Couplage énergétique

Définition

Un couplage énergétique est une association de deux réactions enzymatiques, l'une exergonique, l'autre endergonique, grâce à laquelle l'énergie libérée par la première peut être directement transmise à la seconde au lieu d'être perdue sous forme de chaleur.

Un couplage énergétique :

Une réaction couplée est l'endroit où une réaction catabolique entraîne une réaction anabolique, généralement avec l'ATP comme intermédiaire. L'énergie libérée par la première réaction permet la formation d'ATP à partir d'ADP et de P. La deuxième réaction est alors entraînée par l'hydrolyse (dégradation) de l'ATP, qui libère de l'énergie.

Explications

Lors d'un couplage énergétique, les cellules couplent la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP avec des réactions endergoniques pour exploiter l'énergie dans les liaisons de l'ATP. Le couplage énergétique intervient lorsque l'énergie produite par une réaction ou un système est utilisée pour entraîner une autre réaction ou un autre système.

Le couplage énergétique intervient lorsque l'énergie produite par une réaction ou un système est utilisée pour piloter une autre réaction ou un autre système. Il est endergonique si la réaction absorbe l'énergie (chaleur) de son environnement, ou exergonique si la réaction libère de l'énergie.

⭐ L'addition de phosphate à un sucre est une réaction courante qui survient dans une cellule. En soi, ce processus n'est pas très favorable sur le plan énergétique (c'est-à-dire qu'il a besoin d'un apport d'énergie pour exister). Les cellules surmontent cet obstacle énergétique en utilisant l'ATP pour "conduire" la réaction. L'énergie nécessaire pour conduire les réactions est récoltée dans des conditions très contrôlées aux confins d'une enzyme. Cela implique un processus appelé "couplage". Dans les réactions de couplage bioénergétique, une enzyme lie à la fois une molécule de haute énergie (généralement l'ATP) et la ou les autres molécules impliquées dans la réaction. L'hydrolyse de l'ATP fournit de l'énergie à l'enzyme pour stimuler la réaction sur l'autre ou les autres substances.

✅ L'hexokinase, par exemple, catalyse la phosphorylation du glucose pour former du glucose-6-phosphate. En l'absence d'ATP, la réaction a un ΔG °' assez positif (décrit plus loin), mais l'hydrolyse de l'ATP fournit un excès d'énergie, donnant à la réaction couplée une valeur ΔG °' assez négative.

ATP et couplage énergétique

Quelle quantité exacte d'énergie libre (∆G) est libérée avec l'hydrolyse de l'ATP, et comment cette énergie libre est-elle utilisée pour effectuer le travail cellulaire ? Le ∆G calculé pour l'hydrolyse d'une mole d'ATP en ADP et P_i est de -7,3 kcal/mole (-30,5 kJ/mol). Cependant, cela n'est vrai que dans des conditions standard, et le ∆G pour l'hydrolyse d'une mole d'ATP dans une cellule vivante est presque le double de la valeur dans des conditions standard : 14 kcal/mol (−57 kJ/mol).

L'ATP est une molécule très instable. À moins d'être rapidement utilisé pour effectuer un travail, l'ATP se dissocie spontanément en ADP + P_i, et l'énergie libre libérée pendant ce processus est perdue sous forme de chaleur. Pour exploiter l'énergie dans les liaisons de l'ATP, les cellules utilisent une stratégie appelée couplage énergétique.

Dans les pompes sodium-potassium

Les cellules couplent la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP avec les réactions endergoniques des processus cellulaires. Par exemple, les pompes à ions transmembranaires dans les cellules nerveuses utilisent l'énergie de l'ATP pour pomper les ions à travers la membrane cellulaire et générer un potentiel d'action. La pompe sodium-potassium (pompe Na⁺/K⁺) chasse le sodium hors de la cellule et le potassium dans la cellule. Lorsque l'ATP est hydrolysé, il transfère son phosphate gamma à la protéine de la pompe dans un processus appelé phosphorylation. La pompe Na⁺/K⁺ gagne l'énergie libre et subit un changement de conformation, lui permettant de libérer trois Na⁺ à l'extérieur de la cellule. Deux K⁺ extracellulaires, les ions se lient à la protéine, ce qui fait que la protéine change à nouveau de forme et décharge le phosphate. En donnant de l'énergie libre à la pompe Na⁺/K⁺, la phosphorylation entraîne la réaction endergonique.

Dans le métabolisme

Au cours des réactions métaboliques cellulaires, ou de la synthèse et de la dégradation des nutriments, certaines molécules doivent être légèrement modifiées dans leur conformation pour devenir des substrats pour la prochaine étape de la série de réactions. Dans les toutes premières étapes de la respiration cellulaire, le glucose est décomposé par le processus de glycolyse. L'ATP est nécessaire pour la phosphorylation du glucose, créant un intermédiaire de haute énergie mais instable. Cette réaction de phosphorylation provoque un changement de conformation qui permet aux enzymes de convertir la molécule de glucose phosphorylée en fructose de sucre phosphorylé. Le fructose est un intermédiaire nécessaire à la glycolyse pour progresser. Dans cet exemple, la réaction exergonique d'hydrolyse de l'ATP est couplée à la réaction endergonique de conversion du glucose pour une utilisation dans la voie métabolique.

Exemple

Un exemple de couplage énergétique utilisant l'ATP implique une pompe ionique transmembranaire extrêmement importante pour la fonction cellulaire. Cette pompe sodium-potassium (pompe Na⁺/K⁺) chasse le sodium hors de la cellule et le potassium dans la cellule. Un pourcentage important de l'ATP d'une cellule est utilisé pour alimenter cette pompe, car les processus cellulaires apportent une grande quantité de sodium dans la cellule et de potassium hors de la cellule.

La pompe travaille constamment à stabiliser les concentrations cellulaires de sodium et de potassium. Pour que la pompe effectue un cycle (exportant trois ions Na⁺ et important deux ions K⁺), une molécule d'ATP doit être hydrolysée. L'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP est couplée à l'énergie nécessaire pour alimenter la pompe et transporter les ions Na⁺ et K⁺. L'ATP effectue un travail cellulaire en utilisant cette forme fondamentale de couplage énergétique par phosphorylation.

Les transferts de groupes ATP impliquent le transfert covalent d'une partie de la molécule d'ATP vers un substrat (par exemple un site actif enzymatique), ce qui rend les réactions métaboliques ultérieures impliquant ce substrat plus favorables sur le plan thermodynamique. Les substrats sont généralement couplés à des réactions biologiques qui présentent un changement d'énergie libre standard positif important.

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