Fiche explicative de la leçon: Énergie et ATP Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure de l’ATP, comment il est synthétisé et hydrolysé, et quelles propriétés en font un composant essentiel des processus cellulaires.

Tous les êtres vivants ont besoin d’un apport continu d’énergie pour fonctionner. L’adénosine triphosphate, mieux connue sous le nom d’ATP, est la principale molécule responsable du stockage à court terme et du transfert d’énergie dans les cellules. Quelle que soit la source d’énergie qui entre dans un organisme, qu’il s’agisse de glucides, de lipides ou de protéines, elle sera utilisée pour générer de l’ATP, afin de couvrir tous les besoins énergétiques immédiats de la cellule vivante. Chaque jour, notre corps synthétise et décompose l’équivalent de son poids en ATP. Donc, si vous pesez environ50 kilogrammes, en unjour, vous utiliseriez environ50 kg d’ATP.

Bien que l’ATP soit une petite molécule relativement simple, ses liaisons contiennent suffisamment d’énergie pour effectuer tous les types de travail cellulaire. L’ATP est parfois appelée la devise énergétique primaire des cellules, car tout comme les gens échangent de l’argent contre les objets dont ils ont besoin, l’ATP permet de stocker l’énergie nécessaire pour effectuer les réactions cellulaires. Quand bien même l’ATP peut être utilisée pour stocker de l’énergie dans la cellule, puisqu’elle est constamment décomposée et reformée, il s’agit plutôt d’une source d’énergie immédiate qu’à long terme.

L’ATP est un nucléotide, ce qui peut paraître surprenant. Nous entendons plus souvent le terme nucléotide lorsque nous parlons de génétique et de molécules comme l’ADN. Cependant, ceci est un peu restrictif, car les nucléotides sont plus que de l’ADN ; ce sont les unités de base des acides nucléiques. Les nucléotides sont de petites unités moléculaires basiques qui peuvent se lier pour former des molécules plus grandes et complexes. Ainsi, l’ATP, l’ADN et l’ARN sont tous des nucléotides.

Tous les nucléotides ont une structure spécifique composée de trois sous-unités moléculaires : une base contenant de l’azote, un sucre à cinq atomes de carbone (ribose ou désoxyribose) et au moins un groupe phosphate. Connaissant le nom complet de l’ATP, l’adénosine triphosphate, et la structure typique d’un nucléotide, nous pouvons déduire certaines choses sur la structure de l’ATP. Vous pouvez voir la structure d’un nucléotide typique sur la figure 1.

Le mot adénosine nous indique que la base azotée présente dans l'ATP est l'adénine, et le mot triphosphate indique le nombre de groupes phosphates ; le préfixe tri- signifie « trois ». Ainsi, sur la figure 2, dans la structure schématique de l’ATP, nous voyons une base azotée adénine, un sucre ribose à cinq atomes de carbone et trois groupes phosphate.

Les trois groupes phosphate sont liés les uns aux autres par des liaisons de haute énergie qui peuvent être facilement rompues. C’est dans ces liaisons entre les trois groupes phosphate que la véritable source d’énergie de l’ATP est stockée. Lorsque de l’énergie est immédiatement requise, la liaison covalente entre les deuxième et troisième groupes phosphate de l’ATP, représentée sur la figure 3, est rompue.

Exemple 2: Identifier la source d’énergie dans les liaisons chimiques de l’ATP

La fonction principale de l’ATP est d’agir comme source d’énergie pour les processus cellulaires. Voici un schéma simple de la structure d’une molécule d’ATP. Quelle liaison se rompt pour libérer l’énergie stockée ? 

Réponse

Tous les nucléotides ont une structure spécifique composée de trois sous-unités moléculaires : une base contenant de l’azote, un sucre à cinq atomes de carbone (ribose ou désoxyribose) et au moins un groupe phosphate. L’ATP est un nucléotide constitué d’une base azotée adénine combinée à un sucre ribose et trois groupes phosphate. Connaissant le nom complet de l’ATP, l’adénosine triphosphate, et la structure typique d’un nucléotide, nous pouvons déduire certaines choses sur la structure de l’ATP.

