Bioénergétique : composés " riches en énergie "
Composés à liaison phosphate
ATP (adénosine triphosphate) : rôles

ATP et réactions de transfert

L'hydrolyse de la liaison phosphoanhydride terminale de l'ATP est un processus hautement exergonique.

L'ATP participe à des réactions de transfert : il ne s'agit pas de vraies coenzymes au sens strict.

• L'ATP peut intervenir dans quatre types de réactions de transfert par sa scission.
• Ces réactions, couplées avec une autre réaction, permettent la régénération de l'ATP.

Transfert d'un groupe orthophosphorique et libération d'ADP

Ce transfert est de loin le plus fréquent :

$\ce{R-OH + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{R-O-P + ADP}$

1. La réaction est fortement exergonique.

• La valeur admise actuellement pour $\ce{\Delta G0}$ est d'environ 7,3 kcal.mole^-1 ou 30,5 kJ.mole^-1, plaçant l'ATP à peu près au milieu de la liste des principaux dérivés phosphates biologiques (hiérarchie des composés riches en énergie).
• La libération des produits de la réaction explique ce phénomène (hydrolyse de l'ATP).

2. La réaction est catalysée par des kinases (EC 2.7.x.x), sous-classe des transférases (EC 2.x.x.x) qui transfèrent de nombreux groupes.

3. De nombreuses réactions correspondant au transfert direct d'$\ce{H3PO4}$, sur un alcool (surtout primaire surtout), un phénol, une amide ou un acide.

a. Si le composé formé est lui-même riche en énergie, la réaction est généralement réversible.

$\ce{Créatine + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Créatine-P + ADP}$, liaison N~P

La réaction est catalysée par la créatine kinase (CK, encore appelée créatine phosphokinase ou CPK), i.e. EC 2.7.3.2, et la liaison formée ici est une liaison phosphoamide riche en énergie (liaison N-P).

b. Si le dérivé engendré est porteur d'une liaison phosphorique banale (pauvre en énergie), i.e. esters phosphoriques d'alcool ou de phénol, la réaction est irréversible et la régénération de l'ATP devra s'effectuer par une autre voie.

$\ce{glucose + ATP}$ $\longrightarrow$
$\ce{glucose-6 P + ADP}$

Cette réaction est catalysée par la glucokinase (hexokinase), i.e. EC 2.7.1.1.

b. Ces kinases exigent Mg⁺⁺ pour fonctionner en formant un complexe avec l'ATP, Mg-ATP⁺⁺ ( rôles de Mg⁺⁺).

Remarque : d'autres kinases peuvent catalyser la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et d'un donneur de phosphate à liaison riche comme l'acide phosphoénolpyruvique (PEP) dont $\ce{\Delta G'0}$ (énergie libre ou énergie de Gibbs) est de −61,9 kJ.mole^-1.

Transfert d'un groupe pyrophosphorique

Ce type de transfert, i.e. de PP, est peu fréquent par rapport au transfert de phosphate simple (P).

$\ce{R-OH + ATP}$ $\longrightarrow$ $\ce{R-O-P-P + AMP}$

1. Cette réaction peut être illustrée par la formation du 5-phospho-α-D-ribosyl 1-pyrophosphate, phosphoribosylpyrophosphate (5-PRPP), réaction catalysée par la PRPP synthétase (ou ribose-phosphate diphosphokinase ou ribose-phosphate pyrophosphokinase), i.e. EC 2.7.6.1.

• $\ce{Ribose-5 P + ATP}$ $\longrightarrow$ $\ce{5-P ribosyl P-P + AMP}$
• Cette enzyme est inhibée par l'ADP et le GDP.

2. 5-PRPP est un intermédiaire clé dans plusieurs processus métaboliques essentiels ( rôles du PRPP).

Transfert de l'AMP sur un accepteur

Le transfert de l'AMP sur un accepteur donne naissance à un composé activé, véhiculé par l'AMP, formant un adénylate ( rôles de l'AMP).

