BIOÉNERGÉTIQUE Flashcards
Définition énergie
tout ce qui permet de travailler, de faire de la chaleur, du travail, du mouvement ou de la lumière
Définitions 2 énergie
- grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier l’état d’un autre système
- capacité d’un système à produire du travail mécanique, électromécanique, thermique, chimique, etc.
Définition thermodynamique
science qui étudie les phénomènes thermiques liés à des transformations d’énergie
A quelle(s) condition(s) les transformations d’énergie des machines thermiques sont-elles possibles ?
s’il existe une variation de température entre une source chaude et une source froide
A quelle(s) condition(s) un travail est obtenu ?
s’il existe une variation de température entre une source chaude et une source froide
Définition bioénergétique
a pour objet l’étude des échanges globaux d’énergie des organismes vivants (=température et pH constants)
Définition système
ensemble d’éléments matériels ayant des interactions entre eux
Définition écosystème
tout ce qui est extérieur au biosystème
Quel(s) paramètre(s) détermine un évènement ?
- le contenu énergétique du système
- l’échange d’énergie entre le système et le milieu extérieur
Citez les différents types de système
- isolé/adiabatique
- clos/fermé
- ouvert
Système isolé/adiabatique
aucun échange avec l’écosystème
Système clos/fermé
échange d’énergie
Système ouvert
échange d’énergie et de matière
Définition biosystème
système ouvert qui tire son énergie de la transformation de la matière empruntée à l’écosystème
Tout bilan bioénergétique inclut forcément…
un bilan de matière
Quelle est la seule source d’énergie de l’Univers ?
la fusion nucléaire
Décrivez le processus de photosynthèse
l’énergie solaire radiante coupe, par des processus oxydatifs, les nutriments ou substrats énergétiques. On obtient de l’énergie chimique qui peut être consommée ou stockée
De qui la photosynthèse est-elle la propriété exclusive ?
du monde végétal = autotrophe
De qui la photosynthèse est-elle la source d’énergie ?
êtres hétérotrophes
=> symbiose entre autotrophes et hétérotrophes
Comment la production d’énergie est-elle représentée en biologie ?
par l’oxydation, ou catabolisme
Comment est l’énergie provenant de l’oxydation de combustibles métaboliques ?
- conservée (sous forme d’ATP)
- transférée (sur des coenzymes par des électrons à haut potentiel énergétique)
Qu’entraîne la rupture d’une laissions d’ATP ?
une libération d’énergie interne (>31kJ/mole)
Réaction d’hydrolyse de l’ATP
ATP + H2O => Pi + ADP
Besoins journaliers en ATP
7 700kJ/jour
> 248moles d’ATP/j
> 125kg d’ATP/j
Définition anabolisme
consommation d’énergie
Quelle énergie utilise l’anabolisme
l’énergie libérée par le catabolisme
Que permet l’anabolisme
- le travail mécanique (interne ou externe au biosystème)
- le travail de synthèse chimique (interne)
- travail osmotique rénal (actif)
- la régulation des la température
Exemple travail mécanique interne au biosystème
contraction musculaire du myocarde
Exemple travail mécanique externe
muscle squelettique
Exemple synthèse chimique
biosynthèse des protéines
Citez les deux principes de la thermodynamique (général)
1- l’énergie se conserve quand elle se transforme
2- l’énergie se dégrade quand elle se transforme
1er principe de la thermodynamique
l’energie de l’univers est constante, elle ne peut être créée ni détruite, d’où l’équivalence entre différentes formes d’énergie
Définition variable d’état
variable qui définit l’état d’un système
Type(s) de variable d’état
- intensive
- extensive
Variable d’état intensive
- non additive
- ne dépend pas de la quantité de matière
- ex. T, pH, C, chaleur
Variable d’état expensive
- additive
- proportionnelle à la taille du système
ex. V, masse, énergie
De quoi dépend une fonction d’état ?
des valeurs des variables d’état
=> indépendamment du chemin thermodynamique suivie pour passer de l’état initial à l’état final
Caractéristiques énergie interne U
fonction d’état extensive et conservative
Formule variation d’énergie interne
ΔU = U2-U1
Définition enthalpie H
énergie maximum libérable au cours d’une oxydation
Comment peut être calculer ΔH ?
