CHAPITRE 1: Energie, Anabolisme,Catabolisme
:La classification des êtres vivants est résumée comme suit
les plantes-
les animaux-
:les protistes supérieurs(Eucaryotes) comprennent-
les algues (excepté les algues bleu-vert)
les protozoaires
les champignons
:les protistes inférieurs(Procaryotes)comprennent-
les algues bleu-vert (Cyanophycées)
les bactéries
les virus(organismes non cellulaires)-
.La bioénergétique est la partie de la biochimie qui étudie et explique les mécanismes des transformations (conversion) de l’énergie dans les tissus vivants
Les organismes animaux tirent leur énergie de l’oxydation de matériaux organiques, accumulent des substances de réserve sous forme de graisse ou de glycogène, sont animés de mouvements actifs et sont dépourvus de parois cellulaires. Cependant, les végétaux sont photosynthétiques, utilisant la lumière comme source d’énergie. Ils synthétisent de l’amidon comme réserves nutritives, sont dépourvus de mouvements et possèdent une paroi cellulaire.
La bactérie transforme les aliments qu’elle reçoit en molécules organiques simples et en métabolites intermédiaires(Fig. 1). D’autre part, elle réunit ces métabolites en substances complexes, les macromolécules. Cette biosynthèse nécessite des matériaux organiques simples et l’énergie assurant leur union
:Les besoins énergétiques de la bactérie peuvent être satisfaits
soit par la photosynthèse au cours de laquelle la lumière est utilisée comme source d’énergie (chez les bactéries photosynthétiques)
soit par oxydation des substances chimiques(chez les bactéries chimiosynthétiques)
Métabolisme
Le métabolisme est l’ensemble des transformations moléculaires et des transferts d’énergie qui se déroulent dans l’organisme vivant, il comprend
le catabolisme: c’est la dégradation enzymatique de molécules relativement grosses (glucides, lipides protéines) qui proviennent à la fois du milieu environnant la cellule et aussi de ses propres réserves. Le catabolisme s’accompagne d’une libération d’énergie liée à la structure complexe des grosses molécules
’l'anabolisme:c’est la biosynthèse enzymatique à partir d’éléments simples appelés «précurseurs» de molécules volumineuses entrant dans la composition des cellules et qui sont les macromolécules (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques)
Réactions exergoniques et réactions endergoniques
La réaction est dite exergoniquelorsqu’elle libère de l’énergie
ATP + H2O --- ADP + Pi avec: ΔG’0= -30.5 KJ.mol-1
Elle est dite endergonique, lorsqu’elle ne peut avoir lieu qu’avec un apport énergétique extérieur
.Glucose + Pi --- G6P+ H2O avec: ΔG’0= + 13.8 KJ.mol-1
D’autres par, les réactions biochimiques nécessitent l
intervention de catalyseurs chimiques appelés les enzymes
Elles sont de nature protéique ce qui leur confère une très haute spécificité. Le catalyseur se retrouve intact à la fin de la réaction et il agit à très petite dose et dans les conditions optimales de pH et de température .En outre, les enzymes présentent une ou plusieurs autres fractions, il peut s’agir
soit d’un ion métallique: Fe, Mn, Mg, Cu, ...etc
+soit d’une substance organique comme le NAD
soit des deux associés (Zn, NAD+)
Enzyme = apoenzyme + Coenzyme
Enzyme active - partie protéique inactive - composé minéral ou organique inactif et non spécifique
Réactions d’oxydoréduction
L’oxydation:est une addition d’atomes d’oxygène, ou une perte d’atomes d’hydrogène, ou une perte d’électrons
La réduction:est une perte d’atomes d’oxygène, ou gain d’atomes d’hydrogène, ou gain d’électrons
Une réaction d’oxydoréduction:red1+ ox 2+--- ox 1++ red2
est la somme de 2 demi-réactions, mettant en jeu chacune un couple redox: red1--- ox 1++ -e
e-+ ox 2+--- + red2
Chaque couple redox d’une molécule est composé
d’un réducteur (red), forme la plus riche en e-: c’est un donneur d’e-
et d’un oxydant (ox), forme la plus pauvre en e-: c’est un accepteur d’e-
Au cours de la réaction d’oxydoréduction, des e- sont transférés, du réducteur le plus fort, qui sera oxydé, à l’oxydant qui sera réduit
Le transfert des e- est un processus relâchant de l’énergie. Cette énergie est capturée par une molécule organique, l’adénosine triphosphate (ATP). L’ATP est la source d’énergie biochimique universelle. Elle est commune à toutes les formes de vie. Les réactions impliquées dans sa synthèse sont très variées et notamment chez les bactéries
Structure de l’ATP
L’ATP est constituée d’une base azotée, l’adénine, d’un pentose, le ribose, et de 3 groupes phosphate.