1. Au premier stade de la biosynthèse des protéines, les aminoacides sont activés en adénylate d'aminoacides ou aminoacyl-adénylate par une aminoacyl-ARNt synthétase, spécifique à chaque acide aminé.

$\ce{Acide aminé + ATP}$ $\longrightarrow$ $\ce{Aminoacyl-AMP + PPi}$

$\ce{Aminoacyl-AMP + tRNA}$ $\longrightarrow$ $\ce{Aminoacyl-tRNA + AMP}$

2. Cette liaison apporte l'énergie nécessaire à la fixation de l'acide aminé sur l'ARNt avant son utilisation lors de la traduction d'un ARNm en protéines.

Transfert du
reste adénosyle

Le reste adénosyle, i.e. base et ribose, peut être transféré ou intégré dans des molécules activées.

Par exemple, ce processus se rencontre lors des réactions de transfert du groupe méthyle de la méthionine sur un accepteur.

$\ce{Méthionine + ATP}$ $\longrightarrow$ $\ce{S-adénosylméthionine (SAM) + PPi + Pi}$

• La méthionine est activée sous forme de S-adénosyl méthionine (SAM), étudié dans un chapitre spécial.
• Le groupe méthylsulfonium créé est riche en énergie.

Autres rôles de l'ATP

1. Tout d'abord, une des fonctions majeures de l'ATP est celle de médiateur intercellulaire et neuronal et les multiples actions des nucléotides extracellulaires sont relayées par des récepteurs spécifiques, appelés récepteurs purinergiques P2.

a. L’ATP :

• sert de neurotransmetteur dans de nombreuses parties du système nerveux,
• est impliqué dans les mouvements, i.e. ciliaires ou contraction musculaire,
• affecte l’approvisionnement vasculaire en oxygène,
• module la réponse inflammatoire…

b. L’ATP peut :

• soit être sécrétée directement à travers la membrane cellulaire par le biais de canaux protéiques (ATP release through pannexon channels 2015 et Chemical synapses without synaptic vesicles: purinergic neurotransmission via a CALHM1 channel-mitochondrial signaling complex 2019),
• soit être pompée dans des vésicules qui fusionnent ensuite avec la membrane (Functional and Anatomical Identification of a Vesicular Transporter Mediating Neuronal ATP Release 2011).

Remarque : l’ATP est prédominante dans les interactions microglie/neurones dans le cerveau (Microglia monitor and protect neuronal function via specialized somatic purinergic junctions 2019).

La signalisation ATP induite par les lésions tissulaires est un facteur majeur dans les changements rapides microgliaux (Microglia contribute to neuronal synchrony despite endogenous ATP-related phenotypic transformation in acute mouse brain slices 2024).

2. L’ATP est un substrat de l’adénylate cyclase dans les voies de transduction du signal des récepteurs couplés aux protéines G.

$\ce{ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{AMP + diphosphate}$

• L'ATP est transformé en deuxième messager, l’AMP cyclique, qui est impliqué dans le déclenchement des signaux calciques par la libération de calcium à partir des réserves intracellulaires.
• Cette forme de transduction du signal est particulièrement importante dans le fonctionnement du cerveau, bien qu’elle soit impliquée dans la régulation d’une multitude d’autres processus cellulaires.

3. L’ATP est un précurseur des ARN : c’est l’un des quatre nucléotides, avec CTP, GTP et UTP incorporés lors de la transcription.

Dans l'ADN, c’est la dATP (forme désoxyribose) qui est utilisée comme brique de base.

4. L'ATP intervient aussi :

• dans les transporteurs ABC,
• comme stabilisateur de certaines protéines chaperonnes, même sans hydrolyse, comme, par exemple, l'interaction de Hsp70 avec le domaine J des auxillines…

5. L'ATP intervient aussi dans la contraction musculaire dans laquelle l'ATP est initialement liée à la myosine qui intervient avec l'actine ( cycle mécanochimique).

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