Bioénergétique 1/3 Flashcards
Donner une définition bioénergétique de la cellule et expliquer votre réponse.
La cellule transforme et échange constamment de l’énergie et ce selon les principes de la Chimie.
La cellule est considéré comme un système ouvert, en état stationnaire elle capte l’énergie du milieu extérieur (sous différentes formes) et la transforme (transduction) dans le but de réaliser les travaux cellulaires indispensables à sa survie et au maintien de son homéostasie (comme les travaux mécaniques, les travaux de transport membranaire contre un gradient (éléctro)chimique et letravail chimique) et cède une partie de cette énergie au milieu extérieur sous forme de chaleur.
De plus, un état d’équilibre d’un point de vue cellulaire impliquerait la mort de la cellule: elle doit pour cela utiliser de l’énergie pour assurer son homéostasie qui n’est pas un équilibre chimique (mais un état stationnaire).
Expliquer pourquoi une réaction exothermique est conforme aux principes de la thermodynamique.
Expliquer pourquoi une réaction endothermique est conforme aux principes de la thermodynamique.
Donner un exemple illustrant pourquoi une réaction exothermique est conforme aux principes de la thermodynamique.
Exemple: l’eau qui gèle à température <0°C est une réaction exothermique spontanée alors qu’elle diminue l’entropie du système.
- la glace est plus ordonnée que l’eau liquide, l’entropie du système diminue donc.
- les molécules froides du milieu extérieur recoivent la chaleur dégagée par le système qui gèle.
- l’entropie du milieu extérieur augmente donc plus fortement (d’autant plus que la température est basse).
Donner un exemple illustrant pourquoi une réaction endothermique est conforme aux principes de la thermodynamique.
Exemple: la glace fond au dessus de 0°, c’est une réaction endothermique spontanée alors qu’elle diminue l’entropie du milieu extérieur.
Mais comme elle augmente l’entropie du système elle a lieu (la fonte de la glace augmente fortement l’enthalpie du système car l’eau liquide est moins ordonnée que la glace).
Expliquer le premier principe de la thermodynamique
1er principe:
l’énergie totale d’un système isolé reste contante. L’univers est considéré comme constant. Dans toute réaction chimique, l’énergie n’apparaîtra ni ne disparaîtra: elle sera transformée et transférée.
la variation d’énergie interne d’un système qui n’échange ni chaleur (Q = 0) ni travail (W = 0) est nulle (ΔU = 0)
Expliquer le deuxième principe de la thermodynamique
2ème principe:
l’entropie de l’univers (le désordre) ne fait qu’augmenter et lors d’une réaction, qu’il y ait augmentation ou diminution du désordre, l’entropie totale (du système et du milieu extérieur) sera toujours positive. Un système isolé évoluera toujours vers un état d’équilibre qui se caractérise par une entropie maximum.
Définir l’énergie libre de Gibbs et sa relation avec une réaction ender/exergonique
L’énergie libre (enthalpie libre) est une fonction d’état qui dépend uniquement du système et qui représente l’énergie disponible pour effectuer un travail:
ΔGsyst= ΔHsyst - T.ΔSsyst
La variation d’énergie libre ΔG permet de déterminer la spontanéité d’une transformation:
- ΔGsyst<0 : Une transformation est spontanée si l’énergie libre du système diminue au cours de cette transformation. (Elle libère de l’énergie et est exergonique)
- A l’inverse la réaction n’est pas spontanée si ΔGsyst>0, elle consomme de l’énergie et est endergonique.
- ΔG=0, signifie que le système est à l’équilibre.
Définir un processus spontané en vous basant sur les principes de la thermodynamique
Un processus spontané se caractérise par une libération d’énergie et une augmentation du désordre : ΔH sera négatif et ΔS sera positif.
Une transformation spontanée se produit sans intervention extérieure et conduit _irréversiblemen_t à une augmentation maximale du désordre (ΔS>0), càd à un état d’équilibre où elle s’arrête.
ΔG= ΔH - T.ΔS
Comme dit précédemment, il faut que la balance de ces termes dans l’équation ΔG = ΔH - T.ΔS mènent à un ΔG négatif.
“Une transformation est spontanée si l’énergie libre du système diminue au cours de cette transformation”
Comment augmenter une vitesse de réaction?
Deux possibilités:
- Augmenter la température de la réaction: (= activation thermique) ce qui permet d’augmenter l’énergie cinétique des molécules de réactifs sans modifier l’énergie Ea de la réaction. (impossible au niveau cellulaire car isotherme = 37°C)
- Diminuer Ea de la réaction sans modifier la température: permet d’augmenter la fraction de molécules de réactifs qui peuvent atteindre Ea, à T°C constante. Ceci nécessite l’intervention d‘enzymes.
Expliquer l’importance physiologique des enzymes et des barrières d’énergie d’activations élevées des réactions biochimiques qui se produisent au niveau cellulaire.
Les enzymes ont un rôle primordial dans le fonctionnement cellulaire. Elles rendent possible des réactions présentant une grande énergie d’activation, qui ne se produiraient pas spontanément.
Elles permettent de diminuer la barrière d’énergie d’activation (Ea1 => Ea2) en modifiant le chemin réactionnel SANS changer la constante d’équilibre ni l’enthalpie libre de Gibbs (ΔG étant une fonction d’état, les réactifs et les produits ne changeant pas d’énergie libre ils ne modifient pas la valeur de ΔG).
mais l’enzyme permet d’accélérer la réaction dans la direction conditionnée par la thermodynamique.
Les enzymes permettent (alors que T°C constante, et que la distribution des niveaux d’énergie cinétique n’a pas varié) d’augmenter la fraction de molécules de réactifs qui possèdent au moins un niveau énergétique égal à Ea2.
