ATP (adénosine triphosphate): structure, fonctions, hydrolyse

L'ATP (adénosine triphosphate) est une molécule organique avec des liaisons de haute énergie constituée d'un cycle adénine, d'un ribose et de trois groupes phosphate. Il joue 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 permet de "payer" rapidement les réactions chimiques nécessitant de l'énergie.

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

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

Il existe deux sources principales d’ATP: la phosphorylation au niveau du substrat et la phosphorylation par oxydation, 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 déroulent à l'intérieur de la cellule, de la synthèse des protéines à la locomotion. De plus, il permet le trafic de molécules à travers les membranes et agit sur la signalisation cellulaire.

La structure

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

- une base azotée, l'adénine. Les bases azotées sont des composés cycliques dont la structure contient un ou plusieurs atomes d'azote. Nous les retrouvons également en tant que composants d'acides nucléiques, d'ADN et d'ARN.

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

- Trois radicaux phosphates. Les deux derniers sont les "liens de haute énergie" et sont représentés dans les structures graphiques avec le symbole de la virgulille: ~. 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 est donc divisé rapidement, facilement et spontanément lorsque les conditions physiologiques de l’organisme le justifient. Cela se produit parce que les charges négatives des trois groupes de phosphates essaient de s’éloigner constamment les unes des autres.

Fonctions

L'ATP joue un rôle indispensable dans le métabolisme énergétique de pratiquement tous les organismes vivants. Pour cette raison, il est souvent appelé devise énergétique, car il peut être dépensé et reconstitué en continu en quelques minutes seulement.

Direct ou indirect, l’ATP fournit l’énergie nécessaire à des centaines de procédés, en plus d’agir en tant que 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 ADN et ARN et pour la synthèse d'autres biomolécules, il participe au trafic à travers les membranes, entre autres.

Les utilisations de l'ATP peuvent être divisées en catégories principales: transport de molécules à travers des membranes biologiques, synthèse de divers composés et, enfin, travail mécanique.

Les fonctions de l'ATP sont très larges. En outre, il est impliqué dans tellement de réactions qu'il serait impossible de toutes les nommer. Par conséquent, nous allons discuter 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 extrêmement dynamique qui nécessite le maintien de concentrations spécifiques. La plupart des molécules ne pénètrent pas dans la cellule de manière aléatoire ou par hasard. Pour qu'une molécule ou une substance puisse entrer, elle doit le faire par son transporteur spécifique.

Les transporteurs sont des protéines qui traversent la membrane et fonctionnent comme des "contrôleurs" cellulaires, contrôlant le flux des matériaux. Par conséquent, la membrane est semi-perméable: elle permet à certains composés d'entrer et d'autres non.

L'un des moyens de transport les plus connus est la pompe à sodium-potassium. Ce mécanisme est classé en tant que transport actif, car le mouvement des ions se produit en fonction de leurs concentrations et le seul moyen d’exécuter ce mouvement consiste à 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 vers l'extérieur de la cellule, tandis que les ions potassium le font dans le sens opposé.

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

Participation à la synthèse des protéines

Les molécules de protéines sont formées par des 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 doivent être hydrolysées pour la formation d'une protéine de longueur moyenne.

La synthèse des protéines se produit dans des structures appelées ribosomes. Ils sont capables d'interpréter le code que possède 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 des protéines peut diriger jusqu'à 75% de l'ATP synthétisé dans cet important travail.

D'autre part, la cellule synthétise non seulement des protéines, elle a également besoin de lipides, de cholestérol et d'autres substances essentielles. 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 exécuter 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 contraction qui le forment. La longueur de ces structures est modifiée, raccourcie, ce qui crée une tension qui engendre la génération de mouvements.

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 permettant le déplacement de certains organismes unicellulaires se fait par l’utilisation de l’ATP.

Un autre mouvement particulier est l'amibe 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 au développement efficace de l'embryon. Les cellules embryonnaires se déplacent sur d'importantes distances depuis leur lieu d'origine vers la région où elles doivent être à l'origine de structures spécifiques.

L'hydrolyse

L'hydrolyse de l'ATP est une réaction qui implique la décomposition 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 désigne le groupe des phosphates minéraux et l’ADP est l’adénosine diphosphate. Notez que la réaction est réversible.

L'hydrolyse de l'ATP est un phénomène qui entraîne la libération d'une immense quantité d'énergie. La rupture de toute liaison pyrophosphate entraîne la libération de 7 kcal par mole - en particulier 7, 3 d'ATP en ADP et 8, 2 pour la production d'adénosine monophosphate (AMP) à partir d'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, à savoir l'ATP.

Il est nécessaire de mentionner que seule l'hydrolyse qui se produit sur les liaisons pyrophosphate pour donner lieu à la formation d'ADP ou d'AMP entraîne une 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 résultant de ces réactions est utilisée pour la réalisation de réactions métaboliques à l'intérieur de la cellule, car bon nombre de ces processus nécessitent de l'énergie pour fonctionner, à la fois dans les étapes initiales des voies de dégradation et dans la biosynthèse de 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 gain 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-biphosphoglycérate, le phosphate de carbamyle, 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 nécessite de l'oxygène tandis que le second n'en a pas besoin. Environ 95% de l'ATP formé se produit dans les mitochondries.

Phosphorylation oxydative

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

La réduction de ces molécules nécessite l'utilisation d'hydrogènes provenant des nutriments. Dans les matières grasses, la production de coenzymes est remarquable, grâce à la quantité énorme d’hydrogènes qu’ils ont dans leur structure, par rapport aux peptides ou aux hydrates de carbone.

Bien qu'il existe plusieurs façons de produire des 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 à l'oxygène.

La chaîne de transport d'électrons est formée par une série de protéines couplées à la membrane, qui pompent les protons (H +) vers l'extérieur (voir image). Ces protons pénètrent à nouveau dans la membrane via 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.

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 généralement associée à la fermentation. Cette voie, bien que très rapide, extrait peu d'énergie, si on la compare au 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 toujours un potentiel énergétique pouvant être extrait. Dans le cas de la fermentation dans le muscle, les atomes de carbone de l’acide lactique ont le même niveau de réduction que ceux de la molécule initiale: le glucose.

Ainsi, la production d'énergie se produit par la formation de molécules ayant des liaisons énergétiques élevées, notamment le 1, 3-biphosphoglirate et le phosphoénolpyruvate.

Dans la 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

L'ATP n'est jamais stocké. C'est dans un cycle continu d'utilisation et de synthèse. De cette manière, un équilibre est créé entre l’ATP formé et son produit hydrolysé, l’ADP.

Autres molécules d'énergie

L'ATP n'est pas la seule molécule composée de nucléosides biphosphates existant dans le métabolisme cellulaire. Il existe une série 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 remarquable est le GTP, la guanosine triphosphate, utilisée dans le cycle de Krebs connu et dans la voie gluconéogénique. Les autres moins utilisés sont les CTP, TTP et UTP.