BIO / PHY - BIOENERGETIQUE - MODULE 4

Question 1

Définir le catabolisme et l’anabolisme

Answer 1

• les réactions cataboliques, qui libèrent de l’énergie ;
• les réactions anaboliques, qui consomment de l’énergie.

Question 2

Citer des exemples de voies métaboliques et de réactions chimiques cataboliques et anaboliques

Answer 2

Catabolisme :
Glycolyse
Cycle de Krebs
Béta-oxydation

Anabolisme :
Néoglucogenèse
Synthèse des protéines
Biosynthèse acides gras

Question 3

Citer des exemples d’utilisation de l’ATP par une cellule

Answer 3

• mécanique (contraction musculaire) ;
• osmotique (pompe sodium/potassium) ;
• électrique (influx nerveux) ;
• chimique (réactions enzymatiques anaboliques).

Question 4

Définir une réaction exothermique et endothermique

Answer 4

Une réaction qui libère de l’énergie est dite exothermique ou exergonique, alors que celle qui en absorbe est dite endothermique ou endergonique.

Question 5

Définir l’enthalpie puis expliquer à quoi correspond une variation d’enthalpie libre

Answer 5

L’enthalpie correspond à l’énergie totale d’un système thermodynamique.
La quantité d’énergie susceptible d’être libérée par une réaction chimique correspond à l’enthalpie libre (G), elle s’exprime généralement en kilojoules par mole (kJ/mol).
Par convention, toute énergie reçue est positive, elle est négative dans le cas contraire.

Question 6

Justifier pourquoi une variation d’enthalpie peut être négative ou positive

Answer 6

Ainsi, lors d’une réaction, on peut déterminer la variation d’enthalpie libre (ΔG°’en joules) :
* si ΔG°’ est positif, la variation d’énergie est un gain : de l’énergie doit être fournie par le milieu (ici la cellule) → la réaction est endothermique, cela signifie qu’elle ne peut se faire sans apport d’énergie ;
* si ΔG°’ est négatif, la réaction entraîne une libération d’énergie, elle est exothermique, elle peut se faire sans apport d’énergie, et libère même de l’énergie dans le milieu.

Question 7

Représenter la molécule d’ATP en formule développée, à l’exception de l’adénine

Answer 7

• d’une base : l’adénine ;
• d’un sucre : le ribose. La liaison entre l’adénine et le ribose forme l’adénosine ;
• de 3 groupements phosphates.

Question 8

Expliquer le rôle de l’ATP dans le couplage énergétique

Answer 8

Cette réaction résulte du couplage de 2 réactions :
Par exemple
* Hydrolyse de l’ATP : ATP + H2O → ADP + Pi
* Phosphorylation du glucose : Glucose + Pi → Glucose 6P + H2O

Question 9

Ecrire la réaction d’hydrolyse de l’ATP

Answer 9

ATP + H2O → ADP + Pi

Question 10

Ecrire la réaction de phosphorylation de l’ADP

Answer 10

ADP + Pi → ATP + H2O

Question 11

Citer plusieurs molécules comportant une liaison riche en énergie et l’intérêt de ce type de liaison
(molécules à haut potentiel énergétique)

Answer 11

Adénosine triphosphate (ATP)
Guanosine triphosphate (GTP)
Créatine phosphate
Acétyl-coenzyme A (Acétyl-CoA)

Ces liaisons riches en énergie sont essentielles car elles stockent l’énergie chimique nécessaire pour alimenter les réactions endergoniques dans les cellules. Lorsque ces liaisons sont hydrolysées, l’énergie est libérée et utilisée pour des processus cellulaires tels que la synthèse des macromolécules, le transport actif, la contraction musculaire, et bien d’autres fonctions biologiques.

Question 12

Définir les termes : oxydation, réduction, oxydant, réducteur, oxydoréduction, couple redox, potentiel
redox

Answer 12

Oxydation : Processus au cours duquel une substance perd des électrons.
Réduction : Processus au cours duquel une substance gagne des électrons.
Oxydant : Une substance qui accepte des électrons et est réduite dans une réaction d’oxydoréduction.
Réducteur : Une substance qui donne des électrons et est oxydée dans une réaction d’oxydoréduction.
Oxydoréduction : Réaction chimique dans laquelle il y a transfert d’électrons entre les réactifs.
Couple redox : Deux espèces chimiques, un oxydant et un réducteur, impliquées dans une réaction d’oxydoréduction.
Potentiel redox : La capacité d’un système à subir une réaction d’oxydoréduction, mesurée en volts (V). Il représente l’aptitude d’un couple redox à céder ou à accepter des électrons.

