ATP (ADÉNOSINE TRIPHOSPHATE): STRUCTURE, FONCTIONS, HYDROLYSE - LA BIOLOGIE - 2024

L' ATP (adénosine triphosphate) est une molécule organique avec des liaisons à haute énergie formées par un anneau d'adénine, de ribose et de trois groupes phosphate. Il a un rôle fondamental dans le métabolisme, car il transporte l'énergie nécessaire au bon fonctionnement d'une série de processus cellulaires.

Il est largement connu sous le terme de «monnaie énergétique», car sa formation et son utilisation se font facilement, ce qui lui permet de «payer» rapidement les réactions chimiques qui nécessitent de l'énergie.

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Bien que la molécule à l'œil nu soit petite et simple, elle stocke une quantité importante d'énergie dans ses liaisons. Les groupes phosphates ont des charges négatives, qui sont en répulsion constante, ce qui en fait une liaison labile qui se brise facilement.

L'hydrolyse de l'ATP est la décomposition de la molécule par la présence d'eau. Par ce processus, l'énergie contenue est libérée.

Il existe deux sources principales d'ATP: la phosphorylation au niveau du substrat et la phosphorylation oxydative, cette dernière étant la plus importante et la plus utilisée par la cellule.

La phosphorylation oxydative couple l'oxydation de FADH ₂ et NADH + H ⁺ dans les mitochondries, et la phosphorylation au niveau du substrat se produit en dehors de la chaîne de transport d'électrons, dans des voies telles que la glycolyse et le cycle de l'acide tricarboxylique.

Cette molécule est chargée de fournir l'énergie nécessaire à la plupart des processus qui se produisent à l'intérieur de la cellule, de la synthèse des protéines à la locomotion. De plus, il permet le trafic des molécules à travers les membranes et agit dans la signalisation cellulaire.

Structure

L'ATP, comme son nom l'indique, est un nucléotide avec trois phosphates. Sa structure particulière, en particulier les deux liaisons pyrophosphates, en font un composé riche en énergie. Il est composé des éléments suivants:

- Une base azotée, l'adénine. Les bases azotées sont des composés cycliques qui contiennent un ou plusieurs azotes dans leur structure. Nous les trouvons également en tant que composants dans les acides nucléiques, l'ADN et l'ARN.

- Le ribose est situé au centre de la molécule. C'est un sucre de type pentose, car il a cinq atomes de carbone. Sa formule chimique est C ₅ H ₁₀ O ₅. Le carbone 1 du ribose est attaché à l'anneau d'adénine.

- Trois radicaux phosphate. Les deux derniers sont les "liaisons à haute énergie" et sont représentés dans les structures graphiques par le symbole d'inclinaison: ~. Le groupe phosphate est l'un des plus importants dans les systèmes biologiques. Les trois groupes sont appelés alpha, bêta et gamma, du plus proche au plus éloigné.

Ce lien est très labile, il se divise donc rapidement, facilement et spontanément lorsque les conditions physiologiques du corps le justifient. Cela se produit parce que les charges négatives des trois groupes phosphate essaient constamment de s'éloigner l'une de l'autre.

Caractéristiques

L'ATP joue un rôle indispensable dans le métabolisme énergétique de pratiquement tous les organismes vivants. Pour cette raison, on l'appelle souvent une monnaie énergétique, car elle peut être dépensée et réapprovisionnée en continu en quelques minutes.

Directement ou indirectement, l'ATP fournit de l'énergie à des centaines de processus, en plus d'agir comme un donneur de phosphate.

En général, l'ATP agit comme une molécule de signalisation dans les processus qui se produisent à l'intérieur de la cellule, il est nécessaire de synthétiser les composants de l'ADN et de l'ARN et pour la synthèse d'autres biomolécules, il participe au trafic à travers membranes, entre autres.

Les utilisations de l'ATP peuvent être divisées en grandes catégories: le transport de molécules à travers les membranes biologiques, la synthèse de divers composés et enfin les travaux mécaniques.

Les fonctions de l'ATP sont très larges. De plus, elle est impliquée dans tellement de réactions qu'il serait impossible de toutes les nommer. Par conséquent, nous discuterons de trois exemples spécifiques pour illustrer chacune des trois utilisations mentionnées.

Alimentation en énergie pour le transport du sodium et du potassium à travers la membrane

La cellule est un environnement hautement dynamique qui nécessite le maintien de concentrations spécifiques. La plupart des molécules n'entrent pas dans la cellule au hasard ou par hasard. Pour qu'une molécule ou une substance entre, elle doit le faire par son transporteur spécifique.