Les liaisons entre les groupes phosphate sont des liaisons de haute énergie qui, lorsqu’elles sont rompues, libèrent suffisamment d’énergie pour alimenter différentes réactions. Ainsi, lorsque la cellule a immédiatement besoin d’énergie, la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate (indiquée par le numéro 1 sur le schéma de l’ATP ci-dessous) est rompue pour libérer l’énergie nécessaire. Cela signifie que c’est la liaison chimique entre les deuxième et troisième groupes phosphate de l’ATP qui est la véritable source d’énergie dans l’ATP. Lorsque de l’énergie est immédiatement requise, la liaison covalente est rompue entre le groupe phosphate du milieu et celui situé le plus loin du ribose dans l’ATP. La liaison rompue est indiquée par le numéro 1 sur le schéma.

Par conséquent, pour que l’ATP agisse comme source d’énergie pour les processus cellulaires, la liaison qui se rompt pour libérer l’énergie stockée est indiquée par le numéro 1 sur la figure.

Étudions de plus près la réaction qui rompt les liaisons entre les groupes phosphate.

Lorsque de l’énergie est nécessaire immédiatement dans la cellule, la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate est rompue pour convertir l’ATP en adénosine diphosphate (ADP) et en un groupe phosphate inorganique. Cette rupture de la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate dans l’ATP est appelée hydrolyse, car elle consomme une molécule d’eau, comme le montre la figure 4.

L’hydrolyse de l’ATP produit de l’ADP et un groupe phosphate inorganique et libère de l’énergie. Le mot hydrolyse contient le préfixe hydro -, qui signifie « eau », et le terme lyse, qui signifie « séparation ». Pendant l’hydrolyse, l’eau est fractionnée, ce qui provoque la libération d’un atome d’hydrogène () et un groupe hydroxyle ().

La structure de l’ADP est la même que celle de l’ATP, sauf que l’ADP possède un groupe phosphate en moins à son extrémité. Le mot diphosphate, qui contient le préfixe di -, indique les deux groupes phosphate dans l’ADP. L’élimination d’un groupe phosphate de l’ATP est catalysée par l’enzyme ATP hydrolase.

Pendant l’hydrolyse, seul le groupe phosphate extérieur est habituellement éliminé de l’ATP pour libérer l’énergie nécessaire à une réaction. Le groupe phosphate libéré est appelé phosphate inorganique, un autre nom pour un phosphate libre dans la cellule, et est symbolisé par . La conversion d’ATP en ADP fournit environ7‎ ‎300 calories par mole d’ATP, à peu près la même quantité d’énergie que celle contenue dans une seule cacahuète.

Lors de l’hydrolyse de l’ATP en ADP et , l’énergie libérée est perdue sous forme de chaleur (énergie thermique), à moins qu’elle ne soit utilisée rapidement. Pour éviter cette perte, l’hydrolyse de l’ATP est couplée à d’autres réactions nécessitant de l’énergie dans la cellule. De cette façon, l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP peut être utilisée pour alimenter d’autres réactions dans la cellule, plutôt que d’être perdue sous forme de chaleur.

Le phosphate inorganique qui est libéré par l’hydrolyse de l’ATP ne reste pas libre dans la cellule, mais est plutôt utilisé à bon escient. Ce phosphate inorganique peut se lier à d’autres molécules dans la cellule lors d’un processus appelé phosphorylation. L’addition d’un autre phosphate à d’autres molécules peut rendre le composé plus réactif.

Bien que l’ATP soit décomposé en continu pour utiliser l’énergie libérée lors de l’hydrolyse et le groupe phosphate inorganique, il est constamment réapprovisionné. Une telle régénération de l’ATP est importante, car les cellules ont tendance à utiliser l’ATP très rapidement et comptent sur ce stock d’ATP constamment réapprovisionnée pour alimenter la cellule.

L’ATP est facilement resynthétisée lors d’une réaction de condensation qui ajoute un groupe phosphate inorganique à l’ADP. En règle générale, une réaction de condensation (également appelée réaction de déshydratation) est une réaction qui lie deux molécules par une liaison chimique et mène à la formation d’une molécule d’eau, comme le montre la figure 4. Ainsi, l’eau qui a été perdue lors de l’hydrolyse de l’ATP est reformée lorsqu’un troisième groupe phosphate est ajouté à la molécule d’ADP. L’addition d’un troisième groupe phosphate à l’ADP est catalysée par l’enzyme ATP synthase. Si l’addition d’un groupe phosphate à une autre molécule ressemble beaucoup au processus de phosphorylation, qui a été discuté plus tôt, c’est parce que c’est le cas. Étant donné que l’ATP est produite par l’addition d’un groupe phosphate à l’ADP, l’ATP peut être considérée comme un nucléotide phosphorylé.