Question 13

Définir les termes : potentiel électrochimique, gradient de concentration, gradient électrique

Answer 13

Le potentiel électrochimique est défini par :
* le gradient de concentration ;
* le gradient électrique.
La différence de potentiel électrochimique du soluté entre les deux compartiments correspond à la quantité d’énergie consommée ou libérée pour transférer une mole de ce soluté de part et d’autre de la membrane.

Gradient de concentration : Il représente la différence de concentration d’une substance entre deux milieux séparés par une membrane perméable. Cette différence crée une force de diffusion qui tend à équilibrer les concentrations de part et d’autre de la membrane.

Gradient électrique : Il se réfère à la différence de charge électrique entre deux régions. Dans le contexte cellulaire, il peut résulter de la différence de concentration d’ions de part et d’autre d’une membrane, générant ainsi un potentiel électrique qui peut être utilisé pour effectuer un travail cellulaire, tel que le transport actif.

Question 14

Situer les chaînes respiratoires

Answer 14

Mb inter mitochondriale

Question 15

Présenter la chaîne respiratoire de façon schématique avec les différents transporteurs, fixes et
mobiles

Question 16

Expliquer le rôle des transporteurs fixes et mobiles de la chaine respiratoire, montrer l’importance
du fer

Answer 16

Transporteurs fixes
Ils représentent chacun un couple redox, c’est à dire qu’ils vont transporter les électrons dans un
ordre spécifique, en fonction de leurs affinités respectives pour ces électrons, donc de leurs potentiels redox

Deux transporteurs mobiles : transports des électrons d’un complexe à un autre (complexe I/II à complexe III & complexe IV)

Le fer est très présent au sein des différents complexes et du cytochrome C, sous forme Fe2+ et Fe3+, il participe
aux réactions d’oxydoréduction pour assurer le transfert des électrons.

Question 17

Expliquer le rôle du dioxygène dans la chaine respiratoire et le métabolisme énergétique

Answer 17

Ces électrons vont cheminer grâce à ces transporteurs jusqu’à l’accepteur final, le dioxygène.
Le complexe IV, situé en bout de chaîne, a pour rôle de transférer les électrons sur l’O2, qui est l’accepteur final, qui sera réduit en eau.

Question 18

Identifier, étape par étape, le cheminement précis des électrons et des ions H+ au niveau de la chaîne
respiratoire

Answer 18

Les transporteurs des chaînes respiratoires, qu’ils soient fixes ou mobiles, ont pour rôle de transporter les électrons apportés par les coenzymes réduits vers un accepteur final, généralement l’oxygène. Chaque transporteur accepte les électrons du transporteur précédent et les transmet au suivant en fonction de son potentiel redox, c’est-à-dire du transporteur possédant le plus petit potentiel redox vers celui qui a le plus grand potentiel redox.

Les électrons cheminent grâce à ces transporteurs jusqu’à l’accepteur final, l’oxygène, réduit en eau par le complexe IV. Ce processus permet la création d’ATP.

Les complexes I, III et IV pompent des protons contre leur gradient de concentration de la matrice vers l’espace intermembranaire. Cette action crée un gradient électrochimique d’ions H+, constitué à la fois d’un gradient de concentration et d’un gradient électrique. L’ATP synthase, présente dans la membrane interne de la mitochondrie, utilise cette force proton-motrice pour produire de l’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique.

Ce processus, connu sous le nom de phosphorylation oxydative, couple l’oxydation des composés organiques avec la phosphorylation de l’ADP en ATP. Ce transfert d’électrons libère de l’énergie, car la réaction est exothermique.

Question 19

Expliquer l’intérêt du transport des électrons le long de la chaîne respiratoire

Answer 19

Les complexes I, III et IV ont la capacité de pomper, contre leur gradient de concentration, des protons,
de la matrice vers l’espace intermembranaire.
Pour cela, ils utilisent l’énergie libérée par les électrons, lorsque ceux-ci passent d’un transporteur à un autre ayant un potentiel redox plus grand.

Question 20

Expliquer la création du gradient électrochimique en ions H+ et son intérêt

Answer 20

Le gradient électrochimique de protons fournit l’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP : on l’appelle force proton-motrice.
Les ions H+ vont diffuser de l’espace inter membranaire vers la matrice mitochondriale, en suivant leur gradient de concentration et en libérant de l’énergie.

