Tu sais sans doute que le glucose est un composant nutritionnel important de tes aliments. À la même échelle submicroscopique, une autre molécule est tout aussi indispensable à la production d'énergie : L'ATP, ou adénosine triphosphate. Lorsque l'ATP se décompose par hydrolyse, il produit de l'énergie!
Prends maintenant un en-cas pour fournir de l'énergie à tes cellules cérébrales, et explorons l' hydrolyse de l'ATP !
- Tout d'abord, nous examinerons la structure d'une molécule d'ATP.
- Ensuite, nous apprendrons la définition et le mécanisme de l'hydrolyse de l'ATP.
- Ensuite, nous examinerons la réaction impliquée dans l'hydrolyse de l'ATP.
- Enfin, nous explorerons l'énergie libre de l'hydrolyse de l'ATP et nous parlerons également de l'ATP hydrolase.
La molécule d'ATP
Commençons par définir l'ATP.
L'adénosine triphosphate, ou ATP, est une molécule dont le rôle central est de fournir de l'énergie.
La structure de l'ATP se compose d'une adénosine et de trois phosphates (figure 1).
L'adénosine est un nucléoside, c'est-à-dire une molécule contenant un cycle organique avec de l'azote et du sucre.
Lephosphate est un groupe fonctionnel composé d'un atome de phosphate entouré de quatre atomes d'oxygène.
Fig. 1. Structure moléculaire de l'adénosine triphosphate (ATP) et de ses groupes fonctionnels, sous licence CC BY 3.0.
La principale source de synthèse de l'ATP dans les cellules et les organismes vivants est la respiration.
Chez les plantes, l'ATP est également synthétisé au cours de la photosynthèse.
Dans les environnements où il y a peu ou pas d'oxygène, l'ATP peut également être créé par respiration anaérobie, comme la fermentation par les bactéries.
Le terme adénosine te semble-t-il familier ? Tu as peut-être rencontré un terme similaire au cours de tes études sur l'ARN ou l'ADN.
C'est parce que l'ATP est un nucléotide, défini par une base azotée (dans ce cas, l'adénine), un groupe phosphate et un groupe sucre.
Si tu te souviens bien, l'adénine est l'un des quatre éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN. Les trois autres sont la cytosine, la guanine et l'uracile (pour l'ARN) ou la thymine (pour l'ADN). Pourtant, sur le plan fonctionnel, l'ARN et l'ATP sont très différents. Les nucléotides ont acquis la réputation d'être des éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN, tandis que l'ATP est un nucléotide dont la fonction est celle d'une molécule synthétisant de l'énergie.
Définition de l'hydrolyse de l'ATP
Tout comme il faut un effort pour se tenir la main, les liaisons chimiques nécessitent une certaine quantité d'énergie pour être maintenues. Lorsqu'une liaison est rompue, l'énergie nécessaire au maintien de la liaison est désormais "libérée". En d'autres termes, la réaction est exergonique.
Une réaction exergonique est une réaction chimique au cours de laquelle de l'énergie est libérée.
Une réaction endergonique est une réaction chimique où l'énergie est absorbée.
Lesréactions chimiques sont des interactions entre molécules, et la libération de l'énergie de l'ATP ne fait pas exception. Elle a besoin d'un partenaire de réaction : l'eau.
L'hydrolyse est un type de réaction chimique où une liaison moléculaire est rompue par l'eau.
Voyons maintenant la définition de l'hydrolyse de l'ATP.
L'hydrolyse de l'ATP est une réaction chimique au cours de laquelle une liaison phosphate de l'ATP est rompue par l'eau, ce qui libère de l'énergie.
Mécanisme de l'hydrolyse de l'ATP
Pour continuer notre voyage sur l'hydrolyse de l'ATP, examinons son mécanisme. L'ATP stocke et, plus important encore, fournit de l'énergie dans ses liaisons phosphates.
Au cours de l'hydrolyse de l'ATP, la déphosphorylation se produit.
