2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 2 ème PARTIE : Une transformation.

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1 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 2 ème PARTIE : Une transformation chimique est elle toujours totale ? –Vocabulaire : réactif, produit, transformation et réaction chimique, avancement d’une réaction chimique –Etude d’une réaction totale (ex : HCl + H 2 O) –Etude d’une réaction limitée (ex : CH 3 COOH + H 2 O) –Synthèse : Équation de la réaction A + 2B  C Etat initial (mol) L’avancement est 0 nA 0nA 0 n B 0 0 Etat intermédiaire (mol) L'avancement est x n A 0 - xn B 0 - 2xx Etat final (mol) L'avancement est x f n A 0 - x f n B 0 - 2x f xfxf

2 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées Transformation totaleTransformation limitée Constatation Le système cesse d’évoluer quand il a atteint l’avancement maximal. Le système cesse d’évoluer sans atteindre l’avancement maximal. Avancement final x f x final = x max x final < x max Taux d’avancement  = x f / x max avec  = 1  = x f / x max avec  < 1 Concentrations des espèces chimiques à l’état final Constantes - 0 pour le réactif limitant - maximum pour les produits Constantes Réactifs et produits coexistent avec des concentrations caractéristiques de l’état d’équilibre Conséquence pour la transformation du système Au moins un réactif a été totalement consommé (le réactif limitant), donc la réaction s’arrête par manque de réactif  plus aucune transformation A l’état d’équilibre, les concentrations en réactifs et produits sont telles qu’ils se forment et disparaissent à la même vitesse : v sens1 strictement égale et annule v sens-1  équilibre dynamique

3 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3 ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé a A + b Bc C + d D –Notion de quotient de réaction Q r = [C] c.[D] d / ([A] a.[B] b ) ou Q r = n C c.n D d / (n A a.n B b ) –Constante d’équilibre K eq = Q r,f = [C] c f.[D] d f / ([A] a f.[B] b f ) ou n fC c.n fD d / (n fA a.n fB b ) Prévision du sens d’évolution d’un système L’état initial du système peut être caractérisée par le quotient de réaction initial noté Q r,i : Q r,i = [C] c i.[D] d i / ([A] a i.[B] b i ) ou n iC c.n iD d / (n iA a.n iB b )

4 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3 ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé Selon les conc. initiales des espèces chimiques qui constituent le système, 3 cas peuvent se présenter.

5 bilan Si Δ r G 0 ° << 0 K(T) >> 1 la réaction est ………… dans le sens direct Si Δ r G 0 ° >> 0 K(T) << 1 la réaction n’a pas lieu dans le sens …………………. mais elle est totale dans le sens ……………………… Si Δ r G 0 ° ~ 0 K(T) ~ 1 la réaction est dans son domaine d'équilibre 5

6 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3 ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé Etude d’un exemple : Réaction estérification / hydrolyse –Rappel acide carboxylique / alcool / ester / nomenclature –Mise en évidence de l’état d’équilibre –Influence des conditions opératoires : T et catalyseur –Déplacement de l’équilibre en augmentant la quantité de réactif ou en éliminant le produit formé

7 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 4 ème PARTIE : Aspect énergétique d’une transformation chimique Une réaction est favorisée quand la valeur de la constante d’équilibre K(T) est élevée c’est-à-dire quand l’enthalpie libre standard de la réaction Δ r G° est négative. Δ r G° = - RT. ln K d’où K= e - ΔrG°/RT

8 PARTIE 2.5 LES SYSTEMES VIVANTS ASSURENT LEUR ACTIVITE ET MAINTIENNENT LEUR INTEGRITE EN UTILISANT DES VOIES METABOLIQUES VARIEES I/ Les cellules : des systèmes ouverts stationnaires siège des réactions métaboliques 8 Chap. 2: transfomations chimiques dans les cellules et couplage energetique

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10 La biochimie a pour but d’étudier, à l’échelle moléculaire, l’ensemble des transformations se déroulant au sein de la matière vivante. Les cellules qui constituent notre corps effectuent de nombreux travaux : travail mécanique de motricité, travail de transport de substances dans la cellule et à travers ses membranes, travail de synthèse de molécules. Elles produisent également de la chaleur. Ces travaux et la production de chaleur consomment de l’énergie. Les synthèses nécessitent également de la matière. Les nutriments fournissent aux cellules l’énergie et la matière dont elles ont besoin. 10

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12 Des échanges avec l’extérieur permettent de maintenir et renouveller le milieu intérieur. 12

13 Bouche Estomac Intestin grêle Gros intestin aliment nutriments O2 O2 + poumon Nutriments cellules Aliments non-digérés Vaisseaux Sanguins PLASMA CO2 Déchets + rein ENERGIECHALEUR LIQUIDE INTRACELULAIRE LIQUIDE INTERSTITIEL SYSTÈME DIGESTIF LES SURFACES D’ECHANGE Bouche Estomac Bouche Estomac Bouche Estomac Vaisseau lymphatique Lymphe canalisée 13

