Bioénergies

1. Bioénergies Ou comment les organismes extraits l'énergie de l'environnement Par Richard Villemur, Ph.D. 29 octobre 2013 Professeur INRS-Institut Armand-Frappier 450-687-5010 #4611 richard.villemur@iaf.inrs.ca

2. La vie n'est qu'une succession d'électrons énergisés par le soleil dont l'énergie est filtrée par les organismes. Eléments réduits => é Biosynthèse de Macromolécules ATP NAD(P)H Energie (dG°') é => Eléments oxydés Photosynthèse Géologie

3. Energie libre • L'énergie libre est une mesure issue de la seconde loi de la thermodynamique où tout processus évolue vers le désordre ou l’entropie augmente. • La variation de l'énergie libre (dG) est le reflet d'un travail qui peut être accompli.

4. Réactions chimiques et énergie libre • Dans toutes réactions chimiques, il y a une énergie d'activation qui doit être franchise. • L'emploi d'enzymes chez les organismes sont très efficaces pour diminuer cette barrière.

5. Réactions chimiques et énergie libre • Réaction générale: aA + bB cC + dD • Par convention, on établit le dG° à l'équilibre: • Dans une réaction qui voit la concentration des produits (C,D) plus élevés que les réactifs (A,B), donc une réaction vers la droite, le dG° sera négatif. • Cela veut dire que le système tend vers un énergie plus basse, donc libère de l'énergie = désordre, dans le sens de la 2ème loi de la thermodynamique. • Elle sera donc favorisée.

6. Réactions chimiques et énergie libre La plupart des réactions de dégradation sont exothermiques (dG° négatif)

7. Réactions chimiques et énergie libre • Les réactions enzymatiques impliquées dans les voies principales de synthèses des constituants cellulaires impliques le plus souvent l'apport d'énergie. • La synthèse de ces constituants ont souvent un dG° positif. • L'apport de l'ATP est le vecteur qui abaisse l'énergie requise pour favoriser la réaction. On passe donc d'une réaction endothermique à exothermique.

8. Adénosine-5'-triphosphate (ATP) • Synthèse du saccharose à partir du glucose et du fructose dans des conditions thermodynamiques standards est fortement endothermique et nécessite un apport d’énergie • Glucose + fructose saccharose +H20 • dG°'= +5,5 kcal/mol • Cependant, l’équation globale qui met en jeu un couplage avec la dégradation de l’ATP est en fait exothermique • Glucose + fructose + 2 ATP —> saccharose + 2 ADP + 2 Pi • dG°’ = -8,5 kcal/mol

9. ATP • L'ATP fonctionne de manière cyclique comme transporteur de l’énergie chimique à partir de réactions de dégradation (catabolisme) du métabolisme qui fournissent de l’énergie chimique vers des processus cellulaires variés qui requièrent de l’énergie. • L’ATP ainsi formé va pouvoir fournir son groupe phosphate terminal à des molécules d’accepteurs spécifiques, pour les activer en vue de réaliser différentes fonctions endothermiques dans la cellule, comme par exemple la biosynthèse: • des macromolécules cellulaires (travail chimique), • le transport actif des ions minéraux ou des nutriments cellulaires à travers la membrane contre un gradient de concentration (travail osmotique) et la contraction des muscles (travail mécanique). • L’ATP est formé à partir de I’ADP par des réactions de phosphorylation couplées ou liées, aux dépends de l’énergie engendrée par la dégradation des molécules de combustible cellulaires.

10. Transport d'électrons et énergie • Les réactions d’oxydo-réduction (rédox) sont caractérisées par le transfert des électrons d’un donneur d’électrons sur un accepteur d’électrons. • Réactions d’oxydo-réduction • Accepteur d’électron + é  Donneur d’électron • Oxydant + é  Réducteur • composé oxydé + é  Composé réduit • La tendance d’un agent réducteur à perdre un électron est le potentiel standard de réduction qui est défini comme la force électromotrice (fem), en volts • Le potentiel standard de réduction (E'o) représente une mesure de la pression d’électrons que fournit un couple oxydo-réducteur à l’équilibre, dans des conditions définies. • L’étalon de référence est le potentiel de réduction de la réaction • 2H+ + 2é  H2 E°=-0.42 V • Dans les réactions chimiques, le transfert d'un é s'accompagne du proton H+

11. Les systèmes qui ont un potentiel standard de réduction plus négatif que celui du couple H2/2H+ ont une tendance plus grande que l’hydrogène à perdre leurs électrons; ceux dont le potentiel est plus positif, au contraire, ont une tendance plus faible à les perdre que l’hydrogène et donc à recevoir les électrons.