Ladéphosphorylation décrit la rupture d'une liaison phosphate de l'ATP pour libérer de l'énergie, et la perte d'un groupe phosphate.
Plus précisément, elle perd un orthophosphate, c'est-à-dire un seul groupe phosphate non lié. La molécule résultante est appelée adénosine diphosphate ou ADP .
Le préfixe di- signifie deux, comme dans deux phosphates. Le préfixe tri- dans ATP signifie trois, comme dans trois phosphates.
Il convient de noter que l'ADP peut être déphosphorylé par hydrolyse, en une molécule appelée AMP, ou adénosine monophosphate(mono- signifie un, comme dans un phosphate).
Il est intéressant de noter que l'hydrolyse de l'ADP libère encore plus d'énergie ! Alors, pourquoi se préoccuper de l'ATP ?
Il ne semble pas y avoir d'explication connue, mais une théorie suggère que les cellules ont simplement coévolué avec l'ATP, et qu'elles possèdent donc les mécanismes appropriés (molécules, enzymes, récepteurs, etc.) pour utiliser l'ATP comme source d'énergie. L'AMP fournit néanmoins occasionnellement de l'énergie dans des situations spécifiques pour certains organismes !
Équation de l'hydrolyse de l'ATP
L'équation de l'hydrolyse de l'ATP est la suivante :
| ATP | + | H2O | ⇾ | ADP | + | PO43- | + | H+ | + | 30,5 kJ |
| Adénosine triphosphate | Eau | Adénosinediphosphate | Orthophosphate | Hydrogène | Énergie |
Réaction d'hydrolyse de l'ATP
La réaction d'hydrolyse de l'ATP est exergonique, ce qui signifie qu'elle libère de l'énergie. Cette réaction exergonique libère 30,5 kJ par mole d'ATP dans des conditions standard.
Une réaction standard (dans des conditions standard) suppose une quantité égale d'ATP et d'eau. Bien sûr, dans une cellule, il y a beaucoup d'eau et beaucoup moins d'ATP. En corrigeant pour une réaction non standard, la réaction d'hydrolyse de l'ATP a le potentiel de libérer 45 à 75 kJ/mol.
L'inversion de l'hydrolyse de l'ATP est appelée condensation. Puisque l'hydrolyse de l'ATP est une réaction exergonique, l'inverse est clairement une réaction endergonique. Cela signifie qu'il faut ajouter de l'énergie à la réaction pour lier l'orthophosphate à l'ADP. Pendant la condensation, le groupe hydroxyle de l'orthophosphate se détache et se lie à un proton d'hydrogène libre pour former de l'eau.
Énergie libre provenant de l'hydrolyse de l'ATP
Parlons maintenant de l'énergie libre.
L'énergie libre est un terme utilisé en chimie pour décrire la quantité d'énergie disponible pour effectuer un travail.
À 30,5 kJ par mole, la liaison phosphate est considérée comme une liaison à haute énergie parce qu'elle libère beaucoup d'énergie libre ! La liaison elle-même n'est pas spéciale, cependant. L'ATP contient desliaisons phosphoanyhdrides, qui sont des liaisons chimiques entre deux groupes phosphates.
Alors, pourquoi cette liaison est-elle qualifiée de "haute énergie" ? Découvre-le !
Lastructure unique de l'ATP contribue à son efficacité en tant que molécule d'énergie. La chaîne de groupes phosphates de l'ATP, tous chargés à -3, agit comme des aimants de même polarité. Ils exercent des forces répulsives les uns contre les autres, de sorte que lorsqu'une réaction se produit et libère un groupe phosphate, il le libère fortement et volontairement !
De plus, l'hydrolyse de l'ATP augmente l'entropie. Rappelle-toi la deuxième loi de la thermodynamique, qui dit que l'état naturel d'un système fermé favorise l'entropie. L'hydrolyse de l'ATP est donc spontanée.
L'orthophosphate est très stable, plus que l'ATP. Cela implique que le mouvement vers l'avant de la réaction chimique (c'est-à-dire l'hydrolyse de l'ATP, et non la condensation) est favorisé.
