METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE

1
METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE
2
INTRODUCTION

• On a vu les mécanismes moléculaires des
  transports de matière
• (diffusion ou protéines transmembranaires, flux
  vésiculaire)

3
Comment visualiser les CONVERSIONS d'énergie de
la cellule les forces qui déterminent direction
et intensité des déplacements de matière ?
4
PLAN

• I. Structure générale du métabolisme et rôle des
  coenzymes
• II. Ex. d'anabolisme la Photosynthèse
• III. Ex. de catabolisme du Glucose

5
I. Structure générale du métabolisme et rôle des
coenzymesII. La photosynthèse ex. d'anabolisme

• A. Prérequis et principe de la photosynthèse

1- Les échanges gazeux nutritifs sont à l'inverse
des échanges respiratoires - Définition les
échanges gazeux nutritifs permettent la
croissance des organismes autotrophes à partir de
matière carbonée minérale CO2 et d'énergie,
lumineuse chez les photosynthétiques (plantes
vertes et bactéries chlorophylliennes) - Aspect
qualitatif absorption de CO2 et rejet de O2
nécessitant de la lumière - Conséquences directe
de la photosynthèse apparition transitoire
d'amidon dans les chloroplastes, circulation de
saccharose dans la sève élaborée
6
1- Les échanges gazeux nutritifs sont à l'inverse
des échanges respiratoires 2- Les pigments
chlorophylliens absorbent dans le bleu et le
rouge - Pigment caractéristique des plantes
vertes - Absorbe les radiations dans le bleu et
le rouge ce qui lui donne sa couleur
verte Problème Est-ce que cette molécule
absorbe l'énergie correspondante ?
7
Bilan apparent de la photosynthèse - En première
analyse, la photosynthèse serait - une capture
de l'énergie du rayonnement solaire et - son
stockage sous forme de composés chimiques (type
amidon) ayant une énergie potentielle 6 H2O 6
CO2 ? 6 O2 C6H12O6
puis saccharose remis en circulation ou amidon
stocké dans les chloroplastes
en présence de chlorophylle des thylakoïdes des
chloroplastes et de photons fournissant l'énergie
(hn gt 180 kJmol-1)
entrant au niveau des racines par osmose suit
les potentiels hydriques de plus en plus négatifs
absorbé par les stomates des feuilles et à
travers la cuticule, circule entre les méats dans
toute la mésophylle
émises par les feuilles (au niveau des stomates)
8
1- Les échanges gazeux nutritifs/photosynthétiques
2- Les pigments chlorophylliens 3- Une des étape
limitante de la photosynthèse ne nécessite pas de
lumière - Méthode d'étude Etude du
rendement CO2 assimilé/énergie absorbée, en
lumière intermittente (disque percé tournant à
grande vitesse) - Résultats le rendement est
maximum pour - des éclairs de 10-5s - séparés par
des périodes obscures de 2.10-2s. Il n'est pas
rentable d'augmenter la durée d'éclairement
(10-4s) - Interprétation Il existe donc 2
phases distinctes de la photosynthèse - une
phase qui nécessite de la lumière dite
photochimique (anciennement appelée phase
claire) - une phase qui ne nécessite pas de
lumière (anciennement appelée phase obscure)
9
Lincorporation du CO2 est mesuré en lumière
intermittente à l'aide d'un tube néon intense qui
produit des éclairs brefs (10 µs) séparés par des
intervalles variables dobscurité (entre 1 et 40
ms). Trois séquences schématiques montrant
comment séparer des éclairs de même durée par des
intervalles obscurs variables. Exemple pour 10
éclairs. Expérimentalement, chaque mesure
est réalisée pour un total de 10 000 éclairs de
10µs (soit un total de 1s de lumière) et des
durées de périodes sombres comprises entre 100 s
et 4000 s (soit un total d'obscurité compris
entre 1,6 à 64 minutes ).
10
Influence de la durée de la période sombre sur la
photosynthèse nette de chlorelles soumises à une
lumière intermittente (éclairs de 10 µs). La
durée totale de l'éclairement est constante.Pour
un éclair de 10 µs, il faut  à 25 C  une
période sombre totale denviron 20 ms (2000 fois
plus importante) pour obtenir une photosynthèse
nette maximum. à 5C, la durée de la période
sombre augmente, mais la photosynthèse nette
maximum est la même.
11
(No Transcript)
12
A. Prérequis B. Première phase de la
photosynthèse Conversions de l'énergie
lumineuse en énergie chimique (dans les membranes
des thylakoïdes)
1- Les pigments chlorophylliens des récepteurs
d'énergie photonique
13
1- Les pigments chlorophylliens des récepteurs
d'énergie photonique
Rappel nature des pigments - molécules
hydrophobe dérivé d'isoprène - cycle à liaisons
doubles conjuguées interférant avec la lumière -
Plane chlorophylles noyau tétrapyrrol -
Linéaire caroténoïdes et xanthophylle (orangés
/ jaunes)
14
(No Transcript)
15
(No Transcript)
16
a) Mise en évidence de l'intervention des
pigments chlorophylliens - Diversité des spectres
d'absorption des pigments végétaux- Chlorophylle
"a" la plus répandue chez les végétaux absorbe
dans l 430 et 660 nm NOTA chez les
cyanobactéries Phycoérythrine et phycocyanine
(absorbent dans l 540 et 630 nm)
17
Comparaison du spectre d'absorption et de
l'intensité photosynthétique