12. Transport d'électrons et énergie • Les potentiels standard de réduction des différents systèmes biologiques d’oxydo-réduction nous permettent de connaître la direction du flux des électrons d’un couple rédox vers un autre, dans les conditions standards. • Par exemple: • NAD + 2H+ + 2é  NADH + H+E'o= -0.32 V • oxaloacétate + 2H+ + 2é MalateE'o= -0.166 V • NADH + H++ oxaloacetate  NAD + malateE'o=0.32+(-0.166) = 0.154V OxaloacetateMalate • La paire NAD/NADH tend à donner des électrons à la paire oxaloacétate-malate lorsque les quatre constituants sont en présence, puisque le couple NAD/NADH possède un potentiel plus négatif que le couple oxaloacétate-malate • L'oxaloacétate a une affinité plus forte pour les électrons que le NAD. • L’oxygène moléculaire possède une affinité très élevée pour les électrons, bien supérieure à celle des accepteurs biologiques d’électrons, tels que le NAD, les flavoprotéines et les cytochromes. Il en fait un accepteur d'électron qui abaisse grandement l'énergie libre.

13. Transfert d'é et énergie libre • La variation standard d’énergie libre qui se produit lorsque deux paires de systèmes rédox conjugués (de potentiel rédox standard connu) réagissent entre elles est donnée par l’équation • dG°’ =—nF dE'o (n= nbre d'é et F: équivalent calorifique de Faraday) • Cette relation permet de calculer la variation standard d’énergie libre d’une paire d’équivalents d’électrons, passant du NADH à l’oxygène moléculaire. • NADH + H+ <=> NAD +2H+ + 2é E= 0.32 V • O2 + 2H+ + 2é <=> H2O E=0.80 • NADH + H+ + O2 <=> NAD = H2O E=1.12V • dG°'= -52.7 kcal/mol • dG°' ATP= +7.3 kcal/mole • On voit ainsi que, dans les conditions standards, le passage d’une paire d’électrons du NADH à l’oxygène s’accompagne d’une diminution d’énergie libre suffisamment importante pour rendre possible la synthèse de plusieurs molécules d’ATP à partir de l’ADP et de phosphate, à condition évidemment de disposer d’un mécanisme assurant ce couplage.

14. Nicotinamide adénine dinucléotide (NAD/NADH) (é)

15. Glycolyse/fermentation Ethanol

16. Cycle tricarboxylique O || COOH-C-CH2-COOH COOH | COOH-CH2-C-CH2-COOH | OH COOH-CH-CH2-COOH | OH O || COOH-C-CH2-CH2-COOH COOH-CH=CH-COOH COOH-CH2-CH2-COOH

17. Phosphorylationoxydative • L’équation globale des phosphorylations de la chaîne molaire respiratoire peut s’écrire: • NADH + H+ + 3ADP + 3P + 1/202 NAD + 4H20 + 3ATP • En termes de leurs composants exothermiques, • NADH + H+ + 1/202NAD + H20 dG°'=- 52,7 kcal/mol • En termes de leurs composants endothermiques. • 3 ADP + 3 P  3 ATP - 3 H2O dG°'= +21.9 kcol/mol • La phosphorylation couplée de trois molécules d’ATP conserve environ 42 % de la diminution totale d'énergie libre qui apparaît au cours du transport des électrons entre NADH et O2dans les conditions standard d’équilibre.

18. Transport d'électrons et énergie • Les molécules et enzymes d’oxydo-réduction qui interviennent dans la voie principale de transport des électrons d’un substrat organique vers l’oxygène moléculaire sont: • les déshydrogénases à pyridine nucléotide, qui utilisent comme coenzyme NAD ou NADP, • les déshydrogénases flaviniques, qui contiennent comme groupe prosthétique, soit du flavine adénine dinucléotide (FAD), soit du flavine mononucléotide (FMN), • les protéines fer-soufre, • les cytochromes qui contiennent un noyau porphyrine-fer. • L’ubiquinone, • Coenzyme Q, coenzyme liposoluble fonctionne comme un transporteur d’électrons.

19. Phosphorylationoxydative Diminution d’énergie libre lorsqu‘une paire d’électrons descend la chaine respiratoire jusqu'à l’oxygène.

20. Phosphorylationoxydative

21. Phosphorylationoxydative • L'existence d'un potentiel de membrane est indiquée par un voltmètre. • L'état redox des éléments de la chaîne de transport d'électrons est représenté schématiquement en vert - un support relativement complet représente un état plus réduit et un vide relativement représente un état plus oxydé.

