M4S2 Définitions et notions bioénergétiques

Question 1

Qu’est ce que la bioénergétique ? Que permet elle ?

Answer 1

l’étude des transferts d’énergie dans l’organisme.

En biochimie, les transferts d’énergie sont essentiellement des transferts d’énergie chimique. L’étude de ces transferts d’énergie permet de prévoir si une réaction chimique est spontanée ou non, grâce à la connaissance de la variation d’énergie libre de cette réaction.

Question 2

Qu’est ce que l’énergie ?

Answer 2

Au sens de la science physique est une mesure de la capacité d’un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur.

Question 3

Qu’est ce que la thermodynamique

Answer 3

La thermodynamique est l’étude des transferts d’énergie.

La bioénergétique est donc une branche de la thermodynamique.

Question 4

Qu’est ce que les enzymes ?

Answer 4

Ce sont des catalyseurs biochimiques extrêmement efficaces, capables d’abaisser l’énergie d’activation nécessaire au déclenchement d’une transformation chimique.

Question 5

Quelle est la différence entre système et environnement ?

Answer 5

Un système est une partie de l’univers et l’environnement est tout le reste de l’univers.

Question 6

Quels types de systèmes existe t-il ?

Answer 6

• le système isolé ne peut échanger ni matière ni énergie avec son environnement ;
• le système clos ou fermé peut échanger uniquement de l’énergie ;
• le système ouvert peut échanger à la fois de la matière et de l’énergie.

Question 7

Quel est le premier principe de la thermodynamique ? Exemple

Answer 7

Loi de conservation de l’énergie :

« L’énergie ne peut être ni créée ni détruite.
Elle peut uniquement être transformée d’une sorte en une autre. »

Ou en d’autres termes :

« L’énergie totale d’un système et de son milieu environnant demeure constante. »

Exemple de conversion d’énergie dans l’organisme : la contraction musculaire. Une cellule musculaire convertit l’énergie chimique de l’ATP en énergie cinétique associée au mouvement (mouvement de la tête de myosine).

Question 8

Quelles formes d’énergie existe t-il ?

Answer 8

• énergie cinétique (liée au mouvement) : éolienne, hydraulique ;
• énergie thermique (chaleur) ;
• énergie chimique (liaisons entre atomes) ;
• énergie électrique (particules chargées) ;
• énergie magnétique ;
• énergie rayonnante : lumineuse, infrarouge, micro-ondes, sonore ;
• énergie nucléaire (liaisons neutrons, protons).

Question 9

Qu’est ce que l’énergie interne ? De quoi résulte t-elle ?

Answer 9

C’est l’énergie totale contenue dans une substance et est symbolisée par la lettre U (ou E).

Elle résulte de l’ensemble des énergies des liaisons entre atomes, de l’énergie cinétique due au mouvement des électrons, de l’énergie électrique due aux charges portées par les électrons et les protons, etc. Il est donc impossible de mesurer U, c’est une fonction d’état.

Question 10

Qu’est ce que ∆U ?

Answer 10

La variation de l’énergie interne. Cette variation d’énergie interne est notée ∆U, avec

∆U = Ufinale – Uinitiale.

Question 11

Sous quelles formes apparaît la variation d’énergie interne ?

Answer 11

Toutes les transformations chimiques se traduisent par des variations d’énergie interne.

Dans la plupart des cas, cette énergie apparaît sous deux formes :

la chaleur (q) et un travail (w).

∆U = q + w

avec q : quantité de chaleur absorbée ou reçue, w : travail effectué.

Question 12

A quoi se rapporte le travail dans un contexte biochimique ?

Answer 12

Dans le contexte biochimique, il se rapporte souvent à une variation de pression ou de volume du système, il n’y a pas de travail mécanique (mouvement).

Or, les réactions biochimiques ont généralement lieu en milieu liquide, avec des variations de volume très faible, et à pression constante.

Question 13

Qu’est ce que l’enthalpie ? A quoi peut elle être résumée ?