L'orthophosphate a quatre oxygènes liés à son atome de phosphore central. L'une de ces liaisons est une double liaison qui est mobile et peut sauter entre les atomes d'oxygène (Fig. 2). La double liaison mobile réarrange la distribution des charges et rend l'orthophosphate moins enclin à former ou à reformer des liaisons phosphoanhydrides.
Outre la répartition de l'énergie, l'hydrolyse de l'ATP produit également un groupe phosphate. Ce groupe phosphate détaché ne se perd pas, il est recyclé lors de la synthèse de l'ATP !
Au cours de l'étape de la glycolyse, un groupe phosphate libre se fixe sur le glucose pour devenir du glucose phosphorylé. Le groupe phosphate sert à étiqueter la molécule de glucose pour qu'elle avance pendant la synthèse de l'ATP.
ATP hydrolase (ATPase)
Si l'hydrolyse de l'ATP est une réaction spontanée, tu imagines peut-être un torrent d'ATP produit par l'hydrolyse. Les cellules sont pleines d'eau, après tout ! Mais ce n'est pas le cas. L'hydrolyse de l'ATP dans les cellules nécessite souvent un catalyseur, comme une enzyme.
L'ATPhydrolase, ou ATPase, est un groupe d'enzymes qui catalysent l'hydrolyse de l'ATP.
L'utilisation de l'ATP hydrolase permet de contrôler le moment et le lieu de l'hydrolyse de l'ATP. Le couplage énergétique est la combinaison de deux réactions, dans laquelle la réaction produisant de l'énergie alimente une seconde réaction. L'hydrolyse de l'ATP, la réaction exergonique, est souvent couplée à une réaction endergonique qui assure une fonction cellulaire vitale.
Sans couplage énergétique, l'hydrolyse de l'ATP se produirait sans but ! Presque toute l'énergie produite serait convertie en énergie thermique.
L'énergie thermique est importante car elle permet aux cellules et aux organismes de réguler leur propre température. Pourtant, l'énergie a régulièrement besoin d'être dirigée et convertie pour remplir une fonction spécifique. Au lieu de la chaleur, l'énergie peut être utilisée pour effectuer un mouvement, pour créer des molécules ou pour le stockage.
Voici quelques exemples de couplage d'énergie qui utilisent l'hydrolyse de l'ATP :
Contraction musculaire: Dans les muscles, l'ATP se lie à la protéine de contraction qu'est la myosine. Cela déclenche le déplacement de la myosine, ce qui contracte le muscle.
Anabolisme: Parfois, une cellule a besoin d'assembler des molécules. Pour ce faire, elle doit former des liens entre les molécules, ce qui nécessite l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP.
Transport d'ions: L'exemple type est la pompe sodium-potassium, une protéine de la membrane cellulaire. L'ATP fournit de l'énergie à cette protéine pour qu'elle déplace activement le sodium ou le potassium, contre son gradient de concentration.
Hydrolyse de l'ATP - Principaux enseignements
L'adénosine triphosphate, ou ATP, est une molécule dont le rôle central est de fournir de l'énergie. La structure de l'ATP se compose d'une adénosine et de trois phosphates.
L'hydrolyse est un type de réaction chimique au cours de laquelle une liaison moléculaire est rompue par l'eau.
L'hydrolyse entraîne la déphosphorylation de l'ATP, c'est-à-dire la perte d'un phosphate, ce qui libère de l'énergie.
L'ATP Hydrolase, ou ATPase, est un groupe d'enzymes qui catalysent l'hydrolyse de l'ATP.
Le couplage énergétique est la combinaison de deux réactions, l'une exergonique et l'autre endergonique. L'hydrolyse de l'ATP se couple aux fonctions cellulaires vitales pour leur fournir de l'énergie.
Références
- Fig 1. 230 Structure de l'adénosine triphosphate (ATP)-01 (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/230_Structure_of_Adenosine_Triphosphate_%28ATP%29-01.jpg) par OpenStax College sous licence CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)
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