22. ATP synthase • Les protons suivent le gradient électrochimique (polarité de la membrane s’ajoutant à la différence de concentration) et traversent la bicouche lipidique au niveau des rotors Fo , qui constituent pratiquement les seuls points de passage. Ce flux provoque la rotation de Fo, rotation due à la neutralisation par les protons des charges portées par les asparagines, ce qui entraîne des changements de conformation des sous unités de F1. Il y a donc conversion de l’énergie osmotique de gradient électrochimique en énergie mécanique de transconformation. • En conformation L, le site catalytique de β a une grande affinité pour l’ADP et l’orthophosphate inorganique Pi, ce qui provoque leur fixation. • En conformation S, le site actif se resserre sur les substrats et les condense en ATP, pour lequel il a une très grande affinité : l’énergie mécanique de contraction du site actif provoque la formation d’une liaison ester phosphorique entre l’ADP et le Pi. • La conformation O, enfin, avec une détente relative du site actif, donc une moindre compatibilité tridimensionnelle avec la molécule d’ATP, permet la libération de celle-ci dans le milieu au contact avec F1. • On parle de catalyse rotationnelle. Ici, une énergie osmotique est convertie en énergie mécanique, elle-même utilisée pour recharger en énergie chimique l’ATP. • http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/atp-synthase/molecular-animations-atp-synthase

23. Rendement énergétique du glucose/O2 • Energie libre conservée sous forme d'ATP • Glycolyse: • Glucose + 2P + 2ADP + 2 NAD -> 2 pyruvate + 2 NADH + 2 H + 2 ATP + 2H2O • Cycle tricarboxylique couplé à la phosphorylation oxydative • 2 Pyruvate + 5O2+ 30 ADP + 30 Pi => 6 CO2+ 30 ATP + 34H2O • Oxydation du NADH lors de la glycolyse • 2NADH + 2H + O2+4P +4ADP =>2NAD + 4ATP + 6H2O • Globalement • Glucose + 6O2+ 36 Pi + 36 ADP => 6CO2+ 36 ATP + 42H20 • Composante exothermique • Glucose + 6O2=> 6 CO2+ 6H2OdG°' = - 686 kcal/mol • composante endothermique • 36 Pi + 36 ADP —> 36 ATP + 36H2OdG°’ = + 263 kcal/mol • Donc un rendement énergétique de 38%

25. Voie de dégradation des acides gras (B-oxydation) L’acétyl-CoA formé dans l’oxydation des acides gras est à son tour oxydé en C02et H20 dans le cycle tricarboxylique. La réaction globale de l’oxydation du palmityl-CoAest: Ce processus récupère environ 40 pour cent de l’énergie libre standard d’oxydation de l’acide palmitique sous forme de liaisons phosphate riches en énergie.

27. Eléments réduits => é Biosynthèse de Macromolécules ATP NAD(P)H Energie (dG°') é => Eléments oxydés Photosynthèse

28. Photosynthèse • L’énergie solaire est la source immédiate d’énergie pour les plantes vertes et les autres autotrophes photosynthétiques, • C'est la source ultime d’énergie pour presque tous les organismes hétérotrophes, par l’intermédiaire d’une chaîne nutritionnelle existant dans la biosphère. • L’énergie solaire captée par le processus de la photosynthèse est la source de plus de 90 % de toute l’énergie utilisée par l’activité humaine sous forme de chaleur, de lumière ou de puissance, puisque le charbon, le pétrole et le gaz naturel, carburants de la plupart des machines sont tous des produits de décomposition de matériaux biologiques formés il y a des millions d’années par des organismes photosynthétiques.

29. Photosynthèse • La quantité totale d’énergie solaire répandue sur la surface de la terre sous forme de photons est immense; on estime qu’elle dépasse 2 x 1025 calories par année. • 12% seulement de cette énergie sont disponibles pour la vie des plantes • Le contenu énergétique d’un photon est représenté par hv • h est la constante de Planck (1,58 X 10-34 cal/s) • v est la fréquence de la radiation. • L’énergie E en kilocalorie. 1.0 Einstein, représente 1,0 mol de lumière contenant 6,023 x 1023 (nombre d’Avogadro) quanta : • E=28 600/longueur d’onde (nm) • Dans la lumière visible, 1.0 Einstein transporte de 40 à 72 kcal d’énergie selon la longueur d’onde de la lumière.