Answer 13

Une fonction d’état, spécialement adaptée aux réactions à pression constante.

Elle est notée H.

À pression constante, la variation d’enthalpie est égale à la quantité de chaleur transférée : ∆H = q.

Question 14

A quoi l’énergie interne est-elle le plus souvent pratiquement égale dans les systèmes biochimiques ?

Answer 14

l’enthalpie

Question 15

Quelles types de réactions existe t-il ? Quel est leur enthalpie ?

Answer 15

• Exothermique : Les réactions qui se produisent en libérant de la chaleur. Leur variation d’enthalpie est négative pour indiquer que les réactifs ont perdu de l’énergie en se transformant en produits : ∆H < 0.
• Endothermique: Les réactions qui absorbent de la chaleurs. Lors de ces réactions, le mélange réactionnel se refroidit et la variation d’enthalpie reçoit un signe positif pour indiquer que, cette fois, les réactifs ont gagné de l’énergie en se transformant en produits : ∆H > 0.

Question 16

Qu’est ce que l’entropie ?

Answer 16

C’est une mesure du désordre dans un système ou dans son environnement.

Un état organisé ou ordonné a une faible entropie, alors qu’un état désordonné a une entropie élevée.

Question 17

Quel est le deuxième principe de la thermodynamique ?

Answer 17

Il peut s’énoncer de plusieurs façons.

• « Dans toute transformation spontanée et irréversible, l’entropie totale du système et du milieu qui lui est extérieur ne peut que s’accroître. »
• « Les systèmes tendent à évoluer d’un état ordonné (à basse entropie) vers un état désordonné (à haute entropie).

Question 18

Qu’en est il de l’entropie lors d’une réaction spontanée ? Exemples

Answer 18

∆S est positive.

(La variation d’entropie est symbolisée par ∆S.)

• Dissolution d’un sel : à l’état initial, les ions sont sous forme solide, fortement associés par des liaisons ioniques ; à l’état final, ils sont dispersés dans la solution, entourés par les molécules d’eau et en mouvement.
• Réaction exothermique : la température augmente, donc l’agitation des molécules augmente également, ce qui permet leur dispersion.

Question 19

Comment peut on savoir si une réaction est spontanée ?

Answer 19

L’énergie libre de Gibbs, notée G, permet de répondre à cette question.

L’énergie libre fait intervenir l’enthalpie et l’entropie, et elle est définie par l’équation :

G = H – T.S

S : entropie,
T : température absolue en kelvins (273 K = 0 °C).

Question 20

En pratique à quoi correspond l’énergie libre ? Comment peut elle variée au cours d’une réaction ? Quelle est son équation ? Et qu’indique son résultat ?

Answer 20

En pratique, elle correspond à la partie de l’énergie totale du système disponible pour accomplir un travail.

Cette énergie peut donc être perdue ou gagnée par le système au cours d’une réaction chimique.

Sa variation au cours d’une réaction est donnée par :
∆G = ∆H – T.∆S

Le signe de ∆G permet de savoir si la réaction aura lieu spontanément.
* ∆G < 0 : la réaction est spontanée dans le sens écrit, elle est dite exergonique.
* ∆G > 0 : la réaction n’est pas spontanée dans le sens écrit, elle est dite endergonique.
* ∆G = 0 : la réaction est à l’équilibre.

Question 21

Qu’est ce que l’état standard ?

Answer 21

La variation d’énergie libre d’une réaction dépend :
- de la nature des réactifs et des produits,
- mais aussi des conditions de la réaction, comme la température, la pression, le pH et la concentration des molécules.

Pour pouvoir comparer les différentes réactions biochimiques, un état standard proche de l’état physiologique a été défini :
* température : 25 °C ;
* pH = 7 ;
* concentration des solutés : 1 mol.L-1 ;
* pression : 1 atm = 1,01325.105 Pa.

Remarque : les conditions standards de la biochimie diffèrent de celles de la chimie où le pH = 0.

Question 22

A quoi correspond ∆G°’ ? Que nous indique cette valeur ?