Les transporteurs sont des protéines membranaires qui fonctionnent comme des «gardiens» cellulaires, contrôlant le flux de matières. Par conséquent, la membrane est semi-perméable: elle laisse entrer certains composés et d'autres non.

L'un des transports les plus connus est la pompe sodium-potassium. Ce mécanisme est classé comme transport actif, car le mouvement des ions se produit contre leurs concentrations et le seul moyen de réaliser ce mouvement est d'introduire de l'énergie dans le système, sous forme d'ATP.

On estime qu'un tiers de l'ATP formé dans la cellule est utilisé pour maintenir la pompe active. Les ions sodium sont constamment pompés hors de la cellule, tandis que les ions potassium sont pompés dans le sens inverse.

Logiquement, l'utilisation de l'ATP ne se limite pas au transport du sodium et du potassium. Il existe d'autres ions, tels que le calcium, le magnésium, entre autres, qui ont besoin de cette monnaie énergétique pour entrer.

Participation à la synthèse protéique

Les molécules de protéines sont constituées d'acides aminés, liés entre eux par des liaisons peptidiques. Pour les former, il faut rompre quatre liaisons à haute énergie. En d'autres termes, un nombre considérable de molécules d'ATP doit être hydrolysé pour la formation d'une protéine de longueur moyenne.

La synthèse des protéines se produit dans des structures appelées ribosomes. Ceux-ci sont capables d'interpréter le code de l'ARN messager et de le traduire en une séquence d'acides aminés, un processus dépendant de l'ATP.

Dans les cellules les plus actives, la synthèse protéique peut diriger jusqu'à 75% de l'ATP synthétisé dans cet important travail.

D'autre part, la cellule synthétise non seulement des protéines, mais elle a également besoin de lipides, de cholestérol et d'autres substances essentielles et pour ce faire, elle a besoin de l'énergie contenue dans les liaisons ATP.

Fournir de l'énergie pour la locomotion

Le travail mécanique est l'une des fonctions les plus importantes de l'ATP. Par exemple, pour que notre corps puisse effectuer la contraction des fibres musculaires, la disponibilité de grandes quantités d'énergie est nécessaire.

Dans le muscle, l'énergie chimique peut être transformée en énergie mécanique grâce à la réorganisation des protéines avec la capacité de se contracter qui la forment. La longueur de ces structures est modifiée, raccourcie, ce qui crée une tension qui se traduit par la génération de mouvement.

Dans d'autres organismes, le mouvement des cellules se produit également grâce à la présence d'ATP. Par exemple, le mouvement des cils et des flagelles qui permet le déplacement de certains organismes unicellulaires se produit grâce à l'utilisation de l'ATP.

Un autre mouvement particulier est celui amibien qui implique la saillie d'un pseudopode aux extrémités des cellules. Plusieurs types de cellules utilisent ce mécanisme de locomotion, notamment les leucocytes et les fibroblastes.

Dans le cas des cellules germinales, la locomotion est essentielle pour le développement efficace de l'embryon. Les cellules embryonnaires parcourent des distances importantes depuis leur lieu d'origine jusqu'à la région où elles doivent créer des structures spécifiques.

Hydrolyse

L'hydrolyse de l'ATP est une réaction qui implique la dégradation de la molécule par la présence d'eau. La réaction est représentée comme suit:

ATP + Eau ⇋ ADP + P _i + énergie. Où, le terme P _i fait référence au groupe phosphate inorganique et ADP est l'adénosine diphosphate. Notez que la réaction est réversible.

L'hydrolyse de l'ATP est un phénomène qui implique la libération d'une immense quantité d'énergie. La rupture de l'une quelconque des liaisons pyrophosphate entraîne la libération de 7 kcal par mole - spécifiquement 7,3 de l'ATP à l'ADP et 8,2 pour la production d'adénosine monophosphate (AMP) à partir de l'ATP. Cela équivaut à 12 000 calories par mole d'ATP.

Pourquoi cette libération d'énergie se produit-elle?

Parce que les produits d'hydrolyse sont beaucoup plus stables que le composé initial, c'est-à-dire l'ATP.

Il est à noter que seule l'hydrolyse qui se produit sur les liaisons pyrophosphates pour donner lieu à la formation d'ADP ou d'AMP conduit à la génération d'énergie en quantités importantes.