Chez les plantes, l’ATP est synthétisée dans les cellules chlorophylliennes pendant la photosynthèse par photophosphorylation. Dans les cellules végétales et animales, l’ATP est également régénérée pendant la respiration. L’ATP peut aider à alimenter les réactions, mais ce n’est pas une molécule de stockage de l’énergie chimique. Bien que les sucres à six atomes de carbone comme le glucose soient considérés comme d’excellents sites de réserve à long terme de l’énergie pour la cellule, ils mettent beaucoup de temps (et d’énergie) à se décomposer. Ainsi, pour avoir un accès rapide à l’énergie, les cellules peuvent convertir le glucose en ATP pendant la respiration cellulaire afin d’avoir un accès plus immédiat à l’énergie stockée.

Exemple 3: La différence entre la décomposition et la synthèse de l’ATP

Ce schéma donne un aperçu de la relation entre l’ATP et l’ADP.

1. Quel est le type de réaction X ? 
   1. l’hydrolyse
   2. la condensation
   3. la réduction
   4. l’oxydation
   5. la polymérisation
2. Quel est le type de réaction Y ? 
   1. la condensation
   2. l’hydrolyse
   3. la réduction
   4. l’oxydation
   5. la monomérisation

Réponse

Le schéma figurant dans la question illustre la relation entre la synthèse et la décomposition de l’ATP. La première flèche (pointant vers le bas) indique la réaction qui convertit l’ATP en ADP, qui est une réaction d’hydrolyse. La deuxième flèche (pointant vers le haut) indique la réaction qui resynthétise l’ADP en ATP, qui est une réaction de condensation.

Partie 1

Lorsque la cellule a besoin immédiatement d’énergie, l’ATP peut être converti en ADP et en un groupe phosphate inorganique. La rupture de la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate transforme l’ATP en adénosine diphosphate (ADP) et en un groupe phosphate inorganique. Une telle rupture de la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate dans l’ATP est appelée hydrolyse, car elle consomme une molécule d’eau, comme le montre la figure ci-dessus. Le mot hydrolyse contient le préfixe hydro -, qui signifie « eau », et le terme lyse, qui signifie « séparation ».

L’hydrolyse de l’ATP libère également de l’énergie. Le phosphate inorganique est un autre nom pour un groupe phosphate libre dans la cellule, et il est symbolisé par . L’élimination du dernier groupe phosphate est catalysée par l’enzyme ATP hydrolase.

La réaction X est une réaction d’hydrolyse.

Partie 2

L’ATP est facilement resynthétisée par une réaction de condensation qui ajoute un groupe phosphate inorganique à l’ADP. Une réaction de condensation est une réaction qui lie des molécules par une liaison chimique et mène à la formation d’une molécule d’eau, comme le montre la figure ci-dessus. L’addition d’un troisième groupe phosphate est catalysée par l’enzyme ATP synthase.

La réaction Y est une réaction de condensation.

Les propriétés de l’ATP mettent en évidence l’importance de cette molécule pour les organismes vivants. L’ATP est une petite molécule soluble qui peut être facilement transportée autour de la cellule. Même si l'ATP est petite, son hydrolyse libère juste assez d'énergie pour alimenter les réactions dans la cellule sans perdre trop d'énergie. Cette même réaction libère également un phosphate inorganique, qui peut rendre d’autres molécules plus réactives par phosphorylation. Enfin, étant donné l’importance de l’ATP, le fait qu’elle puisse être rapidement resynthétisée est très utile.

Ce sont ces propriétés de l’ATP qui en font une excellente ressource pour alimenter les réactions. Par conséquent, l’ATP sert de transport d’énergie aux sites à l’intérieur de la cellule où des réactions consommatrices d’énergie ont lieu. L’ATP est requise pour trois types d’activités cellulaires générales : 

1. stimuler les réactions métaboliques qui ne peuvent pas se produire automatiquement grâce à la phosphorylation et l’activation d’une molécule par le phosphate inorganique ; 
2. transporter les substances nécessaires à travers les membranes, où l’ATP aide à déplacer les molécules et les ions contre le gradient de concentration ; 
3. effectuer un travail mécanique, durant lequel l’ATP fournit l’énergie nécessaire à des actions telles que la contraction musculaire.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.