Answer 22

L’énergie libre standard.

La connaissance de ∆G°’ et surtout de son signe permet de déterminer si une réaction est spontanée ou non.

Le signe de ∆G permet de savoir si la réaction aura lieu spontanément.

• ∆G < 0 : la réaction est spontanée dans le sens écrit, elle est dite exergonique.
• ∆G > 0 : la réaction n’est pas spontanée dans le sens écrit, elle est dite endergonique.
• ∆G = 0 : la réaction est à l’équilibre.

Question 23

A quoi correspond un joule ?

Answer 23

L’unité d’énergie est le joule, noté J.

1 joule correspond à l’énergie nécessaire pour élever d’un degré Celsius (°C) la température d’un gramme d’air sec, ou pour élever d’un mètre une pomme de 102 g.

1 J = 1 kg.m2.s–2

De nombreuses réactions chimiques produisent une énergie correspondant à des centaines de milliers de joules, c’est donc le kilojoule, noté kJ, qui est le plus souvent utilisé.

Pour pouvoir comparer les variations d’énergie associées à des réactions chimiques diverses, il faut également tenir compte de la quantité de matière engagée. C’est pourquoi les variations d’énergie dues aux réactions chimiques se mesurent habituellement en kilojoules par mole de réactifs, noté kJ.mol–1.

Question 24

A quoi correspond une calorie ?

Answer 24

En diététique, on utilise également la notion de calorie.

Une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 14,5 à 15,5 °C.

1 cal = 4,184 J ou 1 kcal = 4 184 J

Question 25

A quoi correspond la notion de couplage énergétique ?

Answer 25

Dans l’organisme, les réactions du catabolisme sont généralement exergoniques et libèrent donc de l’énergie dans la cellule.

Cette énergie est en partie récupérée pour les réactions endergoniques qui correspondent aux voies de biosynthèse de l’anabolisme.

Les réactions exergoniques sont spontanées et peuvent donc se dérouler sans problème.

Par contre, les réactions endergoniques ne sont pas spontanées, elles ne sont possibles que si elles sont couplées à une réaction exergonique qui leur fournit de l’énergie.

Il existe ainsi un couplage entre les réactions exergoniques et les réactions endergoniques. Ce couplage peut se faire directement entre deux réactions, mais il fait le plus souvent intervenir un transporteur d’énergie, comme l’ATP.

Question 26

Comment s’organise le couplage énergie de la phosphorylation du glucose ? Quelle est la variation d’énergie de ce couplage ?

Answer 26

La phosphorylation du glucose est une réaction endergonique avec :

Réaction (1) :
glucose + Pi → glucose-6-P + H2O

∆G°’(1) = 13,9 kJ.mol–1
Cette réaction n’a pas lieu spontanément dans ce sens.

Elle est couplée à l’hydrolyse de l’ATP en ADP
Réaction (2) :
ATP + H2O → ADP + Pi

∆G°’(2) = -30,5 kJ.mol–1.
Réaction exergonique

Les deux réactions ont lieu en même temps, ce qui permet à la phosphorylation du glucose de récupérer l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP.

Équation-bilan du couplage des deux

réactions (3) :
glucose + ATP → glucose-6-P + ADP

Pour déterminer la variation d’énergie libre de cette réaction, on calcule la somme des énergies libres de chaque réaction :
∆G°’(3) = 13,9 - 30,5 = -16,6 kJ.mol–1

On obtient une variation d’énergie libre négative, la réaction a donc lieu spontanément.

Question 27

Comment classifie t-on les composés chimiques en fonction de l’énergie libérée ?

Answer 27

Au cours des réactions chimiques, l’énergie libérée provient de l’hydrolyse d’une ou plusieurs liaisons covalentes.

Selon la quantité d’énergie libérée, on distingue :

• les composés riches en énergie ou composés à haut potentiel d’hydrolyse, dont l’hydrolyse libère une énergie supérieure à 21 kJ.mol–1 (∆G°’ < –21 kJ.mol-1) ;
• les composés faibles en énergie ou à faible potentiel d’hydrolyse, dont l’hydrolyse libère une énergie inférieure à
  21 kJ.mol–1 (–21 kJ.mol–1 < ∆G°’ < 0).