Question 21

Présenter le rôle des deux sous-unités de l’ATP synthase

Answer 21

• une sous unité F0, canal à protons ;
• une sous unité F1, contenant le site catalytique responsable de la synthèse de l’ATP à partir d’ADP et
  de Pi.

Question 22

Définir les termes : force proton motrice, phosphorylation oxydative, respiration cellulaire

Answer 22

Force proton motrice : force générée par la diffusion des protons. Permet produire de l’énergie pour activer la partie F1 de l’ATP synthase, et
ainsi de catalyser la phosphorylation de l’ADP en ATP

Phosphorylation oxydative : processus biochimique qui se produit dans les mitochondries des cellules eucaryotes. Il associe la chaîne de transport des électrons, qui oxyde les substrats réduits (NADH et FADH2) pour produire de l’énergie sous forme d’un gradient de protons, à la synthèse d’ATP par l’ATP synthase. Ce processus couple la phosphorylation de l’ADP en ATP à l’oxydation des composés organiques.

Respiration cellulaire : Les électrons qui ont été pris en charge par la chaîne respiratoire sont transférés à l’oxygène, accepteur final. Ce phénomène correspond à la respiration cellulaire, c’est-à-dire la dégradation oxydative de composés
organiques ayant pour accepteur final l’oxygène.

Question 23

Ecrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction impliquant les coenzymes réduits et le dioxygène

Answer 23

L’équation de la réaction d’oxydoréduction impliquant les coenzymes réduits (NADH et FADH2) et le dioxygène est la suivante :

NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O

FADH2 + 1/2 O2 -> FAD + H2O

Cette réaction représente la réduction du dioxygène (O2) en eau (H2O) grâce au transfert des électrons des coenzymes réduits (NADH et FADH2).

Question 24

Justifier pourquoi, lors de sa réoxydation, NADH, H+ produit 3 ATP, alors que FADH2 produit
seulement 2 ATP

Answer 24

Car il y a un complexe en moins

Question 25

Présenter le bilan chimique et le bilan énergétique de la dégradation oxydative complète du glucose

Answer 25

Bilan chimique de la dégradation oxydative complète du glucose : Glucose + 10NAD+ + 2FAD + 4(ADP+Pi) + 2H20 → 6CO2 + 10NADH,H+ +2FADH2 + 4 ATP

Glycolyse => 8 ATP
Oxydation du pyruvate en Acétyl-Coa (x2) => 6 ATP
Oxydation de l’Acétyl-Coa dans le cycle de Krebs => 24 équivalent ATP

• GTP est un équivalent ATP ;
• NADH,H+ produit 3 ATP lors de sa réoxydation au niveau des chaînes respiratoires * FADH2 produit 2 ATP lors de sa réoxydation au niveau des chaînes respiratoires.

On voit que la dégradation oxydative complète du glucose produit 38 ATP, contre 2 en anaérobie.
C’est l’O2 qui permet donc, lors de la réoxydation des coenzymes réduit au niveau des chaînes respiratoires, de créer la plus grande partie de l’énergie cellulaire.

Question 26

Présenter le bilan chimique et le bilan énergétique de la dégradation oxydative complète de l’acide
palmitique

Answer 26

bilan chimique : Acide palmitique + 8 CoASH + 2 ATP + 7 FAD + 7 NAD+ + 8 H2O —–> 8 AcétylCoA + 7 FADH2 + 7 NADH,H+ + 2 (ADP + Pi)

On a ainsi :
* activation de l’acide palmitoléique : consommation de 2 ATP ;
* 7 tours d’hélice de Lynen dont 1 tour ne réduit qu’un NADH,H+ et pas le FADH2 ;
* ce qui fait donc 7 NADH,H+ et 6 FADH2 réduits ;
* chaque NADH, H+ sera réoxydé dans les chaines respiratoires mitochondriales et produira alors 3 ATP ;
* chaque FADH2 sera réoxydé dans les chaines respiratoires mitochondriales et produira alors 2 ATP.

Bilan : 7x3 + 6x2 = 33 ATP. 8 acétylCoA oxydés dans le cycle de Krebs (puis réoxydation des coenzymes réduits dans les chaines respiratoires) produiront chacun 12 ATP. 8 x 12 = 96 ATP.

Bilan énergétique final : 33 + 96 - 2 (activation) = 127 ATP.

Question 27

Calculer le nombre de molécules de dioxygène nécessaire pour permettre la dégradation oxydative
complète du glucose et de l’acide palmitique

Answer 27

6 dioxygène qui produisent 6CO2 (glucose)
8 dioxygène = 16CO2
1 co-enz = 1/2 O2