• énergie utilisée ? énergie captée
• Problème Superposition avec les différents
  spectres?

Intensité photosynthétique
18

• b) Les photons sont riche en énergie
• Notion de photon
• - Quantum d'énergie porté par onde
  électromagnétique
• - Origine réactions thermonucléaires solaires
• 4H ? He 2e- hn
• - Energie du photon W hn h c/l
• - avec c 3.108 ms-1 et
• - h constante de Planck 6.62.10-34 Js
• (donc hc19.8 10-26)
• Dans le bleu l 430 nm W -280 kJmol-1 -2.9
  eV
• Dans le rouge l 660 nm W -180 k Jmol-1
  -1.9 eV
• DrG' - 96.5 DE'
• (s'exprime en électron Volt (eV)

19
b) Les photons sont riches en énergie Conversion
d'énergie photonique en énergie électronique au
niveau d'un atome donneur (ex. la chlorophylle
a) - Modifications de l'atome excité (possède de
l'énergie E a - b/2r avec r rayon de l'orbite
de Bohr, discontinue) fonction de - distances
atomiques - énergie rotative des électrons -
énergie vibratoire - pertes thermiques - Au
repos, l'atome a le niveau énergétique stable le
plus bas possible c'est l'état fondamental ?
Un atome est activé par changement d'orbite d'un
e-
20

• - Etat singulet excité instable (en 10-11 s)
• - Etat triplet excité métastable retour (en
  10-10s) énergie (chaleur ou fluorescence
  hn'lthn)
• Mise en évidence expérimentale de la
  fluorescence
• Chlorophylle a dans l'éther,
• éclairée par photons rouge ou
• bleu (haute énergie)
• l 670 nm (rouge sombre)
• W - 1.7 eV 164 kJ
• - Retour lent à l'état fondamental (10-4 à 10-3
  s)
• par phosphorescence (hn''lthn') ou
• par transfert d'énergie sur un accepteur
  photosensibilisation