Question 28

Quels types de liaisons sont généralement riches en énergie ? Comment sont elles symbolisées ?

Answer 28

Les liaisons riches en énergie sont parfois représentées par le symbole ~.

Les liaisons phosphoesters, impliquant des groupements phosphates, sont des liaisons riches en énergie.

Les composés phosphorylés ont donc généralement un potentiel d’hydrolyse élevé.

Un autre type de liaison riche en énergie est la liaison thioester, qui se forme entre un acide carboxylique et un groupement thiol :

R-COOH + HS-R’ → R-CO-S-R’ + H2O.

Les composés comportant une liaison thioester sont généralement des groupements pris en charge par un coenzyme de transfert, le coenzyme A (CoASH).

Question 29

Exemple de composé à haut potentiel d’hydrolyse ? Quelle est leur énergie libre standard

Answer 29

Phosphoénolpyruvate (PEP) ∆G°’ = -62

1,3-biphosphoglycérate ∆G°’ = -50

Acétyl phosphate ∆G°’ = -43

Créatine phosphate (phosphocréatine) ∆G°’ =
-43
ADP ∆G°’ = -35

AcétylCoA ∆G°’ = -31,5

ATP ∆G°’ = -30,5

Glucose-1-P ∆G°’ = -21

Question 30

Exemple de composé à faible potentiel d’hydrolyse ? Quelle est leur énergie libre standard

Answer 30

Fructose-1-P ∆G°’ = -16
Glucose-6-P ∆G°’ = -14
Glycérol-3-P ∆G°’ = - 9

Question 31

Quel est la place des autres nucléotides dans le métabolisme ?

Answer 31

Les autres nucléotides (GTP, CTP, TTP et UTP) sont également riches en énergie, mais c’est l’ATP qui prédomine dans le métabolisme.

On rencontrera cependant ces nucléotides dans certaines voies métaboliques (GTP dans le cycle de Krebs, UTP dans le métabolisme des glucides).

Question 32

Définition d’un oxydant :

Answer 32

Une molécule capable de capter un ou plusieurs électrons. Cette molécule initialement considérée comme oxydée devient alors réduite. La réaction est une réduction.
Réduction
A oxydé + e– A réduit Réduction = gain d’électrons
Exemple : Cu2+ + 2 e– → Cu

Question 33

Mnémotechnique oxydoréduction :

Answer 33

OPERA: l’Oxydation est une Perte (d’électrons) Et la Réduction est un Apport (d’électrons).

Question 34

Qu’est ce qu’une Réduction ?

Answer 34

Réduction (= gain d’électrons) :

A (oxydé) + e- –> A (réduit)

Exemple : Cu2+ + 2 e– → Cu

Question 35

Qu’est ce qu’une oxydation ?

Answer 35

Oxydation (= perte d’électrons) :

B (réduit) –> B (oxydé) + e-

Exemple : Zn → Zn2+ + 2 e–

Question 36

Qu’est ce qu’un réducteur ?

Answer 36

Un réducteur est une molécule capable de céder un ou plusieurs électrons. Cette molécule réduite à l’état initial devient alors oxydée. La réaction est une oxydation.

Mnémotechnique : réducteur est riche en « e » (électrons) donc il en donne à l’oxydant
qui n’a pas de « e »

Question 37

Qu’est ce qu’un couple oxydant/réducteur ?

Answer 37

Un couple oxydant/réducteur (ou couple redox) est l’ensemble formé par un oxydant et un réducteur qui se correspondent dans la même demi-équation redox.

Couple : A (oxydé) / A (réduit)

Demi-équation redox :

A oxydé (oxydant) + n e– —> A réduit (réducteur)
Oxydation —>
Réduction <—

Question 38

Qu’est ce que le potentiel de réduction standard ? Exemple

Answer 38

noté E°’

Il quantifie la tendance d’une espèce chimique à être réduite ou oxydée.

