI);
    • Le complexe intermédiaire ou le complexe bf.

[Image: Organisation du transport des électrons dans la photophosphorylation]

c) Complexe III : Complexe intermédiaire ou Complexe bf

  • Les électrons stockés au niveau de QbH2 sont transportés jusqu’au niveau de P700 par l’intermédiaire de protéines membranaires connues sous le nom de complexe bf et de la plastocyanine.
  • Le premier cytochrome est du type b (b6) contenant deux groupements héminiques; le second est le cytochrome f.
  • Le transport s’effectue par une protéine fer-soufre.
  • Le complexe bf est l’équivalent fonctionnel du complexe III des mitochondries et conduit les électrons vers le PSI, tout en générant un gradient de protons utilisé pour la synthèse d’ATP.

c) Le Photosystème I (PSI)

  • Localisé dans les régions associées du thylakoïde et organisé comme suit:
    • un centre réactionnel appelé P700, formé d’une chlorophylle a et d’une protéine; ce complexe absorbe la lumière dans le spectre approprié et participe à la réduction des acceptors d’électrons;
    • un centre collecteur d’énergie contenant des chlorophylles b et des caroténoïdes, des phéophytines et autres pigments;
    • un accepteur A0 dont la structure est proche de celle d’une chlorophylle;
    • un accepteur A1 qui est une phylloquinone;
    • une ferredoxine protéine fer-soufre qui transfère les électrons vers NADP+ pour former NADPH.
  • Les électrons arrachés au PSI passent par la ferredoxine et aboutissent à NADP+ pour former NADPH, avec production associée de H+.
  • Le bilan des réactions est une chaîne qui mène à l’absorption lumineuse et au transfert des électrons vers NADP+.

c) Le Photosystème I et le transfert des électrons

  • Le flux d’électrons est non cyclique lorsque les électrons passent du PSII au PSI, aboutissant à la formation d’ATP et de NADPH, et à la libération d’O2.
  • Le transport cyclique peut aussi survenir lorsque les électrons retournent au PSI pour produire de l’ATP sans NADPH ni libération d’O2.

IV.3.1 Transport non cyclique des électrons

  • L’énergie lumineuse est tout d’abord piégée par le PSII, qui propulse des électrons vers un accepteur; le remplacement dans le PSII est assuré par des électrons provenant de l’eau, libérant de l’O2.
  • Les électrons sont transférés le longues de la chaîne vers le PSI, et l’ATP est synthétisée au cours du processus.
  • Les électrons servent ensuite à réduire le NADP+ en NADPH + H+.

IV.3.2 Le transport cyclique

  • Le second flux d’électrons met en jeu uniquement le PSI et une partie du complexe intermédiaire BF.
  • Les électrons excités par la lumière retournent au PSI via le cytochrome b6, le cytochrome f et la plastocyanine.
  • La synthèse d’ATP est appelée photophosphorylation cyclique; elle n’entraîne ni formation de NADPH ni dégagement d’oxygène.

IV.4 CREATION DE GRADIENT DE DENSITE DE PROTONS

L’analogie entre les propriétés membranaires de la membrane mitochondrienne interne et celles des thylakoïdes laisserait présager des fonctionnements similaires à savoir que la synthèse de l’ATP est couplée au transport des électrons. Ce couplage est assuré par la création de gradient de densité de protons, découvert par Jagendorf en 1966. Dans le chloroplaste on observe que :

  • les centres réactionnels, les centres collecteurs d’énergie lumineuse, les protéines impliquées dans le transport des électrons et l’ATP synthétase sont localisés dans la membrane thylakoïde.
  • La photosynthorisation ne peut se faire si la membrane thylakoïde est intacte.
  • La membrane thylakoïde est imperméable aux protons.
  • La phosphorylation peut être déclenchée par des agents chimiques qui inhibent la synthèse de l’ATP.
  • la synthèse de l’ATP est assurée par un complexe CF0-CF1 analogue à celui rencontré dans la membrane mitochondriale interne.

L’écoulement des électrons le long du flux non cyclique ou cyclique crée un gradient de densité de protons à travers la membrane des thylakoïdes au niveau du complexe qui fonctionne comme une pompe à protons. Les protons sont pompés du stroma vers l’intérieur du thylakoïde qui devient ainsi plus acide.

Dans la membrane chloroplastique nous avons vu qu’il existe une ségrégation entre PSI et PSII au point de vue localisation. PSI et l’ATP synthétase sont localisés dans les zones non accoléées de la membrane. PSII est situé dans les zones accolees des grana. Le cytochrome b6 et le cytochrome f sont uniformément répartis. On conçoit que le transport des électrons entre les 2 photosystèmes soit assuré par les éléments mobiles à savoir la plastoquinone et la plastocyanine. C’est au cours de ce transport que les protons sont pompés du stroma vers l’intérieur de la membrane thylakoïde.