- par réaction explosive dans un calorimètre
- sous forme de libération de chaleur
Quand ΔH est-elle égale à la chaleur Q ?
quand la pression P et le volume V sont constants
Qu’est-ce que l’enthalpie en physiologie
l’énergie produite par l’organisme à partir d’un substrat énergétique
- à condition que les produits terminaux soit les mêmes
- indépendamment de la voie métabolique choisie
À quoi la variation d’enthalpie est-elle égale ?
à la valeur énergétique d’un nutriment
> exprimée par mole de substrat oxydé ; par gramme ou par litre d’oxygène
Quelle est la valeur de l’enthalpie pour un substrat que l’organisme ne peut pas totalement dégagé ?
la chaleur dégagée pour arriver au stade de dégradation maximum possible
À quoi correspond ΔH ?
à la mesure du flux thermique d’une réaction évoluant vers l’état d’équilibre à pression constante
Formule ΔH
ΔH = Hf - Hi
ΔH > 0
réaction endothermique/endergonique
ΔH < 0
réaction exothermique/exogernique
De quoi témoigne l’enthalpie ?
des échanges d’énergie entre le système et son environnement
Comment est notée l’énergie fournit par le système ?
-
Comment est notée l’énergie apportée au système ?
+
Détermination indirecte de ΔH et ΔU
VOIRE COURS PYRAMIDE
Caractéristiques de l’état standard F°
- concentration (produits et réactifs) = 1 mol.L-1
- pression = 1atm (=1013hPa=760mmHg)
- pH=0 car [H+]=1mol/L
Caractéristiques de l’état standard biologique F°’
- pH=7 <=> [H+]= [H3O+] = 10^-7 mol/L
- ≈ 25°
Formule ΔH° réaction
ΔH° réaction = ΣΔH°f(produits) - ΣΔH°f(réactifs)
Définition entropie S
partie de l’énergie perdue sous forme d’énergie dégradée non utilisable en travail = dégradation irréversible
Définition enthalpie libre G
énergie disponible sous forme convertible en travail = énergie utile
2ème principe de la thermodynamique
- il est impossible de transférer de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud de manière cyclique sans autre effet
- l’entropie est une fonction d’état extensive et non-conservative
Toutes les modifications physiques ou chimiques spontanées tendent à s’effectuer dans une direction telle que l’énergie subit une entropie.
Elles s’arrêtent à un point d’équilibre où l’entropie formée est la plus grande possible
par coeur
Quelle direction pour les processus spontanés ?
ΔS > 0
soit ΔStotal = ΔSsystème + ΔSmilieu extérieur > 0
Vers quoi tendent les systèmes non alimentés en permanence en énergie ou en matière
vers l’arret
Comment finissent les systèmes livrés à eux mêmes
en désordre uniforme avec une énergie entièrement dissipée en entropie
Aucune partie de l’univers ne contient plus d’énergie qu’une autre, vrai ou faux
vrai
Qu’est-ce que la vie ?
ensemble de phénomène dans lesquels les atomes et molécules se regroupent temporairement en un ensemble organisé en système loin de l’équilibre
Comment est maintenu l’ordre cellulaire ?
au dépend de l’environnement
Formule enthalpie libre ΔG
ΔG = ΔH - T x ΔS
> en joule/mole
Formule ΔH
ΔH = ΔG + T x ΔS
Quelles valeurs faut-il prendre dans les formules ?
les valeurs absolues
Critère de spontanéité d’une réaction
ΔS (système + environnement) > 0
ΔG < 0
réaction exergonique
> possible spontanément
ΔG > 0
réaction endergonique
> impossible spontanément, besoin de fourir de l’énergie
Pour quoi les molécules doivent-elles être activées ?