21
La photosensibilisation permet l'utilisation de
l'énergie électronique dans des réactions
chimiques - L'énergie restituée pour une
conversion externe est de 1.35 eV in vitro mais
de 1 eV seulement in vivo
22
1- Les pigments chlorophylliens des récepteurs
d'énergie photonique 2- Les photosystèmes lieu
de la conversion de l'énergie externe en énergie
électronique
a) L'antenne collectrice de photons permet, par
photosensiblisation de la chlorophylle a, le
départ d'un électron
23
a1) Mise en évidence d'une synergie entre photons
de longueurs d'ondes différentes Effet
Emerson - Expérience sur solution de
chlorelles (chloroplaste riche en chlorophylle b)
des quantités d'énergie lumineuses telles que
- en éclairement à 700 nm on obtient une
intensité I - en éclairement à 650 nm on obtient
la même intensité I - Si on applique 50 de
l'éclairement en 700 nm et 50 en 650 nm, on
obtient une intensité photosynthétique I'gtgtI -
Interprétation - Le mélange des longueurs
d'ondes est plus efficace il existe une
synergie entre petites et grandes longueurs
d'ondes du rouge - Cet effet Emerson traduit
l'existence de 2 photorécepteurs captant l'un
vers 650nm et l'autre vers 700 nm (appelées PSI
et PSII) couplés
24
Sur des Chlorelles, en onditions isoquantiques
(même flux de photons) et une concentration de
cellules très élevée pour absorber toute la
lumière incidente (flux de photons limitant),
mesurent l'action de radiations monochromatiques
sur l'activité photosynthétique - Observent que
les radiations rouge sombre (supérieur à 685 nm)
pourtant captées par les chlorophylles n'ont
aucune efficacité sur la production d'oxygène.Le
rendement quantique(rapport entre le nombre de
molécules de O2 émises et le nombre de photons
absorbés) diminue alors considérablement pour ce
domaine spectral. Cette décroissance est appelée
"chute dans le rouge".
25
(No Transcript)
26
Décroissance du rendement quantique dans le rouge
supprimée en ajoutant à la lumière rouge sombre
une radiation de plus courte longueur d'onde.
Rendement quantique (exprimé en production
d'oxygène) en fonction de la longueur d'onde d'un
éclairement monochromatique. A longueur d'onde
variable (de 660 à 720 nm)B longueur d'onde
variable (de 660 à 720 nm) une radiation
monochromatique fixe à 650 nm
27
(No Transcript)
28
On observe une augmentation du rendement
quantique dans le domaine des grandes longueurs
d'onde (gt700nm) sous l'action d'une seconde
radiation fixe de 650nm. Cette expérience suggère
l'existence de deux systèmes pigmentaires ou
photosystèmes (deux ensembles de pigments). -
l'un qui n'absorbe pas la lumière au-delà de 680
nm et qui est associé au dégagement de O2. -
l'autre qui absorbe au-delà de 680 nm et qui ne
dégage pas de O2. L'effet synergique observé
suggère que ces deux systèmes coopèrent en
lumière blanche pour réaliser des réactions
d'oxydo-réduction conduisant à l'émission
d'oxygène.
29
a2) Il existe 2 types de photosystèmes - L'étude
des agglomérats des membranes de thylakoïdes et
par isolement des complexes (par détergents) on a
trouvé PSI et PSII - PSI est présent également
chez les bactéries (le plus fondamental) il est
constitué de - 1 chlorophylle "a" absorbant à
700 nm (longueur d'onde maximale du système) -
200 chlorophylles "a" absorbant à 680 nm - 20
chlorophylles "a" absorbant 670 nm -
Chlorophylles "b" absorbant à 650 nm - PSII est
constitué de - 1 chlorophylle "a" absorbant à
680 nm (longueur d'onde maximale du système) -
120 chlorophylles "a" absorbant à 660 nm - 120
chlorophylles "b" absorbant 650 nm - Carotène et
manganèse Mn2
30
a3) Photosensibilisation de la Chla680 - Etude
des spectres de fluorescence de pigments en
solution dans l'ether - La chlb éclairée à 450
nm fluoresce à 650 nm. - La chla éclairée à 450
nm fluoresce à 670 nm. - Si on associe Chla
chlb, éclairées à 450 elles fluorescent
uniquement à 670 nm, longueur d'onde de fluo. de
la chla. - On en conclue que chlb peut
transmettre l'énergie qu'elle absorbe à chla -
ceci est possible du fait que la fluo. de chlb se
fait dans la longueur d'onde d'absorption de chla.
31
Etude 3D de l'antenne collectrice de photons -
pigments lipoprotéines photosystème -
Transmission d'énergie par résonance (en 10-10 s
à l'état singulet) rendement énergétique très
élevé (95) - Structure de la chla favorable au
départ d'un électron (nombreux électrons p
facilement arrachables) - l'électron arraché est
pris en charge par un accepteur - La chl a
récupère un électron inactivé venant d'un donneur
D en 10-9 s. L'écart de temps entre la
restitution d'un e- par D et la durée du
phénomène de résonance (10-10 s) permet une
fluorescence entropique
32
(No Transcript)
33
2- Les photosystèmes lieu de la conversion de
l'énergie externe en énergie électronique
a) Photosensiblisation de la chlorophylle a et
départ d'e- b) Pour PSII, le donneur d'électrons