L'hydrolyse des autres liaisons de la molécule ne fournit pas autant d'énergie, à l'exception de l'hydrolyse du pyrophosphate inorganique, qui possède une grande quantité d'énergie.

La libération d'énergie de ces réactions est utilisée pour effectuer des réactions métaboliques à l'intérieur de la cellule, car nombre de ces processus ont besoin d'énergie pour fonctionner, à la fois dans les étapes initiales des voies de dégradation et dans la biosynthèse des composés..

Par exemple, dans le métabolisme du glucose, les étapes initiales impliquent la phosphorylation de la molécule. Dans les étapes suivantes, un nouvel ATP est généré, pour obtenir un bénéfice net positif.

Du point de vue énergétique, il existe d'autres molécules dont l'énergie de libération est supérieure à celle de l'ATP, notamment le 1,3-bisphosphoglycérate, le carbamylphosphate, le phosphate de créatinine et le phosphoénolpyruvate.

Obtention de l'ATP

L'ATP peut être obtenu par deux voies: la phosphorylation oxydative et la phosphorylation au niveau du substrat. Le premier a besoin d'oxygène tandis que le second n'en a pas. Environ 95% de l'ATP formé se produit dans les mitochondries.

La phosphorylation oxydative

La phosphorylation oxydative implique un processus d'oxydation des nutriments en deux phases: l'obtention de coenzymes réduites NADH et FADH ₂ dérivées de vitamines.

La réduction de ces molécules nécessite l'utilisation d'hydrogènes issus de nutriments. Dans les graisses, la production de coenzymes est remarquable, grâce à l'énorme quantité d'hydrogènes qu'elles contiennent dans leur structure, par rapport aux peptides ou aux glucides.

Bien qu'il existe plusieurs voies de production de coenzymes, la voie la plus importante est le cycle de Krebs. Par la suite, les coenzymes réduites sont concentrées dans les chaînes respiratoires situées dans les mitochondries, qui transfèrent les électrons en oxygène.

La chaîne de transport d'électrons est constituée d'une série de protéines couplées à la membrane qui pompent les protons (H +) vers l'extérieur (voir image). Ces protons pénètrent et traversent à nouveau la membrane au moyen d'une autre protéine, l'ATP synthase, responsable de la synthèse de l'ATP.

En d'autres termes, nous devons réduire les coenzymes, plus d'ADP et d'oxygène génèrent de l'eau et de l'ATP.

Source: par Bustamante Yess, de Wikimedia Commons

La phosphorylation au niveau du substrat

La phosphorylation au niveau du substrat n'est pas aussi importante que le mécanisme décrit ci-dessus et, comme elle ne nécessite pas de molécules d'oxygène, elle est souvent associée à la fermentation. De cette façon, bien qu'elle soit très rapide, elle extrait peu d'énergie, si on la compare avec le processus d'oxydation elle serait environ quinze fois moins.

Dans notre corps, les processus de fermentation se produisent au niveau musculaire. Ce tissu peut fonctionner sans oxygène, il est donc possible qu'une molécule de glucose soit dégradée en acide lactique (lorsque nous pratiquons une activité sportive exhaustive, par exemple).

Dans les fermentations, le produit final a encore un potentiel énergétique qui peut être extrait. Dans le cas de la fermentation dans le muscle, les carbones de l'acide lactique sont au même niveau de réduction que ceux de la molécule initiale: le glucose.

Ainsi, la production d'énergie se produit par la formation de molécules qui ont des liaisons à haute énergie, y compris le 1,3-bisphosphoglyrate et le phosphoénolpyruvate.

En glycolyse par exemple, l'hydrolyse de ces composés est liée à la production de molécules d'ATP, d'où le terme «au niveau du substrat».

Cycle ATP

ATP n'est jamais stocké. C'est dans un cycle continu d'utilisation et de synthèse. Cela crée un équilibre entre l'ATP formé et son produit hydrolysé, l'ADP.

Source: Par Muessig, de Wikimedia Commons

Autres molécules d'énergie

L'ATP n'est pas la seule molécule composée de nucléoside bisphosphate qui existe dans le métabolisme cellulaire. Il existe un certain nombre de molécules avec des structures similaires à l'ATP qui ont un comportement énergétique comparable, bien qu'elles ne soient pas aussi populaires que l'ATP.

L'exemple le plus frappant est le GTP, guanosine triphosphate, qui est utilisé dans le cycle de Krebs bien connu et dans la voie gluconéogénique. D'autres moins utilisés sont CTP, TTP et UTP.

Références

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