pour franchir la barrière de potentiel située entre l’état initial et l’état final
Comment les réactions ΔG < 0 sont-elles possibles ?
passage par un état intermédiaire d’activation
Lorsque ΔG<0, dans quel sens se fait la réaction ?
de 1 vers 2
formule variation d’énergie libre ΔG°
ΔG = ΔG° + RT.ln(Kinitial)
avec K : concentration initiale
Formule variation d’enthalpie libre de la réaction : ΔGréaction
ΔGréaction = Σ ΔGf (produits) - ΔGf (réactifs)
À quoi correspond Ki ?
au rapport des concentrations des produits et réactifs à l’état initial
A quoi correspond un état d’équilibre ?
à un système isolé
A quoi correspond un état stationnaire ?
à un système ouvert, non équilibre
Formule constante d’équilibre K
K = [Produits]^coef / [Récatifs]^coef
Qu’entraîne la modification d’un paramètre de l’équilibre ?
l’évolution de la réaction dans le sens permettant de compenser cette modification
Comment évolue K
K reste constant !!
Que vaut ΔG à l’état d’équilibre ?
0
Formule ΔG
ΔG = ΔG° + RT.ln(K)
Formule ΔG°
ΔG° = -RT.ln(K)
si K>1
- lnK>0
- ΔG° < 0
- réaction exergonique
=> réaction va des réactifs vers les produits
si K<1
- lnK<0
- ΔG° > 0
- réaction endergonique
=> réaction va des produits vers les réactifs
si K=0
- lnK=0
- ΔG° = 0
=> état d’équilibre : pas de déplacement
K dans un milieu aqueux
on supprime H20 des réactifs car on est en milieu aqueux donc sa concentration est constante
K à pH neutre
pH neutre=7 => [ H+]=10^-7
=> on supprime H+ des réactifs car sa concentration est constante
Loi de Vant’Hoff
ΔG° = ΔH° - T.ΔS°
= -RT.lnK
(car ΔG=0 à l’état d’équilibre)
Que vaut lnK
lnK= a x 1/T + b
De quoi dépend K
seulement de la température pour une réaction donnée
Qu’est-ce que ΔG°
la variation d’énergie libre de la réaction dont
- l’état initial est l’état standard
- l’état final est l’état d’équilibre
Quand se calcule ΔG°
à l’état d’équilibre
Quand se calcule ΔG
à l’état initial
Dans quel sens évolue la réaction lorsque ΔG < 0
dans le sens de l’écriture : réactifs vers produits
Dans quel sens évolue la réaction lorsque ΔG > 0
dans le sens contraire de l’écriture : produits vers réactifs
=> impossible thermodynamiquement
De quoi dépend la faisabilité d’une réaction ΔG>0
des concentrations effectives des réactifs et produits à l’état initial ou cellulaire en plus de la constante ΔG°
Comment peut-on inverser le sens de réaction ?
- modifier [A] et [B] à l’état de non équilibre de sorte à ce que ΔG soit < 0
- coupler la réaction endergonique avec une réaction exergonique
Quel est l’ordre de [ATP]/[ADP]x[Pi] dans les conditions cellulaires
500
Théorème de Prigogine
dans un système stationnaire de non équilibre (=vivant), la production d’entropie est minimale pour un processus spontané
Qu’est-ce qu’un système ouvert ?
cellule qui échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur (=état stationnaire) mais qui n’est jamais à l’état d’équilibre avec son environnement
Constante de non-équilibre Γ
Γ = [B]^coef / [A]^coef
> concentrations à l’état de non équilibre
Comment est la réaction lorsque
ΔG > 30 kJ.mol-1
elle est unidirectionnelle car il est impossible de l’inverser par simple modification des concentrations
Que nécessite la biosynthèse d’une liaison peptidique ?
de l’énergie
Que se forme-t-il à partir de 2 acides amines ?
