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Vidéo de la leçon : Énergie et ATP Biologie

Dans cette vidéo, 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

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la structure de l'ATP, une molécule essentielle au transport de l'énergie. Nous allons étudier comment l'ATP est synthétisée et comment elle est hydrolysée pour libérer de l'énergie que les cellules peuvent utiliser. Nous allons également examiner les propriétés clés de cette molécule qui la rendent si utile dans les processus cellulaires vitaux.

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 et du transfert d’énergie dans les cellules. Peu importe ce qui entre dans un organisme en tant que source d’énergie, que ce soit des graisses, des glucides ou des protéines, ils sont finalement utilisés pour générer de l’ATP afin de répondre à tous les besoins énergétiques immédiats des cellules.

Notre corps fabrique et dégrade son propre poids en ATP tous les jours. Donc, si vous pesez environ 50 kilogrammes, en un jour, vous utiliserez environ 50 kilogrammes d’ATP. Bien que l’ATP soit une petite molécule relativement simple, il y a suffisamment d’énergie au sein de ses liaisons pour toutes sortes d’actions cellulaires. C’est pourquoi l’ATP est parfois appelée la monnaie énergétique des cellules. En effet, de la même manière que l'argent est la monnaie que les gens échangent contre les choses dont ils ont besoin, l'ATP sert à stocker l'énergie nécessaire aux réactions de la cellule, et peut être échangée contre une forme plus utile en cas de besoin. Et l’ATP peut être stocké dans les cellules comme l’argent peut être stocké dans une banque. Même si l’ATP peut être utilisée pour stocker de l’énergie dans la cellule, puisque elle est constamment dégradée puis reformée, il s’agit davantage d’une source d’énergie immédiate qu’à long terme.

Examinons en détail la structure de l'ATP. L’ATP est un nucléotide, ce qui peut sembler surprenant car nous entendons souvent le mot «nucléotide» lorsqu’on parle de génétique et de molécules comme l’ADN. Cependant, c'est un peu restrictif car les nucléotides sont plus que de l'ADN. Les nucléotides sont les éléments constitutifs ou plus précisément les monomères de polymères appelés acides nucléiques. Les nucléotides sont les unités de base qui peuvent être réunies pour former ces molécules plus complexes. En fait, l’ADN est un acide nucléique, qui est un polymère composé de nombreux monomères nucléotidiques réunis.

Vous avez peut-être même remarqué que la structure de ce nucléotide particulier qui se trouve dans l’ADN n’est pas si différente de la structure de l’ATP. En effet, tous les nucléotides ont la même structure de base composée de trois sous-unités: une base contenant de l’azote, dite base azotée; un sucre à cinq atomes de carbone, appelé pentose; et au moins un groupe phosphate.

Étant donné le nom complet de l'ATP, adénosine triphosphate, et la structure typique d'un nucléotide de base, que pouvez-vous déduire de la structure de l'ATP? Vous vous souvenez peut-être que l’adénine est une base azotée qui se trouve également dans l’ADN. Et notez que le début du mot «adénosine» est assez similaire. En effet, l’adénine sert de base azotée dans une molécule d’ATP.

Mais que nous indique le mot «triphosphate»? Il nous indique le nombre de groupes phosphate dans une molécule d’ATP. Le préfixe tri- signifie trois. L’adénosine triphosphate a donc trois groupes phosphate. Le pentose d’un nucléotide peut être soit le désoxyribose, soit le ribose. Le pentose dans l’acide désoxyribonucléique, plus communément appelé ADN, est le désoxyribose. Mais dans d’autres acides nucléiques, comme l’acide ribonucléique ou ARN, ou encore l’adénosine triphosphate ou ATP, le pentose est un ribose. Ainsi, comme nous pouvons le voir, la structure d’une molécule d’ATP se compose d’une base d’adénine azotée, d’un sucre à cinq atomes de carbone de type ribose et de trois groupes phosphate.

