Notes de Bioénergétique

La bioénergétique est la science qui étudie les mécanismes de transformation et d'échange de l'énergie dans les tissus vivants.
Son objectif est l'étude des mécanismes impliqués dans la capture et l'interconversion de l'énergie.
L'énergie n'est ni produite ni détruite, mais convertie sous diverses formes.
Les organismes utilisent l'énergie lumineuse (photosynthèse) et l'énergie d'oxydation des substrats (respiration).
Les organismes hétérotrophes extraient l'énergie des molécules organiques produites par les autotrophes.
Ces phénomènes se réalisent à température ambiante, sauf chez les mammifères et les oiseaux qui perdent de l'énergie sous forme de chaleur.
L'énergie est fractionnée et stockée grâce à des molécules comportant des liaisons riches en énergie, comme la liaison ester phosphorique dans l'ATP (adénosine triphosphate) et le GTP (guanosine triphosphate).

La source ultime de l'énergie est le soleil.
L'énergie des photons est captée par la chlorophylle et accumulée sous forme d'énergie chimique dans les aliments.
Les organismes extraient et convertissent l'énergie pour leurs besoins.
Deux classes d'organismes:
- Autotrophes (phototrophes): plantes vertes qui utilisent la photosynthèse pour transformer le CO2 et l'H2O en glucose, à partir duquel ils fabriquent des molécules plus complexes.
- Hétérotrophes (chimiotrophes): cellules animales qui tirent leur énergie des aliments (glucides, lipides, protéines) synthétisés par les autotrophes.
L'énergie est libérée par combustion en présence d'oxygène (respiration aérobie), produisant H2O et CO2.
Certaines bactéries obtiennent de l'énergie à partir de molécules inorganiques.

Conservation de l'énergie: l'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle est convertie.
Exemples: énergie électrique en énergie mécanique, énergie chimique en énergie thermique.
Les cellules transforment l'énergie chimique des polysaccharides et graisses en énergie pour les réactions chimiques, en énergie mécanique (déplacement des organites), en énergie thermique (chaleur libérée) ou en énergie électrique (mouvement des ions à travers la membrane).

Les événements évoluent vers un état de moindre énergie.
Toute transformation énergétique diminue la quantité d'énergie disponible pour un autre travail.
Exemples: rochers tombant d'une falaise, charges opposées se déplaçant l'une vers l'autre, chaleur allant vers un corps plus froid.
Ces événements sont spontanés, c'est-à-dire thermodynamiquement favorisés et se produisent sans apport d'énergie externe.

Les cellules sont actives: assemblage de macromolécules, excrétion de déchets, instructions génétiques du noyau vers le cytoplasme, pompage d'ions, déplacement de vésicules.
Cette activité nécessite de l'énergie, définie comme la capacité de réaliser un travail.

Première et seconde lois: l'énergie de l'univers est constante, mais l'entropie augmente.
L'énergie cellulaire est stockée sous forme d'énergie chimique dans les liaisons riches en énergie.
Seule une partie de l'énergie totale (H, enthalpie) est utilisée;
L'énergie libre (G) ne se dissipe pas sous forme de chaleur.
Équation: \Delta H = \Delta G + T\Delta S
\Delta H: variation de l'énergie totale.
\Delta G: variation de l'énergie libre.
T: température absolue (K = °C + 273).
\Delta S: variation d'entropie.
\Delta G = \Delta H - T\Delta S permet d'évaluer la spontanéité (\Delta G négatif pour les transformations spontanées).
Activités exergoniques: \Delta G négatif, thermodynamiquement privilégiées.
Activités endergoniques: \Delta G positif, thermodynamiquement défavorisées, possibles si couplées à des activités exergoniques.

L'entropie mesure le désordre d'un système au niveau microscopique.
Plus l'entropie est élevée, moins les éléments sont ordonnés et moins il y a d'énergie disponible pour le travail.
La perte d'énergie disponible est due à la tendance de l'univers à augmenter le hasard et le désordre.
L'entropie mesure ce désordre, associé aux mouvements aléatoires des particules.
Toute activité augmente l'entropie.
Exemples: dissolution du sucre dans l'eau, liberté de mouvement des molécules augmentant l'entropie.
Libération de chaleur lors de l'oxydation du glucose ou de la friction du flux sanguin.
Les organismes vivants peuvent réduire leur propre entropie en augmentant celle de leur environnement.
L'entropie diminue lorsqu'une molécule relativement simple s'organisent en molécules plus complexes.

Les cellules utilisent l'énergie chimique des aliments enfermée dans les liaisons covalentes.
L'hydrolyse d'une liaison chimique libère environ 3000 calories par mole.
Dans le glucose, environ 686000 calories par mole peuvent être libérées par combustion:

\text{C6H12O6 + 6O2} \rightarrow \text{6H2O + 6CO2 + 686000 calories}

Dans la cellule, la libération d'énergie se fait par étapes contrôlées par des enzymes oxydatives.
Une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur, le reste est récupéré sous forme d'énergie chimique.
L'énergie libérée dans les réactions exergoniques est utilisée pour:
- Synthétiser de nouvelles molécules (protéines, glucides, lipides) par des réactions endergoniques.
- Accomplir un travail (division cellulaire, contraction musculaire).
- Le transport actif contre un gradient osmotique ou ionique.
- Maintenir le potentiel membranaire (transmission nerveuse).
- La sécrétion cellulaire.
- Produire de l'énergie radiante (bioluminescence).
Seule la synthèse de nouvelles molécules transforme l'énergie des aliments en énergie chimique; les autres réactions transforment l'énergie chimique en d'autres formes.
La photosynthèse est la conversion de la lumière solaire en énergie chimique.

L'ATP (adénosine triphosphate) est le principal transporteur d'énergie cellulaire.
Il fournit l'énergie pour de nombreuses réactions chimiques cellulaires (digestion, contraction musculaire, transmission nerveuse, sécrétion glandulaire, production de tissus, circulation).
L'ATP est la « devise énergétique ».
L'hydrolyse de l'ATP est une réaction chimique importante:

\text{ATP + H2O} \rightarrow \text{ADP + Pi + (énergie = 7.3 Kcal)}

La variation d'énergie libre standard est de -7.3 kcal, ce qui rend l'hydrolyse de l'ATP exergonique.
L'ATP donne son énergie par hydrolyse, formant de l'ADP et du phosphate inorganique.
Cette réaction est couplée à d'autres réactions défavorables, permettant la synthèse d'autres molécules.