Fiche de révision : Thermodynamique et enzymologie biochimique

📋 Plan du Cours

1. Énergie et systèmes thermodynamiques
2. Principes et enthalpie libre
3. Équilibre et réactions métaboliques
4. État stationnaire et couplage énergétique
5. Catalyse enzymatique
6. Cinétique enzymatique
7. Régulation et isoenzymes
8. Régulation et inhibition enzymatiques
9. Allostérie et phosphorylase musculaire
10. Transferts d’électrons et photosynthèse
11. Glycolyse et fermentations
12. Cycle de Krebs et acétyl-CoA
13. Chaîne respiratoire et ATP

📖 1. Énergie et systèmes thermodynamiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : Ensemble des réactions dans lesquelles protéines, glucides, lipides et autres métabolites assurent les échanges d’énergie entre le milieu environnant et l’intérieur de l’organisme vivant.

★ À maîtriser

📌 Un système ouvert échange de la matière et de l’énergie avec son environnement, un système fermé échange seulement de l’énergie, et un système isolé n’échange ni matière ni énergie.

• La cellule est l’unité fonctionnelle de tout être vivant et échange de l’énergie et de la matière avec son environnement grâce à des réactions chimiques.

• L’ATP est nécessaire notamment pour: la contraction musculaire, les déplacements cellulaires, la synthèse de macromolécules, la génération d’un potentiel de membrane neuronal

Compléments

📌 Les organismes phototrophes captent l’énergie lumineuse par photosynthèse, tandis que les organismes chimiotrophes utilisent l’énergie chimique contenue dans des substrats carbonés réduits.

💡 Astuce mémo

Ouvert échange matière et énergie ; fermé échange seulement l’énergie ; isolé n’échange rien

📖 2. Principes et enthalpie libre

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : Mesure du désordre d’un système et augmente lorsque le désordre augmente.

📝 Points essentiels

📌 Le premier principe de la thermodynamique affirme que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, de sorte que l’énergie totale d’un système et de son milieu extérieur reste constante, même si elle se convertit d’une forme à une autre.

📌 Le deuxième principe affirme qu’un processus ne peut se produire spontanément que si l’entropie du système et de son environnement augmente.

📐 Formule — La variation d’enthalpie libre de Gibbs vérifie $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, où ΔH est la variation d’enthalpie, T la température et ΔS la variation d’entropie.

📌 Une réaction exergonique possède une variation d’enthalpie libre négative, tandis qu’une réaction endergonique possède une variation d’enthalpie libre positive dans le sens considéré.

💡 Astuce mémo

Désordre accru → entropie augmentée → évolution spontanée d’un système isolé

📖 3. Équilibre et réactions métaboliques

★ À maîtriser

📌 Une réaction évolue spontanément de A vers B lorsque ΔG est négatif dans ce sens, tandis qu’à l’équilibre ΔG est nul.

📌 Une réaction irréversible est fortement éloignée de l’équilibre et évolue spontanément dans un seul sens, tandis qu’une réaction réversible est proche de l’équilibre et peut changer de sens selon les concentrations.

• Les conditions standard biochimiques utilisent un pH de 7, une concentration en protons de 10-7 molaires et une concentration d’eau considérée comme constante ; la variation correspondante est notée ΔG°’.

Compléments

• Les conditions standard des chimistes comprennent une pression d’une atmosphère, une température de 25 degrés Celsius, soit 298 degrés Kelvin, et une concentration des solutés de 1 molaire, correspondant à un pH égal à zéro.

📐 Formule — À l’équilibre, la relation entre la variation d’enthalpie libre standard et les concentrations s’écrit $RT\times\log\left(\frac{B}{A}\right)=-\Delta G^\circ$.

💡 Astuce mémo

ΔG négatif : exergonique et spontané ; ΔG positif : endergonique et non spontané dans ce sens

📖 4. État stationnaire et couplage énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• État stationnaire : Situation dans laquelle les conditions restent relativement stables alors que l’organisme demeure éloigné de l’équilibre thermodynamique et consomme continuellement de l’énergie.