Les trois groupes phosphate d’une molécule d’ATP sont liés les uns aux autres par des liaisons à haute énergie qui peuvent facilement être rompues. C’est dans ces liaisons entre les trois groupes phosphate que la vraie source d’énergie de l’ATP est stockée. Lorsque l'énergie est nécessaire immédiatement, la liaison covalente entre les groupes phosphate les plus externes de l'ATP est rompue. Examinons de plus près la réaction qui brise les liaisons entre ces groupes phosphate.

Lorsque de l’énergie est requise immédiatement dans la cellule et que la liaison entre les deuxième et troisième groupes phosphate de l’ATP est rompue, cela convertit l’ATP en adénosine diphosphate, abrégée ADP, et en un noté Pi. La rupture de la liaison entre les deux groupes phosphates externes et la molécule d’ATP est appelée hydrolyse.

Le mot «hydrolyse» contient le préfixe hydro-, qui signifie eau, et le suffixe -lyse, qui signifie séparation. Dans l’hydrolyse, une molécule d’eau est rompue, ce qui entraîne la libération d’un atome d’hydrogène et d’un groupe hydroxyle. L’hydrolyse rompt la liaison entre les groupes phosphate externes et consomme une molécule d’eau. Avec l’ajout d’eau, l’hydrolyse de l’ATP produit de l’ADP, un groupe phosphate inorganique, et de l’énergie libre que la cellule peut utiliser. La structure de l’ADP est très similaire à celle de l’ATP, sauf que l’ADP a un groupe phosphate de moins attaché à son l’extrémité. Le préfixe di- signifie deux, ce qui indique qu’il y a deux groupes phosphate dans une molécule d’ADP.

L’élimination du groupe phosphate de l’ATP est catalysée par une enzyme appelée ATP hydrolase. C’est facile à retenir. Comme l’ATP est la molécule dégradée, hydro- sous-entend eau et hydrolyse et le -ase indique qu’il s’agit d’une enzyme. Ce processus est tellement rapide qu’il ne faut que quelques secondes pour que la moitié des molécules d’ATP d’une cellule soit converties en ADP, montrant ainsi l’efficacité des molécules d’ATP en tant que sources d’énergie.

Lors de l'hydrolyse de l'ATP, à moins que l'énergie libérée ne soit utilisée rapidement, une grande partie de celle-ci sera perdue sous forme de chaleur ou d'énergie thermique. Pour éviter cette perte, l’hydrolyse de l’ATP est souvent couplée à d’autres réactions nécessitant de l’énergie dans les cellules. De cette façon, plutôt que de perdre de la chaleur, l’énergie peut être utilisée pour alimenter les réactions cellulaires. Au lieu de flotter dans la cellule, le groupe phosphate inorganique produit par l'hydrolyse de l'ATP peut également être utilisé à bon escient. Le groupe phosphate inorganique peut être ajouté à d’autres molécules d’une cellule dans un processus appelé phosphorylation.

La phosphorylation peut rendre d’autres molécules plus réactives. Et les molécules phosphorylées pourraient être utiles pour mener des réactions métaboliques, dont beaucoup incluent la phosphorylation d’une protéine. Certaines de ces protéines pourraient être des enzymes. Elles peuvent être activées par la liaison d’un groupe phosphate inorganique, ce qui leur permet de procéder à la catalyse d’une réaction enzymatique.

Examinons rapidement un exemple spécifique de la phosphorylation des protéines. L'un de ces exemples importants concerne les protéines qui permettent à notre ADN d'être empaqueté si étroitement et si efficacement dans les noyaux de nos cellules. Ces protéines sont appelées histones. Et quand elles s’associent à l’ADN, elles forment de la chromatine. Lorsque l’ADN est endommagé, les histones sont souvent phosphorylées. Cela modifie la structure de la chromatine en libérant des espaces autour des segments d’ADN endommagés, offrant ainsi un espace pour d’autres protéines et facteurs pour réparer efficacement l’ADN endommagé.