un dipeptide
Comment peut-on trouver l’énergie nécessaire à une liaison peptidique en partant de ΔG > 0
en couplant des réactions anaboliques avec les réactions cataboliques d’oxydation d’aliments
ΔG catabolisme
ΔG < 0
nettement inférieur à 0
ΔG anabolisme
ΔG > 0
ΔG couplage catabolisme/anabolisme
ΔG < 0
ΔG°’ de la phosphorylation du glucose
ΔG°’ = +13,3 kJ/mole
Réaction de la phosphorylation du glucose
glucose + Pi –> glucose-6-phosphate + H2O
Forme de la réaction du couplage catabolisme/anabolisme
ATP + Glucose –> G-6-P + ADP
Quel(s) réactions d’hydrolyse libère peu d’énergie ?
l’hydrolyse d’une fonction ester
Forme réaction d’hydrolyse d’un ester
Glycérol-1-P + H20 <–> glycérol + Pi
ΔG°’ de l’hydrolyse d’un ester
environ -9,6 kJ/mol
=> le glycérol est faible en énergie
ΔG°’ hydrolyse de l’ATP
environ -34,5 kJ/mol
=> l’ATP est riche en energie
Comment calcule-t-on ΔG°’
ΔG°’ = ΣΔG°’ f(produits) - ΣΔG°’ f(réactifs)
Si ΔG°’ «_space;0
ΣΔG°’ f(réactifs)»_space; ΣΔG°’ f(produits)
Qui est plus stable entre ADP et ATP
ADP car l’ATP a plus de charges négatives qui se repoussent
Quelle ΔG°f est plus élevée entre ADP et ATP, pourquoi ?
ATP
=> instabilité ATP
=> stabilité des produits hybrides résonants de ADP3- et HPO4(2-)
Qu’est-ce qui permet de qualifier un composé de riche en énergie ?
il faut que ΔG°’ de l’hydrolyse soit ≤ -30 kJ/mol
Citez les 5 types de liaisons riches en énergie
- anhydride phosphorique
- anhydride phosphorique mixte
-phosphate énol - thioester
- guanine / phosphate / phosphocréatine
Forme des liaisons riches en énergie
apprendre par coeur (p.251)
Définition kinase
enzyme catalysant l’ajout d’un phosphate sur une molécule à partir d’une autre molécule organique (souvent ATP)
Définition phosphorylation
ajout d’un phosphate sur une molécule
Rôle phosphorylase
lyse une molécule organique en y ajoutant un phosphate à partir d’un phosphate inorganique
( une phosphatase l’enlève)
Cycle ATP
par coeur p.251
Comment se fait la dégradation du glycogène ?
par phosphorolyse
Quel est le cofacteur de la phosphorolyse
le phosphate de pyridoxal
Comment se fait le transfert de groupement phosphate ?
entre un composé riche en énergie et un composé pauvre en énergie via l’ATP
Que concerne la phosphorylation d’u substrat ?
10% de la production d’ATP
=> pas aussi rentable que la phosphorylation oxydative
Principe phosphorylation oxydative
couplage d’une réactive d’oxydation (ΔG<0) avec une réaction de phosphorylation (ΔG>0)
Que devient l’énergie dans une phosphorylation oxydative
l’énergie électrique est transformée en énergie chimique
ΔG < 0
Que permet la phosphorylation oxydative
la production de 90% de l’ATP dans le corps humain
Principe réactions d’oxydo-réduction
couplage d’une réaction d’oxydation avec une réaction de réduction
Forme réaction d’oxydo-réduction
Ox2 + Red1 <–> Red2 + Ox1
Réducteur
donneur d’électrons, électronégatif, E°D
Oxydant
accepteur d’électrons, électropositif, E°A
E° oxydo-réduction (ou pile)
E°pile = E° accepteur - E° donneur > 0
Dans quel sens se fait le déplacement des électrons (oxydo-réduction)
du donneur (-) vers l’accepteur (+)
=> le potentiel redox de l’accepteur doit être plus élevé que celui du donneur
Comment se définit un couple redox ?