Dans l’ATP:
une liaison ester phosphaterelie le phosphate α à l’oxygène 5’du ribose
une liaison phosphoanhydriderelie les phosphates α et β
une liaison phosphoanhydriderelie les phosphates β et γ
Hydrolyse de l’ATP: chacune des 2 liaisons anhydres riches en énergie peut produire par hydrolyse 7.3 Kcal.mol-1
ATP + H2O --- ADP + H3PO4ΔG’0= -7.3 Kcal.mol-1
ADP + H2O --- AMP + H3PO4ΔG’0= -7.3 Kcal.mol-1
AMP + H2O --- Adénosine + H3PO4ΔG’0= -3.4 Kcal.mol-1
Synthèse de l’ATP: la synthèse de l’ATP est réalisée à partir de l’ADP, réaction inverse de l’hydrolyse
ADP + H3PO4--- ATP + H2OΔG’0= + 7.3 Kcal.mol-1
C’est un processus fortement endergonique correspondant à la création ou mise en réserve d’une liaison riche en énergie
Fonctions de l’ATP: l’ATP joue un rôle central dans les échanges d’énergiede l’organisme
Il est important de noter que l’ATP possède un potentiel de transport du groupement phosphate (ΔG’0) intermédiaire par rapport aux molécules biologiques phosphorylées les plus importantes . Cette position intermédiaire permet à l’ATP de fonctionner efficacement comme transporteur des groupements phosphates
Besoins en éléments nutritifs
Pour se multiplier et construire de nouveaux constituants cellulaires, les microorganismes doivent avoir une source de matériaux de base ou nutriments. 95% du poids sec de la cellule est composé de quelques éléments majeurs: carbone, oxygène, hydrogène, azote, soufre, phosphore, potassium, calcium, magnésium et fer. Les six premiers (C, O, H, N, S, P) sont des constituants des glucides, lipides, protéines et acides nucléiques et sont nécessaires aux microorganismes en quantités importantes. Ils sont appelés macroéléments (ou macronutriments). Le K, Ca, Mg et Fe se trouvent dans la cellule sous forme de cations et jouent plusieurs rôles. Le K est le cofacteur de plusieurs enzymes et notamment celles qui interviennent dans la synthèse protéique. Le Ca possède plusieurs fonctions dont l’une est la contribution à la thermo résistance des endospores bactériennes. Le Mg possède plusieurs fonctions. Il est un cofacteur de plusieurs enzymes, stabilise les ribosomes et la membrane cellulaire...etc. Le Fe est utilisé dans la synthèse des cytochromes et constitue également un cofacteur des enzymes et des protéines transporteuses d’électrons. Les microorganismes ont également besoin de quelques oligoéléments (micronutriments) à l’état de traces, en plus des macroéléments, comme le manganèse, le zinc, le cobalt, le molybdate, le nickel et le cuivre. Ils jouent le rôle de cofacteurs enzymatiques, ils aident au maintien de la structure des protéines, élaboration des substances, d’ATB,de pigments...etc