Compléter le tableau suivant en indiquant les combinaisons compatibles / incompatibles avec un processus spontané. Justifier votre réponse dans chaque cas.
ΔGsyst= ΔHsyst - T.ΔSsyst
- si ΔH<0 et ΔS>0 alors ΔG est négatif et la réaction est spontanée à toutes les températures.
- si ΔH>0 et ΔS<0 alors ΔG est positif et la réaction non spontanée à toutes températures.
- si ΔH<0 et DS<0 ou si ΔH>0 et ΔS>0 alors ΔG dépend de la température (T); la spontanéité de la réaction depend alors de la température:
-
si ΔH < 0 et ΔS < 0, une température basse favorise la réaction spontanée.
- si T est élevée, ΔG est positif: -T.ΔSsyst donne une valeur positive très élevée et ΔGsyst = -ΔHsyst + T.ΔSsyst donne une valeur positive ==> réaction non spontanée
- si T est basse, ΔG est négatif : -T.ΔSsyst donne une valeur positive peu élevée et ΔGsyst = -ΔHsyst + T.ΔSsyst reste négatif ==> réaction spontanée
pour que ΔGsyst soit négatif, il faut que -ΔHsyst + T.ΔSsyst < 0 soit ΔHsyst > T.ΔSsyst ou encore la réaction est spontanée pour des T < (ΔHsyst / ΔSsyst)
- si ΔH > 0 et DS > 0, une température élevée favorise la réaction spontanée.
- si T est basse, ΔG est positif: -T.ΔSsyst donne une valeur négative faible et ΔGsyst = ΔHsyst - T.ΔSsyst reste positif ==> réaction non spontanée
- si T est élevée, ΔG est négatif: -T.ΔSsyst donne une valeur négative très élevée et ΔGsyst = ΔHsyst - T.ΔSsyst donne une valeur négative ==> réaction spontanée
pour que ΔGsyst soit négatif, il faut que ΔHsyst - T.ΔSsyst < 0 soit ΔHsyst < T.ΔSsyst ou encore la réaction est spontanée pour des T > (ΔHsyst / ΔSsyst)
Définir le couplage énergétique et expliquer son importance physiologique. Citer deux exemples (repris dans le cours de physiologie générale) de couplage énergétique au niveau de la cellule.
Le couplage énergétique permet à un processus endergonique (ΔG>0) de se dérouler en le reliant à un processus exergonique (ΔG<0) qui lui fournit l’énergie libre nécessaire.
- **ΔG1+ΔG2<0 **
La somme des ΔG des deux réactions couplées doit être inférieures à 0. (la quantité d’énergie libre à fournir ΔG1 doit au moins être égale à celle nécessaire à la réalisation du phénomène non spontané ΔG2) - Les 2 processus doivent être reliés par un intermédiaire commun riche en énergie libre , qui peut être transférée de la voie exergonique vers la voie endergonique (=assure le couplage).
L’ ATP est le principal intermédiaire cellulaire, riche en énergie.
NB: le rendement est toujours inférieur à 100% car il y a toujours des pertes sous formes de chaleur.
Exemples:
- Faire bouger les dynéines et les kinésines sur les microtubules pour transporter du matériel cellulaire grâce à l’hydrolyse de l’ATP.
- Assurer le transport d’ions par une pompe contre leur gradient électrochimique aussi grâce à de l’ATP.
Citer, en les expliquant brièvement, les 2 conditions qui doivent être simultanément remplies pour que le couplage énergétique au niveau cellulaire soit possible et expliquer le rôle de l’ATP.
Couplage énergétique = association entre une réaction endergonique et une réaction exergonique.
Afin que le couplage énergétique se produise:
- ΔG1+ΔG2<0
- les deux processus doivent comprendre un intermédiaire commun.
L’ATP est une molécule instable possédant 2 liaisons pyrophosphate et 1 liaisons ester-phosphate lui permettant de facilement perdre un phosphate inorganique (voir deux ou trois mais la rentabilité est décroissante) en libérant une grande quantité d’énergie.
L’ATP à 3 caractéristiques qui la rendent excellente comme intermédiaire de réaction: elle se déplace, elle se régénère et elle est un intermédiaire commun à beaucoup de réactions et enzymes.
Elle assure le stockage de l’énergie libérée lors d’une réaction exergonique et son transport vers le lieu où la réaction endergonique se produira.
C’est un transducteur d’énergie pour une vaste gamme de réactions couplées sans avoir une structure apparentée aux réactifs et produits de réaction.
La réserve d’ATP cellulaire est limitée mais rapidement régénérée.
Le transfert d’énergie de l’ATP, se fait:
- avec transfert de groupe Pi et formation d’un intermediaire phosphorylé.
- avec transfert du groupe Pi et formation d’un intermédiaire phosphorylé par activité ATPasique d’une protéine réalisant un transfert endergonique. (ex: ATPase)
- sans intermédiaire phosphorylé, hydrolyse de l’ATP permet de réaliser un travail mécanique. (ex: Myosine (ATPasique)/actine)
Expliquer l’importance physiologique de l’ATP
Les cellules ont un besoin permanent d’énergie pour assurer leurs fonctions et utilisent en permanence de l’ATP:
- l’organisme humain consomme en moyenne 55 kg d’ATP/J alors qu’il ne possède qu’une réserve limitée d’ATP de 80-100g.
L’ATP continuellement consommé doit être régénéré à très grande vitesse pour maintenir le potentiel de phosphorylation de chaque type cellulaire adapté aux besoins cellulaires.
