Bioénergétique : composés " riches en énergie "
Composés à liaison phosphate
ATP (adénosine triphosphate) : synthèse
Phosphorylation oxydative

Chez les eucaryotes, le processus est localisé en totalité dans les mitochondries, au niveau de la membrane interne (IMM). Chez les procaryotes, il a lieu dans la membrane plasmique.

L'ATP (adénosine triphosphate) est un nucléoside triphosphate composé par :

• 1. une base azotée, ici une base purique, l'adénine,

• 

  2. un pentose, sucre à 5 carbones, le ribose,
• 3. trois groupes phosphate.

On distingue deux sortes de phosphorylations de l'ADP en ATP :

• 1. la phosphorylation au niveau du substrat,
• 2. la phosphorylation oxydative.

Chimiosmose et phosphorylation oxydative

Vue d'ensemble

Au cours du processus de phosphorylation oxydative, des électrons sont transférés de molécules réductrices à des oxydants le long d'une chaîne de transport d'électrons réalisant une cascade de réactions d'oxydoréduction successives qui libèrent progressivement l'énergie des électrons à haut potentiel de transfert des réducteurs oxydés.

1. Cette énergie est utilisée par des pompes à protons pour générer un gradient électrochimique à travers une membrane biologique, i.e. membrane plasmique chez les procaryotes, membrane mitochondriale interne chez les eucaryotes.

La circulation des électrons à travers une chaîne de transport d'électrons, i.e. de la chaîne respiratoire ou de la photosynthèse, est un processus exergonique, i.e. elle libère de l'énergie.

2. Les protons s'accumulent d'un côté de la membrane et créent un gradient électrochimique à travers cette membrane qui correspond à la force proton-motrice (driving force) de la phosphorylation oxydative formée par :

• la différence de concentration en protons entre les deux faces de la membrane, ΔpH, i.e. gradient de concentration en ions H⁺, i.e. différence entre pH_P, le pH algébrique le plus élevé, et PH_N, le pH le plus bas,

Par diffusion, i.e. toutes les particules ont tendance à diffuser d’une concentration plus élevée à une concentration plus faible.

• la différence de potentiel entre les deux faces, Δψ en volt.

3. Le passage des protons de l'autre côté de la membrane pour équilibrer le gradient électrochimique entraîne un rotor moléculaire dans l'ATP synthase qui fournit l'énergie nécessaire à la conversion de l'ADP en ATP.

Force motrice des protons (PMF ou Δp)

La force motrice des protons (PMF ou Δp) est dérivée de l’énergie libre de Gibbs.

$\Delta G =zF\Delta\psi + RTln\dfrac{[X^{z+}]_N}{[X^{z+}]_P}$, équation du système dans laquelle :

• 

  $\Delta G$ est la variation de l’énergie libre de Gibbs par unité de quantité de cations transférés de Pn, i.e. extérieur de,la membrane, à N, intérieur de la membrane,
• $z$ est la charge du cation §X^{z+}$,
• $\Delta\psi$ est le potentiel électrique de N par rapport à P,
• $X^{z+}_P$ et $X^{z+}_N$ , sont les concentrations respectives de P et de N,
• $F$ est la constante de Faraday,
• $R$ est la constante des gaz parfaits,
• $T$ est la température.

1. L’ATP synthase est alimentée par la différence de potentiel électrochimique transmembranaire des protons $\Delta\mu_{H^+}$.

$\Delta\mu_{H^+} = \Delta G = F\Delta\psi + RTln\dfrac{[H^+_N]}{[H^+_P]}$
$= F\Delta\psi - (ln10)RT\Delta pH$

2. Mitchell définit la PMF ou Δp par l'équation : $\Delta p = - \dfrac{\Delta\mu_{H^+}}{F}$

$PMF\,ou\,\Delta p = -F\Delta\psi + 2,3RT \Delta pH$ en J/mol
$PMF\,ou\,\Delta p =-\Delta\psi + 60 \Delta pH$ en mV
$PMF\,ou\,\Delta p = -\dfrac{\Delta\psi}{60mV} + \Delta pH$ en unité de pH

a. Par exemple, dans la mitochondrie, le $\Delta\psi$ est compris entre 150 et 180mV et le $\Delta\pH$ entre 0,5 et 1 unité entre la matrice mitochondriale et l'espace intermembranaire (IMS).

b. Pour l'importation spontanée de protons du côté relativement plus positif et acide vers le côté relativement plus négatif et alcalin, coté matrice, $\Delta\mu_{H^+}$ est négatif, et $\Delta G$ et PMF est positif, de manière similaire au potentiel redox $\Delta E$.

Phosphorylation oxydative dans les mitochondries

La décomposition complète des carburants biologiques tels que les glucides, les peptides et les lipides qui libère de l'énergie pour la synthèse de l'ATP s’appelle la respiration cellulaire et a lieu dans les mitochondries.

1. Les molécules réduites NADH et FADH₂ générées par la glycolyse, la décarboxylation oxydative du pyruvate en acétyl-CoA pour entrer dans le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique), transmettent des électrons à une chaîne de transport d’électrons, la chaîne respiratoire.

Cette chaîne libère l’énergie de l’oxygène pour créer un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne (IMM).

2. L’ATP synthase utilise ensuite l’énergie stockée dans ce gradient pour produire de l’ATP.

Remarque importante : chez les plantes, la production d'ATP par la photosynthèse s'effectue par photophosphorylation qui n'est :

• ni une phosphorylation au niveau du substrat,
• ni une phosphorylation oxydative bien qu'elle utilise l'ATP synthase et un transfert de protons, mais l'énergie initiale provient des photons et non pas des nutriments.

Chaîne respiratoire