  • [Image: Figure 23: Mécanisme de formation du gradient de densité de protons et de l’ATP dans les chloroplastes couplée au transport des électrons.]
  • [Image: Figure 24: Potentiel des couples redox du chloroplaste]

IV.5 MECANISME DE LA SYNTHESE DE L’ATP : THEORIE DE MITCHELL

La formation de l’ATP exige le transport des électrons, activé par la lumière.

  • Elle nécessite la création d’un gradient de densité de protons entre le stroma et l’intérieur du thylakoïde.
  • L’ensemble enzymatique qui assure la synthèse de l’ATP est appelé complexe CF1-CF0. CF0 est appelé le canal protonique et est responsable du flux des protons de l’espace intrathylakoïde vers le stroma, ce qui active la synthèse de l’ATP et libère l’énergie nécessaire.

Comme le complexe enzymatique de synthèse de l’ATP se trouve sur la face stromale des thylakoïdes, l’ATP formé et le NADPH,H+ résultant du transport acyclique d’électrons sont libérés directement dans le stroma où se trouvent toutes les enzymes nécessaires à leur utilisation pour la transformation du CO2 en glucides dans le Cycle de Calvin.

V. AUTRES SYSTEMES MEMBRANAIRES SIEGES DE CONVERSION D’ENERGIE

V.1 Les bactéries non photosynthétiques

De nombreuses bactéries possèdent une chaîne de transfert des électrons dans la membrane cytoplasmique qui permet le transfert spontané des électrons d’un donneur réducteur à un accepteur oxydant. La nature des constituants de la chaîne varie d’une bactérie à l’autre et dépend des conditions de croissance.

Dans un certain nombre de cas, les chaînes sont branchées et les électrons sont déviés vers différents accepteurs.

Enfin, chez les bactéries aérobies, l’accepteur final des électrons est l’oxygène moléculaire tandis que chez les bactéries anaérobies, l’accepteur est un oxydant différent qui peut être nitraté, sulfate, etc.

Chez Escherichia coli on trouve trois chaînes de transfert des électrons :

  • Une chaîne linéaire avec l’oxygène comme accepteur final d’électrons
  • Une chaîne branée avec l’oxygène (toujours) comme accepteur final d’électrons
  • Une chaîne linéaire avec le nitrate comme accepteur final d’électrons

V.2 Transfert d’électrons induits par la lumière

Le transfert des électrons dans la chaîne de la membrane mitochondriale et de la membrane cytoplasmique des bactéries non photosynthétiques est initié par un métabolite réducteur qui fournit ses électrons.

Dans le cas des bactéries photosynthétiques et des chloroplastes, le flux des électrons est initié par la lumière. Les caractéristiques communes aux membranes photosynthétiques, les distinguant des membranes non photosynthétiques, sont l’existence d’une antenne qui collecte l’énergie lumineuse et aussi l’existence d’un centre réactionnel vers lequel cette énergie lumineuse est canalisée.

Dans le cas des bactéries photosynthétiques, on peut prendre Rhodopseudomonas spharoides comme exemple; on trouve trois protéines à centre Fe/S et deux ou trois cytochromes de type b. Le transfert des électrons à travers ce complexe est couplé à un transport actif de protons. La structure de ce complexe peut être le mécanisme de couplage semblable à ceux du complexe III de la chaîne de transfert d’électrons mitochondriale. Finalement, les électrons sont transférés du complexe multi enzymatique à un donneur primaire de la chlorophylle piégée. L’illumination d’un chromophore de cette protéine conduit à tout un ensemble de réactions photochimiques dont le résultat final est un transport de proton de l’intérieur vers l’extérieur de la bactérie. La bactériohodopsine est un exemple de pompe à protons qui n’est pas couplée à un transfert d’électrons. La diffusion facilitée ultérieure de protons permet la synthèse d’ATP par l’intermédiaire d’une ATP synthétase membranaire, et les transports actifs secondaires, par l’intermédiaire de transporteurs spécifiques.

V.3 Bactéries photosynthétiques : exemple de transfert cyclique d’électrons

On trouve dans la membrane plasmique de certaines bactéries (bactéries pourpres, bactéries vertes), une chaîne photosynthétique de transfert d’électrons.

Dans le cas des bactéries pourpres, la chlorophylle piégée est un dimère et le flux d’électrons est cyclique. L’excitation lumineuse conduit à un transfert d’électrons au niveau d’un donneur primaire vers un accepteur final situé dans le complexe et le cycle est bouclé sans libération directe d’oxygène.

La chaîne photochimique est organisée autour d’un centre réactionnel et d’un transporteur mobile qui permet le passage des électrons et la translocation de protons. L’énergie lumineuse est ainsi canalisée vers le transport des protons pour synthétiser l’ATP via une ATP synthétase membranaire et des transferts actifs secondaires.

Tableau – PHOSPHORYLATIONS CELLULAIRES CE QU’IL FAUT RETENIR

  • Contenu du tableau non reproduit dans cette extraction.

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