Il est exprimé en volts (V).

Les couples redox qui ont un potentiel de réduction standard positif ont tendance à accepter des électrons, la forme oxydée a tendance à être réduite.

Les couples redox qui ont un potentiel de réduction standard négatif ont tendance à donner des électrons, la forme réduite a tendance à être oxydée.

Exemples :
le couple O2/H2O a un potentiel de réduction très positif, l’O2 est réduit en H2O. Le couple NAD+/NADH + H+ a un potentiel de réduction négatif, le NADH + H+ est oxydé en NAD+.

Question 39

Qu’est ce qu’une réaction d’oxydoréduction ?

Answer 39

C’est un couplage entre une oxydation et une réduction.

Elle fait intervenir une molécule oxydante (accepteur d’électrons) et une molécule réductrice (donneuse d’électrons) qui échangent entre elles un ou plusieurs électrons.

L’équation du couplage des deux réactions s’écrit :
Réducteur 1 + Oxydant 2 → Oxydant 1 + Réducteur 2.

Question 40

Exemple de de réactions d’oxydoréducation entre le zinc et le cuivre :

Answer 40

Oxydation : Zn → Zn2+ + 2 e–
Réduction : Cu2+ + 2 e– → Cu
Réaction d’oxydoréduction : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Deux électrons sont transférés du zinc (Zn), qui est le réducteur, vers l’ion cuivre (Cu2+), qui est l’oxydant. Les électrons transférés n’apparaissent pas dans l’équation-bilan.

Question 41

Comment sait on dans quel sens se produit spontanément une réaction d’oxydoréduction ?

Answer 41

Les électrons sont fournis par le réducteur du couple ayant le potentiel de réduction le plus faible et sont acceptés par l’oxydant du couple ayant le potentiel redox le plus élevé.

Autrement dit, l’oxydant le plus fort réagit avec le réducteur le plus fort.

Question 42

Qu’échange le plus souvent les couples redox des systèmes biologiques ?

Answer 42

2 électrons accompagnés de deux protons H+.

Question 43

Qu’est ce que la variation du potentiel redox ?

Answer 43

Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, il y a une variation de potentiel redox.

Cette variation est notée ∆E°’ et s’obtient par la relation suivante :

∆E°’ = E°’ (oxydant) – E°’ (réducteur).

Question 44

Quelle relation existe t-il entre variation de potentiel redox et variation d’énergie libre standard ?

Answer 44

∆G°’ = – n F ∆E°’

avec:

∆G°’ : variation d’énergie libre standard en J.mol–1 ;
n : nombre d’électrons transférés ;
F : constante de Faraday = 96 500 J.mol–1.V–1 ;
∆E°’ : variation de potentiel redox en V.

Question 45

Qu’est ce que l’énergie d’activation ?

Answer 45

C’est l’énergie absorbée par les réactifs pour qu’ils deviennent instable et qui est nécessaire au déclenchement de la réaction.

Les réactifs passent par un état de transition instable, ce qui permet la rupture de certaines liaisons et la formation des produits.

L’énergie totale du système diminue ensuite. Cette variation d’énergie correspond à la variation d’énergie libre.

Au cours d’une réaction chimique, certaines liaisons covalentes sont rompues et de nouvelles liaisons sont formées.

Question 46

Qu’est ce qu’une réaction enzymatique ?

Answer 46

C’est une réaction catalysée par une enzyme.

L’enzyme accélère la réaction en diminuant l’énergie d’activation de la réaction.

L’enzyme n’a pas d’effet sur la variation d’énergie libre de la réaction, elle ne peut pas changer le sens de la réaction. Elle accélère une réaction exergonique, donc spontanée, en abaissant généralement fortement l’énergie d’activation.

Grâce aux enzymes, les réactions du métabolisme peuvent avoir lieu très rapidement, ce qui est indispensable à la survie de l’organisme.