★ À maîtriser

📌 Le couplage énergétique permet à une réaction endergonique de se produire lorsqu’elle est associée à une réaction exergonique telle que la somme de leurs variations d’enthalpie libre soit négative : $\Delta G_1+\Delta G_2<0$.

• Dans le couplage avec l’hydrolyse de l’ATP, l’ATP perd un groupement phosphate et devient de l’ADP et du phosphate libre, puis le phosphate se fixe temporairement au substrat de la réaction endergonique.

📌 Le catabolisme dégrade les nutriments et produit des transporteurs d’énergie activés, tandis que l’anabolisme utilise ces transporteurs pour réaliser des synthèses énergétiquement défavorables.

Compléments

• L’adénosine est composée d’une base adénine liée à un ribose portant trois groupements phosphate en positions alpha, bêta et gamma.

💡 Astuce mémo

Catabolisme exergonique → ATP et transporteurs activés → anabolisme endergonique

📖 5. Catalyse enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie libre d’activation : Énergie que les substrats doivent absorber pour atteindre un état de transition instable permettant la modification de leurs liaisons.

• Site actif : Zone de l’enzyme où le substrat se lie temporairement et où se déroule la catalyse.

★ À maîtriser

📌 Une enzyme accélère une réaction en diminuant l’énergie d’activation et en stabilisant l’état de transition, sans modifier l’état d’équilibre ni la variation d’enthalpie libre ΔG.

• 🔄 Le cycle catalytique comprend: la disponibilité de l’enzyme et du substrat, la liaison du substrat à l’enzyme, la transformation du substrat en produits dans le site actif, la libération des produits

Compléments

• Selon le postulat de Linus Pauling de 1948, l’affinité d’une enzyme pour le complexe activé diminue l’énergie de ce complexe et donc l’énergie d’activation.

• La pepsine a un pH optimum de 2, la trypsine un pH optimum de 6 et le lysozyme un pH optimum de 5.

💡 Astuce mémo

Substrat lié → état de transition stabilisé → produit libéré

📖 6. Cinétique enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse de réaction : Dérivée de la concentration en produit par rapport au temps.

• Constante de Michaelis : Concentration de substrat caractéristique d’un couple enzyme-substrat et s’apparente à l’inverse de l’affinité de l’enzyme pour son substrat.

📝 Points essentiels

• 🔄 La mesure de la vitesse initiale consiste à: choisir une concentration en substrat, tracer l’évolution du produit au cours du temps, mesurer la pente de la tangente à l’origine, répéter l’expérience avec d’autres concentrations en substrat

📐 Formule — Pour une réaction d’ordre simple, la vitesse initiale vérifie $V_0=k[S_0]^\alpha$, où α est l’ordre de la réaction.

📌 Une réaction enzymatique est d’ordre 1 aux faibles concentrations en substrat, puis tend vers l’ordre 0 aux fortes concentrations lorsque l’enzyme est saturée.

• Lorsque la concentration en substrat est égale à KM, le taux de saturation de l’enzyme est de 50 % et la vitesse vaut Vmax/2.

📐 Formule — La vitesse maximale vérifie $V_{max}=k_{cat}\times[E_T]$, où kcat mesure le nombre de cycles catalytiques par seconde.

💡 Astuce mémo

Faible [S] : ordre 1 ; forte [S] : saturation et ordre 0

📖 7. Régulation et isoenzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isoenzyme : Forme enzymatique issue d’un gène différent qui catalyse la même réaction qu’une autre forme, avec des paramètres de réglage ou de contrôle différents.

★ À maîtriser

📌 Dans une voie métabolique, le contrôle de l’enzyme catalysant la première étape irréversible peut suffire à contrôler toute la voie.