30. Photosynthèse • Représentée par l’équation • 6CO2+ 6H2O=> Lumière => Glucose + 6O2 • La première phase correspond à la capture de l’énergie lumineuse par des pigments absorbant la lumière et sa conversion en énergie chimique sous forme d’ATP et de NADPH. • Eau + NADP + P + ADP => lumière => O2+ NADPH + H+ + ATP • CO2+ NADPH + H+ + ATP => glucose + NADP + ADP + P • OU autres voies de biosynthèse

31. Photosynthèse • Ce sont les électrons qui absorbent la lumière; certaines orbitales électroniques étant plus aptes que d’autres à cette absorption. • Quand un photon frappe un atome ou une molécule capable d’absorber la lumière à une longueur d’onde donnée, l’énergie est absorbée par certains des électrons et l’atome ou la molécule passe à un état excité, riche en énergie. • L’excitation d’une molécule par la lumière est très rapide, nécessitant moins de 10-15 s. • La molécule revient à son état stable en émettant de la chaleur et une lumière de longueur d'onde plus grande (fluorescence). • Par contre dans une réaction photochimique, la molécule excitée peut céder un électron à une autre molécule réactive. • Pigments photosynthétiques • chlorophylles (Vert), • caroténoïdes (Jaune) • phycobilines (bleu ou rouge)

32. Photosynthèse

33. Photosynthèse

34. Photosynthèse

35. Photosynthèse • Diagramme énergétique du transport photosynthétique d’électrons par l’intermédiaire des photosystèmes I et II représenté par rapport au potentiel standard d’oxydo-réduction E’, des couples redox qui interviennent.

36. Photosystème II

37. P680 • Structurally PS II is comprised of >25 polypeptides • At the core of PS II is a pair of chlorophyll a molecules ("the special pair") known as P680. • Upon absorption of a photon, P680 is excited to P680*, which is rapidly transferred to a nearby pheophytin within a few picoseconds. • Within 200-400 ps, the plastoquinone, QA accepts the electron from the pheophytin and transfers it to the QBplastoquinone in 200 ms. • After two reductions by QA, the QBplastoquinone is converted into a plastoquinol, which is replaced by another "new" plastoquinone. • Prior to the second reduction by QA, the positive charge or "hole" on P680+ must be transferred to the manganese cluster via a redox-active tyrosine, known as YZ, and used to oxidize water to oxygen (O2). • The oxidation of water involves 5 different oxidation states of the Manganese cluster (Mn cluster), known as S-states, and requires the absorption of four photons and the reduction of 2 QBplastoquinones.

38. P680 • The special pair of chlorophyll a molecules (Chla)2 is also known as P680. • A pair of chlorophyll a monomers is positioned between the special pair and the pheophytin a molecules shown in the structure. • A pair of equivalent plastoquinone molecules, QA and QB, completes the inventory of organic cofactors. • The Mn4Ca cluster catalyzes H2O oxidation, and along with the tyrosine residue YZ transfers electrons to P680 to reduce the special pair after it has absorbed a photon and transferred an electron to pheophytin a.

39. P700 • PS I contains 11-13 polypeptides • At the core of PS I is a pair of chlorophyll a molecules ("the special pair") known as P700. • Upon absorption of a photon, P700 is excited to P700*, which is sufficiently reducing to transfer the electron to A0, a chlorophyll monomer, in about 14 ps, resulting in the formation of P700+A0- . • Phylloquinone, known as A1, then accepts the electron from the chlorophyll in 35 ps. • A nearby iron-sulfur cluster, FX, is reduced by the phylloquinone in about 200 ps . • Iron-sulfur clusters, FA and FB, from an adjoining subunit accept the electrons in 170 ns. • The electrons are then donated to a soluble Ferredoxin (Fd) which shuttles to FNR (ferredoxin:NADP+ reductase), which catalyzes the reduction of NADP+. • The remaining P700+ is rereduced via plastocyanin

40. Photosystème IIP700 Cofactors of the PSI Reaction Center. The "special pair" of chlorophyll a molecules called P700 is shown in red. The other chlorophyll a species that are part of the pathway of electron transfer are shown in green, and the phylloquinone molecules are shown in dark blue. The primary electron acceptor is the four iron four sulfur cluster called FX, shown here as a red (iron) and yellow (sulfur) cube.