14 Un organisme vivant est un système ouvert qui échange de la matière et de l’énergie avec l’extérieur elles prélèvent de l’O2 et des nutriments, les utilisent et rejettent des déchets dans leur environnement. Ces échanges avec le milieu extérieur se font à travers des surfaces d’échange: les poumons, le tube digestif, les reins et la peau. 14

15 Toute cellule est le si è ge de milliers de r é actions chimiques qui mettent é galement en jeu des transferts de mati è re et/ou d' é nergie.milliers de r é actions chimiques Cet ensemble de r é actions biochimiques s'appelle le m é tabolisme. Une voie m é tabolique est un ensemble de r é actions biochimiques permettant la transformation d ’ un substrat de base en un produit final, avec une ou plusieurs é tapes interm é diaires catalys é es par des enzymes.  L ’ anabolisme : correspond à la synth è se de mati è re vivante c'est- à -dire à l ’é laboration de mol é cules complexes à partir de mol é cules simples. Cette phase n é cessite un apport é nerg é tique suffisant.  Le catabolisme : correspond à la destruction de mol é cules complexes en mol é cules simples aboutissant à la formation de d é chets et à la production d ’é nergie. 15

16 Les organismes vivants maintiennent leurs constituants à des concentrations stables au cours du temps (par exemple : le pH, la température). On dit que ce sont des systèmes en état stationnaire (compositions stables et éloignées de l’équilibre). 16

17 on assimile chacune des réactions individuelles d’une voie métabolique à un système fermé virtuel Chap II/ THERMODYNAMIQUE ET REACTIONS DANS LES CELLULES 1)Variation d’enthalpie libre standard Δ r G’ o 17

18 Le sens de l’évolution d’une réaction cellulaire est donnée par la variation d’enthalpie libre notée Δ r G’. Elle correspond à la partie de l’énergie totale(H), contenue dans un composé, susceptible de fournir un travail (E potentielle). 18

19 Si ΔG°’ < 0 : réaction exergonique  réaction spontanée = libération d’énergie utilisable Si ΔG°’ > 0 : réaction endergonique  la réaction ne peut s’effectuer que si de l’énergie est fournie au système 19

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22 Les réactions de dégradation (catabolisme) sont dites exoénergétiques car elles libèrent de l'énergie et les réactions de synthèse (anabolisme) sont dites endo- énergétiques car elles en consomment. C’est l'énergie des premières réactions qui va permettre la réalisation des réactions de synthèse. 22

23 Ainsi dans une chaine métabolique, la variation d’enthalpie libre de réaction pour transformer le substrat A en D est égale à la somme des variations d’enthalpie libre de chaque réaction successive 23

24 O2 24

25 L’ATP Donner la signification du sigle « ATP » et citer ses constituants. Une base azotée appelée adénine Un sucre à 5 carbones, le ribose Trois groupements phosphates (H3PO4) Groupe phosphate Ribose 25

26 DES LIAISONS RICHES EN ENERGIE 26 H2O +

27 27 L'énergie libérée par la transformation de l'ATP en ADP + P peut servir à activer une réaction endergonique. On représente ce type de réaction où l'une fournit l'énergie nécessaire à l'autre par une double flèche. C'est ce qu'on appelle une réaction couplée : De même, une réaction exergonique peut fournir l'énergie nécessaire pour reformer de l'ATP à partir d'ADP et de P.

28 28 L’ATP est une molécule riche en énergie, c’est à dire possédant des liaisons à haut potentiel d’hydrolyse : c’est l’hydrolyse de ces liaisons qui fournit de l’énergie. Mais, d’autres molécules possèdent de telles liaisons à haut potentiel d’hydrolyse.

29 Réactions non favorisées H 2 O = H 2 + ½ O 2 ∆ R G°(298K)= 237kJ.mol -1 Réaction endergonique Couplage avec une source d’énergie électrique : L’Electrolyse de l’eau Glucose + Pi = Glucose-6-P + H 2 O ∆ R G 1 ’°(298K)= 14kJ.mol -1 Réaction endergonique Couplage chimique: ATP + H 2 O = ADP +Pi + H+ ∆ R G 2 ’°(298K)= - 31kJ.mol -1 Réaction exergonique Glucose + ATP =Glucose-6-P + ADP ∆ R G 3 ’°= ∆ R G 1 ’°+∆ R G 2 ’°= -17kJ.mol -1 Transfert dans les conditions biologiques du groupe phosphoryl de l’ATP au glucose 29

30 30 Il existe d’autres composés cellulaires qui peuvent jouer le même rôle que l’ATP (navette énergétique)

31 Rôle central de l’ATP Extrait p166 biochimie générale Dunod Jacques-Henri Weill Forme phosphoryléeForme déphosphorylée∆ R G’° ( pH=7) kJ.mol -1 phosphoénolpyruvatepyruvate-62 1,3-bisphosphoglycérate3-phosphoglycérate-55 phosphocréatinecréatine-43 ATPADP-30 ADPAMP-30 Glucose-6-phosphateglucose-14 Glucose-1-phosphateglucose-10 31

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33 33

34 Degré d’oxydation 34