est l'eau l'accepteur est une quinone ou un sel
ferrique Fe3
b1) Mee d'un dégagement artificiel d'O2 sur des
fragments de thylakoïdes Réaction de Hill
(1937) - Expérience des chloroplastes isolés ou
des fragments de thylakoïdes exposés à la lumière
en absence de CO2 mais un présence d'un oxydant
(sel ferrique Fe3ou quinone) montrent un
dégagement d'O2 (mis en évidence par oxymétrie ou
ajout d'Hb qui devient HbO2 suivi en
spectroscopie)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
b2) L'O2 dégagé provient de l'eau exp. de Ruben
et Kramen (1941) - Expérience cultures
d'algues vertes en présence d'eau lourde à 18O.
L'O2 dégagée est à 18O - Interprétation il y a
oxydation photochimique de l'eau b3) Bilan de la
photolyse de l'eau - L'eau lysée par aspiration
thermodynamique par le système de photolyse
associé au PSII (nécessite Mn2) par conversion
externe de l'énergie de photons. - électrons
pris en charge par accepteur quinone ou un sel
ferrique Fe3
37
(No Transcript)
38
Représentation schématique du photosystème II
dans la membrane du thylacoïde.CAB protéines de
l'antenne périphérique (ou majeure), Car
carotène, Chla chlorophylle a, Chlb
chlorophylle b, CP protéines de l'antenne
proximale, D1-D2 sous unités du centre
réactionnel, LHCII Light Harvesting Complex II
(antenne majeure), OEC Oxygen Evolving Complex,
P680 dimère de chlorophylle a (molécule piège du
centre réactionnel), Pheo phéophytine, QA-QB
Plastoquinones, Tyr tyrosine.
39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
1- Les pigments chlorophylliens des récepteurs
d'énergie photonique 2- Conversion de l'énergie
externe en énergie électronique 3- Conversion de
l'énergie électronique en énergie chimique la
photophosphorylation et réduction des coenzymes
a) La photophosphorylation acyclique nécessite
les 2 types de photosystèmes
45
- Mise en évidence expérimentale inhibiteur de
la Quinone DCMU - Physiologiquement quand le
PSII est bloqué (en absence de Mn2 par ex., ou
en milieu réducteur) ou quand NADP pas
régénéré - Chez les bactéries photosynthétiques
seul mécanisme existant PSI fonctionne avec la
bactériochlorophylle b (absorbe dans les
infrarouges l 890 nm) Donneur d'électron SH2
ou une molécule organique Les électrons sont
transmis au PSI par l'intermédiaire d'un
transporteur intracellulaire un cytochrome
46
Modélisation selon les potentiels électroniques
(Arnon 1954) image du billard
électronique Principe - sous l'impulsion d'un
photon, un électron remonte 0.9 ou 0.95 eV -
spontanément, un électron redescend 0.4 eV
47
Couple redox E'0 (V)
O2/ H20 0,82
P680 / P680 0,9
P680/P680 - 0,8
Pheo (red/ox ) - 0,6
QA-QB(red/ox - 0,2
PQ (red/ox ) 0
b6f (red/ox ) - 0,2 et 0,2
P700 / P700 0,4
P700 / P700 -1,3
Ao (red/ox ) -1,0
Fd (red/ox ) -0,42
NADP / NADPH -0,32
-
48
(No Transcript)
49
Commentaires - Le passage de PSII à PSI met 10
mais - Il faut 2 impulsions successives pour
atteindre un niveau d'énergie potentielle
électronique suffisant pour réduire l'accepteur
final NADP - La plastoquinone PQ est un
tampon à électrons elle est 7 fois plus
abondante que PSII et peut stocker des électrons
si PSI est insuffisant c'est aussi un véritable
transporteur mobile dans la membrane du
thylakoïdes (comme l'ubiquinone mitochondriale
cf. cours suivant) qui distribue les électrons
aux PSI environnants
50
1- Les pigments chlorophylliens des récepteurs
d'énergie photonique 2- Conversion de l'énergie
externe en énergie électronique 3- Conversion de
l'énergie électronique en énergie chimique la
photophosphorylation et réduction des coenzymes
a) La photophosphorylation acyclique nécessite
les 2 types de photosystèmes b) La
photophosphorylation cyclique un mécanisme
primitif
51
(No Transcript)
52
c) Modélisation et Bilan énergétique de la 1ère
étape de la photosynthèse - Méthodes d'étude -
Par résonance paramagnétique nucléaire états de
Mn - Par RMN, on peut suivre les protons en
solution - Par spectroscopie optique et
diffraction aux RX, on peut suivre les variations
de compositions chimiques et d'arrangements 3D
des molécules - Modèle 3D par Pierre Juliot
(1969)
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
Expérience "du bain acide" de Jagendorf et Uribe
1966A partir d'une suspension de chloroplastes,
les chloroplastes sont cassés (par choc osmotique
par exemple) et les thylakoïdes sont isolés par
centrifugation (le stroma a été éliminé).
L'ensemble de l'expérience est effectuée à
l'obscurité. 1 - cette suspension est placée dans
un milieu acide tamponné à pH 4, 2 - après
quelques minutes, le pH des thylacoïdes s'est
équilibré avec celui du milieu, 3 - on transfère
alors les thylacoïdes dans un milieu basique
tamponné à pH 8 en présence d'ADP et de phosphate
inorganique (Pi) ( Mg2).
56
Remarque dans cette expérience il n'y a ni ADP
ni Pi donc aucune synthèse d'ATP possible
57