Bien que l'ATP soit continuellement dégradée par hydrolyse pour fournir cette énergie libre qui peut être utilisée dans les réactions et un groupe phosphate qui peut être utilisé pour la phosphorylation, elle est également constamment reconstituée. La régénération de l'ATP est importante car les cellules ont tendance à l'utiliser très rapidement et comptent sur cette réserve d'ATP constamment renouvelée pour alimenter la cellule. L’ATP est facilement resynthétisé dans une réaction de condensation qui ajoute un groupe phosphate inorganique à l’ADP.

En général, une réaction de condensation, également appelée synthèse par déshydratation, est une réaction qui unit deux molécules par une liaison chimique et entraîne la formation et libération d'une molécule d'eau. Vous trouverez peut-être cela plus facile à retenir en pensant aux autres contextes où le mot «condensation» est utilisé. Par exemple, les nuages sont faits de vapeur d’eau, et lorsqu’ils se condensent, de l’eau liquide en tombe. Cela nous rappelle que les réactions de condensation produisent une molécule d’eau. Bien que de l'eau soit perdue lors de l'hydrolyse de l'ATP, elle est reformée et ensuite libérée lorsqu'un troisième groupe phosphate est ajouté à une molécule d'ADP, reformant ainsi l'ATP.

Cette réaction est catalysée par une enzyme appelée ATP synthase, ce qui facile à retenir car synth- nous rappelle qu'il s'agit d'une synthèse ou de la fabrication d'ATP et le suffixe -ase nous rappelle qu'il s'agit d'une enzyme. Si l’ajout d’un autre groupe phosphate à une molécule d’ADP pour former de l’ATP ressemble à une phosphorylation, c’est parce que c’est le cas. Comme elle est formée 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 par phosphorylation pendant la photosynthèse. Et dans les cellules animales et végétales, l’ATP peut être régénéré pendant la respiration cellulaire.

Bien que l’ATP puisse aider à alimenter les réactions grâce à l’énergie libre qu’elle libère, ce n’est pas une molécule de stockage à long terme de l’énergie chimique. Bien que les sucres à six atomes de carbone, comme le glucose, soient considérés comme d’excellents sites de stockage d’énergie à long terme pour une cellule, ils prennent beaucoup de temps et beaucoup d’énergie pour être dégradés. Ainsi, au lieu de cela, pour leur fournir un accès rapide à l’énergie, les cellules peuvent convertir le glucose en ATP par la respiration cellulaire afin de fournir un accès immédiat à l’énergie stockée.

Les propriétés de l’ATP expliquent pourquoi cette molécule est si importante pour les organismes vivants. Examinons quelques-unes de ces propriétés clés et pourquoi elles sont si utiles. L’ATP est une assez petite molécule. Cela signifie que l'ATP, que nous pouvons voir être libérée de cette mitochondrie sous la forme de ces minuscules points verts, peut facilement se diffuser dans les différentes parties de la cellule où il est nécessaire. L’ATP est soluble dans l’eau. En général, le cytoplasme cellulaire, l’espace au sein de nombreux organites et une grande partie de l’espace extracellulaire entourant les cellules sont des environnements aqueux, ce qui signifie qu’ils contiennent des molécules d’eau. La solubilité dans l’eau de l’ATP la rend très pratique, car cela signifie qu’elle peut être utilisée dans des réactions qui se produisent dans tous ces environnements aqueux.

Même si l’ATP est petite, l’hydrolyse de l’ATP libère juste assez d’énergie en petites quantités gérables. Cela signifie qu’elle peut alimenter les réactions cellulaires sans produire de déchets. Et comme nous le savons, cette même réaction libère également un groupe phosphate inorganique, qui peut rendre les autres molécules plus réactives par phosphorylation.

Enfin, compte tenu de l’importance de l’ATP, le fait qu’elle soit constamment dégradée et régénérée rapidement est très utile. Cela signifie que l'ATP peut être rapidement reconstituée pour fournir un apport constant d'énergie à nos cellules, qui en demandent beaucoup. Ce sont ces propriétés de l’ATP qui en font une excellente ressource pour alimenter les réactions dans les cellules. Ainsi, l’ATP peut servir de navette, fournissant de l’énergie à tous les sites de la cellule où ont lieu des activités consommatrices d’énergie.