Compléments

• Les isoenzymes peuvent différer par:

  • leur affinité pour le substrat ou le produit
  • leur efficacité catalytique
  • leur mode de régulation
  • leur expression tissulaire

• La lactate déshydrogénase possède cinq isoenzymes tissulaires différentes, formées par l’assemblage de sous-unités H ou M en tétramères.

💡 Astuce mémo

Isoenzymes : gènes différents ; isoformes : même gène modifié après traduction

📖 8. Régulation et inhibition enzymatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Isoenzymes : Catalysent une même réaction mais possèdent des paramètres de réglage et de contrôle différents, proviennent de gènes différents et ont souvent une composition différente en sous-unités.

★ À maîtriser

• Le contrôle de l’activité de l’enzyme catalysant la première étape irréversible et fortement exergonique d’une voie métabolique suffit généralement à contrôler l’ensemble de cette voie.

📌 L’inhibition compétitive implique une molécule ressemblant au substrat qui se fixe au site actif, augmente le KM sans modifier la Vmax et peut être levée par une augmentation de la concentration en substrat.

📌 L’inhibition non compétitive résulte de la fixation de l’inhibiteur sur un site différent du site actif, diminue le kcat et la Vmax sans modifier le KM, et n’est pas levée par un excès de substrat.

Compléments

• La lactate déshydrogénase possède cinq isoenzymes tissulaires formées de sous-unités H et M assemblées en tétramères, de H4 dans le cœur à M4 dans le foie et le muscle.

📌 L’aspirine inhibe irréversiblement la cyclooxygénase en liant covalemment son acétate à une sérine située à l’entrée du canal hydrophobe de l’enzyme, et l’inhibition cesse seulement après synthèse de nouvelles cyclooxygénases.

💡 Astuce mémo

Compétitive : site actif et KM ; non compétitive : autre site et Vmax

📖 9. Allostérie et phosphorylase musculaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Régulation allostérique : Concerne généralement des enzymes multimériques possédant, sur chaque sous-unité, un site distinct du site actif où se fixe un ligand signalant l’état métabolique de la cellule.

📝 Points essentiels

📌 Les enzymes allostériques de type K modifient leur KM et donc l’interaction enzyme-substrat, tandis que les enzymes de type V modifient leur Vmax.

📌 Dans le modèle allostérique, l’état T correspond à une enzyme contrainte à KM élevé, tandis que l’état R correspond à une enzyme relâchée à KM bas.

• Dans le muscle, la phosphorylase b non phosphorylée favorise l’état T et est moins active, tandis que la phosphorylase a phosphorylée sur la sérine 14 favorise l’état R et est plus active.

• 🔄 La régulation de la phosphorylase musculaire suit cette séquence:

  1. L’augmentation de l’AMP favorise le passage de la forme b de l’état T à l’état R
  2. L’adrénaline peut favoriser la phosphorylation en forme a
  3. Le glucose-6-phosphate ramène l’enzyme vers l’état T après l’effort
  4. La déphosphorylation restaure la forme b

💡 Astuce mémo

AMP augmente → état R → phosphorylase active ; ATP ou glucose-6-phosphate → état T → activité diminuée

📖 10. Transferts d’électrons et photosynthèse

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioénergétique : Partie du métabolisme qui étudie l’approvisionnement, l’utilisation et les transferts d’énergie dans la cellule.

★ À maîtriser

• Les lipides fournissent environ 38 kJ/g, tandis que les glucides et les protéines fournissent environ 17 kJ/g, car les lipides contiennent un carbone plus réduit.

📌 Le catabolisme oxyde les nutriments, libère de l’énergie et fournit des précurseurs réduits, tandis que l’anabolisme synthétise des molécules complexes et nécessite de l’énergie et des électrons.

• Au cours du catabolisme, le NAD+, le FAD et le NADP+ sont réduits respectivement en NADH, FADH2 et NADPH ; le NADPH sert principalement aux réactions réductrices de l’anabolisme.