• Bilan
• 1 mole d'O2 libérée par phosphorylation
  acyclique 4 électrons 8 photons
• on obtient 2 ATP et 2 NADPH H
• (attention nécessité de recycler NADP)
• Phosphorylation cyclique ATP supplémentaire
• (1 ou 0,5 par photon)

58
II. La photosynthèse ex. d'anabolisme

• A. Prérequis
• B. Phase photochimique
• C. La 2ème phase de la photosynthèse élabore de
  la matière organique (carbonée) à partir de CO2
  dans le stroma des chloroplastes, sans nécessité
  de lumière

CO2 forme très oxydée du C ? son utilisation
nécessite réactions endergoniques ? à coupler
avec réactions exergoniques consommation de
l'ATP formé durant la première étape de la
photosynthèse
59
1. Mise en évidence d'un intermédiaire
métabolique a) Le CO2 est absorbé directement
sous forme gaz - Méthode des éclairements brefs -
Rappel structure d'une feuille (stomates,
chambre sous stomatique, méats et lacunes) -
Transformation de CO2 en HCO3- en présence d'eau
(vapeur) ? lente - Pour un éclairement bref, CO2
rapidement et abondamment utilisé ? CO2 accepté
directement (forme dissoute), sans passer par
HCO3-.
60
b) Mise en évidence d'intermédiaires métaboliques
utilisation d'inhibiteurs Prérequis -
Utilisation de 14CO2 ? les produits
photosynthétiques sont marqués ? c'est bien le
CO2 atmosphérique qui fournit le C utilisé dans
la synthèse de glucides - Utilisation
d'inhibiteurs ? accumulation "en amont" ?
identification des intermédiaires
métaboliques (mais pas ordre d'apparition)
61
c) Détermination de l'ordre d'apparition des
intermédiaires méthode des marquages courts -
Technique Ruben et Kamen (1941) puis Calvin
(1949-1952) - Matériel d'étude chlorelles -
Montage
62
(No Transcript)
63

