Bioénergétique : thermodynamique, énergie libre et ATP

La bioénergétique étudie comment la cellule extrait, transforme, stocke et utilise l'énergie, en obéissant aux lois de la thermodynamique. Ce chapitre installe les notions d'enthalpie, d'entropie et surtout d'énergie libre de Gibbs, puis présente l'ATP et les composés phosphorylés riches en énergie qui couplent les réactions exergoniques aux réactions endergoniques. Les calculs de ΔG à partir de la constante d'équilibre sont un exercice classique des examens de S4.

1. Métabolisme, catabolisme, anabolisme et types trophiques

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques de la cellule, organisées en voies métaboliques où le produit d'une enzyme est le substrat de la suivante. Le catabolisme dégrade les molécules complexes (glucides, lipides, protéines) en produits simples (CO₂, H₂O, NH₄⁺) et libère de l'énergie, stockée sous forme d'ATP et de pouvoir réducteur (NADH, FADH₂, NADPH). L'anabolisme utilise cette énergie et ces précurseurs pour synthétiser les macromolécules cellulaires. Les deux versants sont couplés par ces intermédiaires communs et se déroulent souvent dans des compartiments ou par des voies différentes, ce qui permet leur régulation indépendante. La cellule est un système ouvert qui échange matière et énergie avec le milieu : elle ne crée pas d'énergie, elle la convertit.

Selon leur source d'énergie et de carbone, on distingue les phototrophes, qui convertissent l'énergie lumineuse (plantes, algues, cyanobactéries, certaines bactéries), et les chimiotrophes, qui tirent leur énergie de l'oxydation de composés chimiques. Les lithotrophes oxydent des composés minéraux (bactéries nitrifiantes, sulfo-oxydantes), les organotrophes des composés organiques (animaux, champignons, la plupart des bactéries). Les autotrophes utilisent le CO₂ comme source de carbone, les hétérotrophes ont besoin de matière organique. L'homme est un chimio-organo-hétérotrophe ; les virus, dépendants totalement de leur hôte, sont parfois qualifiés de paratrophes.

2. Enthalpie, entropie et énergie libre de Gibbs

Le premier principe énonce la conservation de l'énergie. Pour une réaction à pression constante, la chaleur échangée est la variation d'enthalpie ΔH : ΔH < 0 pour une réaction exothermique (chaleur libérée), ΔH > 0 pour une réaction endothermique. Le second principe introduit l'entropie S, mesure du désordre : toute transformation spontanée augmente l'entropie de l'univers (système + milieu). L'énergie totale H se décompose en une fraction utilisable pour fournir du travail, l'enthalpie libre ou énergie libre de Gibbs G, et une fraction dissipée sous forme de désordre, TS : H = G + TS, d'où la relation fondamentale ΔG = ΔH − TΔS (T en kelvins, K = °C + 273). Les unités sont le joule ou la calorie par mole, avec 1 cal = 4,18 J.

Seul ΔG permet de prédire le sens d'une réaction. Si ΔG < 0, la réaction est exergonique : elle est spontanée dans le sens écrit et peut fournir du travail. Si ΔG > 0, elle est endergonique : elle ne se fera que si on lui apporte de l'énergie. Si ΔG = 0, le système est à l'équilibre. Attention aux confusions : ΔH ne prédit pas le sens (une réaction endothermique peut être spontanée si TΔS est assez grand, comme la dissolution de certains sels), et un ΔG négatif ne dit rien de la vitesse, qui dépend de l'énergie d'activation et donc des enzymes. L'oxydation du glucose est très exergonique, mais le sucre se conserve indéfiniment en l'absence de catalyseur.

3. ΔG, ΔG°' et constante d'équilibre

Pour la réaction aA + bB ⇌ cC + dD, la variation d'énergie libre réelle dépend des concentrations : ΔG = ΔG° + RT ln ([C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b), avec R = 8,314 J·mol^-1·K^-1 (≈ 1,987 cal·mol^-1·K^-1). ΔG° est la variation d'énergie libre standard : tous les réactifs à 1 mol/L, 25 °C (298 K), 1 atm. La biochimie utilise l'état standard biologique, noté ΔG°', qui fixe en plus le pH à 7 ([H⁺] = 10^-7 M) et la concentration de l'eau à 55,5 M par convention. À l'équilibre ΔG = 0 et le quotient de réaction égale la constante d'équilibre, d'où la relation clé : ΔG°' = −RT ln K'_eq = −2,303 RT log K'_eq. À 25 °C, 2,303 RT vaut environ 5,7 kJ/mol : chaque facteur 10 sur K'_eq correspond à 5,7 kJ/mol de ΔG°'. Une K'_eq supérieure à 1 signifie ΔG°' négatif (réaction favorable), inférieure à 1 un ΔG°' positif.

Deux conséquences essentielles. D'abord, le ΔG réel dans la cellule peut différer du ΔG°' et même changer de signe si les concentrations s'éloignent des conditions standard : la réaction de la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase ou de l'aldolase ont un ΔG°' positif mais fonctionnent dans le sens de la glycolyse parce que leurs produits sont consommés en aval. Ensuite, les ΔG sont additifs (loi de Hess) : pour une séquence A → B → C, ΔG°'_AC = ΔG°'_AB + ΔG°'_BC et K_AC = K_AB × K_BC. C'est le fondement du couplage énergétique : une réaction endergonique devient possible si elle est associée, par un intermédiaire commun, à une réaction suffisamment exergonique pour que la somme des ΔG soit négative.

4. L'ATP et les composés riches en énergie

L'ATP (adénosine triphosphate) est la monnaie énergétique universelle : adénine, ribose et trois phosphates unis par deux liaisons phosphoanhydride. L'hydrolyse ATP → ADP + Pi libère un ΔG°' d'environ −30,5 kJ/mol (−7,3 kcal/mol), et davantage dans les conditions cellulaires réelles (de l'ordre de −50 kJ/mol). Ce caractère « riche en énergie » s'explique par la répulsion électrostatique entre les quatre charges négatives du triphosphate, la meilleure stabilisation par résonance et la plus forte solvatation des produits ADP et Pi. L'ATP est un intermédiaire : son potentiel de transfert de phosphate est intermédiaire dans l'échelle des composés phosphorylés, ce qui lui permet à la fois d'être formé à partir des composés plus riches et de phosphoryler les composés plus pauvres. Le complexe Mg²⁺-ATP est la forme réellement utilisée par les enzymes.

D'autres composés portent une énergie comparable : les thioesters comme l'acétyl-CoA et le succinyl-CoA (ΔG°' d'hydrolyse voisin de −31 kJ/mol), les autres nucléosides triphosphates (GTP, UTP, CTP) interconvertibles avec l'ATP par la nucléoside diphosphate kinase, et la créatine phosphate qui régénère l'ATP en quelques secondes dans le muscle grâce à la créatine kinase. La phosphorylation au niveau du substrat forme de l'ATP par transfert direct d'un phosphate depuis un composé plus riche (PEP, 1,3-BPG, succinyl-CoA via GTP) ; la phosphorylation oxydative, vue au chapitre suivant, l'obtient grâce au gradient de protons de la chaîne respiratoire. Enfin, la charge énergétique d'Atkinson, ([ATP] + ½[ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]), maintenue vers 0,8 à 0,95 dans les cellules, résume l'état énergétique et règle les voies cataboliques (activées quand elle baisse) et anaboliques (activées quand elle monte).