• 🔄 La photosynthèse comprend deux phases:
  1. La phase lumineuse utilise la lumière et l’eau
  2. La phase lumineuse produit de l’ATP, du NADPH, des protons et du dioxygène
  3. La phase sombre utilise le CO2, l’ATP et le NADPH
  4. Le cycle de Calvin-Benson produit des sucres

Compléments

• Le NAD+ est un transporteur universel d’électrons dont le potentiel redox est d’environ -0,32 V, ce qui en fait un réducteur puissant lorsqu’il est converti en NADH.

💡 Astuce mémo

NAD+/FAD/NADP+ réduits → transfert d’électrons → accepteur final ou biosynthèse

📖 11. Glycolyse et fermentations

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycolyse : Voie métabolique cytoplasmique universelle qui oxyde partiellement le glucose en pyruvate et peut fonctionner avec ou sans dioxygène.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le bilan de la glycolyse est : $\text{glucose} + 2\,\text{NAD}^+ + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{P}_{i} \rightarrow 2\,\text{pyruvate} + 2\,\text{NADH} + 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{ATP} + 2\,\text{H}_2\text{O}$.

• En absence de dioxygène, le NADH réduit le pyruvate en lactate grâce à la lactate déshydrogénase, ce qui régénère le NAD+ nécessaire à la poursuite de la glycolyse.

Compléments

• Dans la fermentation alcoolique, le pyruvate est d’abord converti en acétaldéhyde, puis l’acétaldéhyde est réduit en éthanol par le NADH afin de régénérer le NAD+.

💡 Astuce mémo

Avec O2 : pyruvate vers mitochondrie ; sans O2 : pyruvate réduit pour régénérer le NAD+

📖 12. Cycle de Krebs et acétyl-CoA

🔑 Notions clés & Définitions

• Acétyl-CoA : Transporteur activé d’un groupe acétyle à deux carbones et constitue le point d’entrée central du métabolisme des nutriments en aérobiose.

📝 Points essentiels

• Pour chaque acétyl-CoA, le cycle produit:

  • 3 NADH
  • 1 FADH2
  • 1 GTP convertible en ATP
  • 2 CO2

• Le cycle de l’acide citrique oxyde complètement les carbones du glucose en CO2 et ne fonctionne qu’en présence de dioxygène.

• Lors de la bêta-oxydation, un acyl-CoA perd à chaque tour deux carbones sous forme d’acétyl-CoA et réduit un NAD+ et un FAD ; un acyl-CoA initialement composé de 2n carbones fournit finalement n acétyl-CoA.

💡 Astuce mémo

Glucose → pyruvate → acétyl-CoA → cycle de Krebs → CO2 et transporteurs réduits

📖 13. Chaîne respiratoire et ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Phosphorylation oxydative : Synthèse d’ATP couplée à l’oxydation du NADH et du FADH2 par le dioxygène dans la chaîne respiratoire mitochondriale.
• Théorie chimio-osmotique : Selon la théorie chimio-osmotique de Mitchell, l’énergie libérée par l’oxydation du NADH et du FADH2 pompe des protons vers l’espace intermembranaire, puis le gradient protonique permet à l’ATP synthase de produire de l’ATP.

★ À maîtriser

• Dans la chaîne respiratoire, les électrons du NADH et du FADH2 passent par des complexes de la membrane mitochondriale interne, le dioxygène est réduit en eau et les complexes 1, 3 et 4 pompent des protons vers l’espace intermembranaire.

• La production théorique d’ATP par molécule de glucose est de 38 ATP, mais le rendement réel est généralement de 30 à 34 ATP en raison de dissipations d’énergie dans la chaîne respiratoire.

Compléments

📌 Sans accepteur final d’électrons, la chaîne respiratoire ne fonctionne pas, le pompage des protons cesse et aucune synthèse importante d’ATP par phosphorylation oxydative ne peut avoir lieu.

💡 Astuce mémo

Oxydation du NADH/FADH2 → pompage des protons → gradient → ATP synthase → ATP

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes thermodynamiques

Isoenzymes et isoformes