41. Photosynthèse

42. Cycle de Calvin • Une partie de la voie centrale de biosynthèse qui conduit du pyruvate au glucose 6-phosphate est également utilisée dans la formation du glucose à partir du C02,au cours de la photo synthèse. • Les réactions enzymatiques qui, dans les cellules réalisant la photosynthèse, assurent la conservation de l’énergie lumineuse sous forme d’énergie de liaison phosphate de l’ATP et la conservation du pouvoir de réduction sous forme de NADPH • L’ATP et le NADPH ainsi formés servent à réduire le C02 en glucose (ou hexoses) et en d’autres produits réduits, au cours de la phase obscure de la photosynthèse • trois molécules d’ATP sont nécessaires pour chaque molécule de CO2 réduite. • 6 CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O => hexose + 18P + 18ADP + 12NADP

43. Rendement énergétique autre que l'O2 Carbonate Sulfate Nitrate Fe+3 O2 E'o moins oxydant donc rendement énergétique moindre

44. dGo’ de réactions REDOXhttp://www.esf.edu/efb/schulz/Limnology/redox.html • 1. Aerobic Respiration (oxidation of organicmatter) a) reductant CHO, oxidant O2c) delta Go = -686 kcal/mol • 2. Nitrogena) NITRATE REDUCTION ; : DISSIMILATORY NITRATE REDUCTION (i) reductant CHO, oxidant NO3-(iii) delta Go' = -649 kcal/mol (iv) This isdenitrification, reducing nitrate, NO3-, to N2gas • c) Nitrification – production of nitrate a) delta Go = -65.7 kcal/mol b) deltaGo = -17.5 kcal/mol • 3. IronIRON OXIDATION a) reductant Fe2+, oxidant O2c) delta Go ’ = -10.6 kcal/mol

45. dGo’ de réactions REDOXhttp://www.esf.edu/efb/schulz/Limnology/redox.html • IRON REDUCTION b) Can occurwithsomeoxygenpresent, but not energetically favorable c) delta Go ’ = -300 kcal/mol • 4. SulfurSULFATE REDUCTION a) reductant CHO, oxidant SO42-c) delta Go ’ = -190 kcal/mol • SULFIDE OXIDATION a) reductant HS-, oxidant O2c) delta Go ’ = -190 kcal/mol • 5. MethaneMETHANOGENESIS a) reductant H2, oxidant CO2c) delta Go ’ = -8.3 kcal/mol • METHANE OXIDATION a) reductant CH4, oxidant O2c) delta Go ’ = -193.5 kcal/mol

46. Exemples de potentiel redox

48. La terre, environnement réduit à l’origine • The earth’s early atmosphere was strictly reducing (electron donating), containing little oxygen gas (~0%). The early atmosphere included H2, NH3, CH4, H2S and CO2 • During the first half billion years, the earth’s atmosphere was rich in reduced molecules (electron donating potential) and capable of driving photo- and chemical reactions towards a more ordered (less entropy) array of products. • Many organic molecules form spontaneously abiotically (e.g., porphyrins, which presented Life with a core platform for capturing light, transferring electrons, and providing a vehicle for various other catalytic events (Vitamin B-12 e.g.), to name a few) and so the discovery of pathways leading to the first simple redox driven proto-living systems eventually arose. • Outgassing by volcanic and thermal vent activity released, in addition to many of the atmospheric molecules, reduced metals such as iron, as well as phosphorous, sulfides, H2, CH4, H2O and CO2 • Although the total energy pool decreased with time (reducing power) the earth’s atmosphere remained primarily a reducing one until around 600 MYA

49. La terre, environnement réduit à l’origine • Hydrothermal vents and volcanic outgassing created a large reservoir of oceanic Fe(II) and FeS in the early seas. Oxidation of metals by UV radiation in oceanic surface waters may have resulted in an accumulation of Fe and Mn oxide precipitates, which subsequently settled out. These early oxidized metals, such as Fe(III), may have served as life's first electron acceptors • Most attractive ideas of thermal vents as candidates for accommodating first life is their geochemistry. Early in the history of the earth reduced minerals such as Fe(II) and Ni(II) would have steadily been released by these systems. As reduced metals entered into the acidic environment of the sea, the change is temperature may have facilitated precipitation as carbonates, silicas, clays and iron-nickel sulfides. These precipitates, like stalagmites in a limestone cave, would have accumulated and built up around the vents (which is evident in these systems today). It is known that these structures are also cavitous and porous, thereby providing ideal containment for the compartmentalization of first life. Hydrothermal vents may have been life's first "flow reactor" providing a long term stable environment in these shallow seas, with plenty of nutrients and minerals, as well as thermal and chemical potential available to carry out early proto-life processes. • It is believed that these early oxidized/reduced iron bands were probably generated by chemolithoautotrophic iron oxidation or by photoferrotrophic prokaryotes in a oxygen free environment

50. Organismes photosynthétiques • Photolithotrophe • Source de carbone: CO2 • Energie: lumière • Donneurs d'électron: • H2O => plantes et cyanobactéries • H2S, S°, H2 => microorganismes