Par son potentiel redox standard (E°)
=> sa capacité à céder ou accepter des électrons par rapport à une électrode de référence
Quelle est l’électrode de référence (oxydo-reduction)
L’hydrogène avec :
2H+ 2e- –> H2
Comment s’écrit un couple (Ox/Réd)
(Ox^n+) + n.e- <—> Red
E°
ex. (Zn2+) + (2e-) <—> Zn
E° = -0,76 V
Comment fonctionne une pile ?
les électrons se déplacent du réducteur (=partie donneuse d’électrons) vers l’oxydant (=partie acceptant les électrons)
Comment calcule-t-on le potentiel standard de réaction E° réaction ?
E° réaction = E° accepteur + E° donneur
Dans quel sens se déplace le courant ?
sens inverse au déplacement des électrons
anode
oxydation
cathode
réduction
Relation entre ΔG et les potentiels d’oxydo-réduction
ΔG = -n x F x E° réaction
n : nombre d’électrons transférés
F ; constante de Faraday
Que vaut la constante de Faraday F ?
F = 96 500 Coulomb/mol ou J/V/e
Comment évolue ΔG en fonction de E° ?
si E° > 0 alors ΔG < 0
Quel est le sens spontané d’une réaction d’oxydo-réduction?
du réducteur vers l’oxydant = sens de transfert des électrons = sens des potentiels E croissants
Équation de Nernst couple redox
E = E° - 0,06 x pH - (0,06/n) x log([Red]/[Ox])
Potentiel rédox standard biologique E°’ à pH=7 et [Ox]=[Red]
E°’ = E° - 0,06 x pH
= E° + 0,42
Dans des conditions non standards que vaut E
E = E°’ + 0,06 x (7-pH) - (0,06/n) x log([Red]/[Ox])
log(1) =
0
Exemples de couples redox en milieu biologique
- CH3COOH + 2H+ + 2e- <–> CH2CHO + H2O E° = -0,60V
- NAD+ + 2H+ + 2e- <–> NADH + H+ E° = -0,32V
- CH2CHO + 2H+ + 2e- <–> CH3CH2OH E° = -0,18V
- FAD + 2H+ + 2e- <—> FADH2 E° = -0,12V
- 1/2O2 + 2H+ + 2e- <–> H2O E°= +0,82V
Étapes règle du Gamma γ
- tracer une flèche de bas en haut symbolisant le E°’ croissant
- disposer les couples Red/Ox selon leur E°’
- oxydants à gauche, réducteurs à droite
- on transfère les e- et H+ selon le symbole gamma
Réducteur = siège de …
l’oxydation
Oxydant = siège de …
la réduction
Comment sont les électrons et protons transférés lors de l’oxydation des aliments ? Pourquoi ?
haut en énergie
=> lors de leur transfert vers O2, le bilan énergétique global de la chaîne respiratoire est élevé
Où a lieu le transfert d’e- et de H+ lors de l’oxydation des aliments ?
dans la membrane interne de la mitochondrie
Quels sont les composés à l’origine des composés “haut en énergie” de l’oxydation des aliments
NADH/H+ et FADH2
Equation de l’oxydation NADH/H+
NADH + H+ + 1/2(O2) <–> NAD+ + H2O
Comment est piégée l’énergie libérée pour la synthèse d’ATP
par un mécanisme de chimiosmose
Quelle quantité d’énergie pour synthétiser une ATP ?
au moins 30,5 kJ/mol
Combien de molécules d’ATP sont synthétisées pour 2e- libérés
3
Equation de l’oxydation FADH2
FADH2 + 1/2(O2) <–> FAD+ + H2O
Si le rendement était de 100%, combien de molécules d’ATP seraient formées par molécule de NADH et de FADH2 ?
- 7 molécules d’ATP par molécule de NADH
- 6 molécules dATP par molécule de FADH2
Rendement oxydation NADH
43%
Rendement oxydation FADH2
34%
état standard redox
[Red]=[Ox]
état biologique redox
pH=7