Examinons rapidement les trois grands types de tâches dans les cellules où il y a besoin que l’ATP libère de l'énergie afin d'alimenter ces processus. Par exemple, les réactions métaboliques qui ne peuvent pas se produire automatiquement par phosphorylation et activation d'une molécule par le phosphate inorganique nécessitent de l’ATP. L'ATP peut également être utile pour transporter des substances dont les cellules ont besoin, comme des molécules ou des ions, à travers la membrane plasmique d'une zone de faible concentration vers une zone de forte concentration, contre le sens d'un gradient de concentration. L’ATP peut également fournir de l’énergie pour le travail mécanique, comme fournir de l’énergie pour la contraction musculaire.

Passons maintenant en revue ce que nous avons appris sur l’énergie et l’ATP en appliquant nos connaissances à une question d’entraînement.

Laquelle des réponses suivantes décrit le mieux la structure d’une molécule d’ATP? (A) Une molécule d’ATP est composée d’un sucre ribose, d’une base adénine azotée et de trois groupes phosphate. (B) Une molécule d’ATP est composée d’un sucre désoxyribose, d’une base adénine azotée et de deux groupes phosphate. (C) Une molécule d’ATP est composée d’un sucre hexose, de trois bases azotées d’adénine et d’un groupe phosphate. Ou (D) une molécule d’ATP est composée d’une molécule de glucose, de trois bases azotées d’adénine et d’un groupe phosphate.

Pour répondre à cette question, nous allons devoir voir un schéma de l’ATP. Oublions donc un instant nos options de réponses. L’adénosine triphosphate, ou ATP, est un nucléotide qui stocke l’énergie chimique chez les êtres vivants. Tous les nucléotides sont constitués avec la même structure générale: une base azotée; un sucre pentose, ce qui signifie qu’il contient cinq atomes de carbone; et un ou plusieurs groupes phosphate.

Étant donné le nom complet de l'ATP, nous pouvons déterminer quelques éléments de sa structure. Le préfixe adén- dans l’adénosine triphosphate nous indique que la base azotée qu’il contient est l’adénine, tandis que le tri-dans triphosphate nous indique qu’il y a trois groupes phosphate dans une molécule d’ATP. Mais qu’en est-il du sucre pentose? Comme nous le savons maintenant, il y a cinq atomes de carbone dans un sucre pentose, tandis qu’un sucre hexose comme le glucose aurait six atomes de carbone, car le préfixe hex- signifie six, tandis que le préfixe pent- signifie cinq.

Bien que nous ne puissions pas nécessairement déduire cela de son nom, le pentose dans l’adénosine triphosphate est le ribose. Nous avons donc déduit que la structure d’une molécule d’ATP comprend un ribose, une base adénine azotée et trois groupes phosphate. Revenons à nos choix de réponse. Nous avons déterminé qu’une molécule d’ATP est composée d’un ribose, d’une base azotée adénine et de trois groupes phosphate.

Il est maintenant temps pour nous de résumer nos connaissances sur l’énergie et l’ATP en quelques points essentiels de la vidéo. L’adénosine triphosphate, souvent connue sous le nom d’ATP, est une source d’énergie immédiate dans les cellules. Lorsque de l’énergie est requise immédiatement, l’eau est utilisée pour convertir l’ATP en ADP et en un groupe phosphate inorganique, via un processus qui libère de l’énergie appelé hydrolyse, catalysé par une enzyme appelée ATP hydrolase. L’ATP est facilement resynthétisée à partir de l’ADP et d’un phosphate inorganique grâce à une réaction de condensation catalysée par l’ATP synthase. Les propriétés de l'ATP en font une excellente ressource pour alimenter différentes fonctions de la cellule, telles que les réactions métaboliques par phosphorylation, le transport de substances à travers les membranes et le travail mécanique.

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