• - Principe
• - 14CO2 pendant courte durée (de 1 à 15 s)
• - produits photosynthétiques fixés (éthanol
  bouillant)
• - trie par chromatographie 2D sur papier
• - autoradiographie pour chaque expérience (1 s,
  2s)
• ? ordre d'apparition des différents
  intermédiaires métaboliques
• - Résultats Le premier produit formé est
  l'ac3Pglycérique (une molécule en C3) à partir de
  ribulose1-5biP (une molécule en C5)

64
(No Transcript)
65
(No Transcript)
66
BILAN 1 - La réduction de 2 APG en 2 AldPG
nécessite 2 NADPH et 2ATP 2 - La régénération de
1 RUBP à partir de 1 RU5P nécessite 1ATP 3 - La
formation des 2 NADPH à partir de 2 NADP
(transfert de 4 électrons) est réalisée par
l'oxydation de 2 molécules d'eau 4 - Il faut 2 x
4 photons pour exciter successivement le PSII
puis le PSI et permettre le transfert de 4
électrons de l'eau à 2 NADP
67
1. Mise en évidence d'un intermédiaire
métabolique 2. Le Cycle de Calvin obtention de
glucides par réduction du CO2 et utilisation de
l'énergie chimique de la première phase de la
photosynthèse a) Cycle simplifié
68
(No Transcript)
69
(No Transcript)
70
(No Transcript)
71
Dans la réalité succession de 3 cycles avec
des intermédiaires en C3, C5, C7 etc.
72
(No Transcript)
73
a) Cycle simplifié b) Cycle de Calvin plaque
tournante du métabolisme
- Synthèse de glucides sous forme de saccharose
circulant ou d'amidon stocké directement dans les
CP. Peut éventuellement fonctionner en
surgénérateur en constituant d'avantage de RudiP
en cas de fort ensoleillement - Synthèse
d'acides aminées à partir d'acide3Pglycérique,
par incorporation d'azote minéral provenant de la
sève brute (nitrates) - Synthèse de lipides
d'acides gras à partir de l'ac3Pglycérique de
glycérol à partir de glydéraldéhyde3P
74
a) Cycle simplifié b) Cycle de Calvin plaque
tournante du métabolisme c) La photorespiration
dérivatif des plantes en C3
RUBISCO carboxylase / oxygénase (fct PO2) Si
PO2 forte ? RUBISCO Oxygénase. Cycle de Calvin
détourné vers photorespiration
75
(No Transcript)
76
Cristaux d'oxalate de Ca2
Catalases
Chloroplaste
Peroxisome
Mitochondrie
77
(No Transcript)
78
(No Transcript)
79
(No Transcript)
80
(No Transcript)
81
a) Cycle simplifié b) Cycle de Calvin plaque
tournante c) La photorespiration d) Cas des
plantes en C4 et des CAM
82
(No Transcript)
83
(No Transcript)
84
(No Transcript)
85
Camissonia (Onagracée)
Amaranthus (Amaranthacée)
86
BILAN GLOBAL de la photosynthèse - Très
approximatif in-vivo - Pour phosphorylation
acyclique 4 photons sur PSII (bleu, à 280
kJmol-1 soit 1120 kJ) 4 photons sur PSI (rouge,
à 180 kJ soit 720 kJmol-1) soit 1840 kJmol-1 -
Pour phosphorylation cyclique, 2 photons rouges
soit 360kJmol-1) - Au total 2200 kJmol-1 - 3
moles d'ATP 2 moles de NADPH2 incorporation 1
CO2 - 6 moles de CO2 2 mole de trioseP soit 1
mole de Glucose. Donc 3 moles d'ATP et 2 moles de
NADPH2 ? 1/6 de mole de Glucose (énergie libre
2820 kJmol -1) - Rendement de la photosynthèse
(2820/6) / 1840 x 100 21,5 - Dans
conditions cellulaires ? 30 de l'énergie solaire
reçue par photosystèmes
87
Vis à vis de l'énergie solaire reçue à la surface
des feuilles - 10 réfléchis - 27 transmis -
63 absorbés dont - 17 rayonnement
thermique - 45 transpiration - 1
photosynthèse dont 30 utilisés donc 0.3 de
l'énergie solaire est exploité directement!