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Adénosine triphosphate (ATP)


Nomenclature IUPAC
Acide 5-(6-aminopurin-9-yl)-3,4-dihydroxy- oxolan-2-ylméthoxy-hydroxy-phosphoryl oxy-hydroxy-phosphoryl oxyphosphonique
Identifiants
Numéro CAS	56-65-5
Données chimiques
Formule brute	C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃
Masse molaire	507,181 g.mol^-1
pKa	6,5
Unités du SI et en CNTP, sauf indication contraire

L'adenosine 5'-triphosphate (ATP) est un nucléotide multifonctionnel principalement impliqué dans les transferts d'énergie au sein de la cellule^[1]. Cette molécule est formée d'une base purique (adénine) lié au carbone 1' d'un pentose (ribose). Trois groupements phosphates sont attachés au carbone 5' du pentose.

L'ATP, produite durant la photosynthèse ou la respiration cellulaire, est utilisée par un nombre important d'enzymes ainsi que dans de nombreux processus cellulaires comme les réactions de biosynthèses, la mobilité ou la division cellulaire. Elle est également retrouvée dans les voies de signalisation cellulaires, où elle est utilisée comme substrat par les kinases qui phosphorylent des protéines et des lipides, ou bien comme substrat pour l'adénylate cyclase qui l'utilise pour former l'AMP cyclique, un second messager. L'ATP est également incorporé dans les acides nucléiques par les polymérases lors de la réplication de l'ADN ou la transcription. Quand l'ATP est utilisée dans la synthèse d'ADN, le ribose est d'abord converti en désoxyribose par une ribonucléotide réductase.

Elle a été découverte en 1929 par Karl Lohmann^[2], mais c'est Fritz Albert Lipmann qui en 1941 montra son rôle en tant que molécule de transport d'énergie dans la cellule^[3].

[modifier] Propriétés physiques et chimiques

[modifier] Généralité

[modifier] Ionisation dans les systèmes biologiques

Constantes de liaisons de l'ATP avec différents métaux[9]
Métaux	Constante de liaison (donnée en "par mole")
Mg²⁺	9 554
Ca²⁺	3 722
Sr²⁺	1 381
Li⁺	25
Na⁺	13
K⁺	8

L'ATP possède de multiples groupements ionisables avec différentes constantes de dissociation. Dans une solution neutre, l'ATP est ionisée et existe principalement sous la forme ATP⁴⁻ avec une petite proportion d'ATP³⁻[8]. Comme l'ATP a plusieurs groupes chargés négativement en solution neutre, elle peut chélater des métaux avec une très forte affinité.

A cause de la force de ces interactions, l'ATP est principalement couplée à Mg²⁺ dans les cellules[8][10].

[modifier] Biosynthèse

La concentration d'ATP au sein de la cellule est généralement comprise entre 1 et 10 mmol.L^-1[11]. L'ATP peut être produite par des réactions d'oxydoréduction utilisant des sucres simples et complexes, ou des lipides comme source d'énergie. Pour que l'ATP puisse être synthétisée, il est nécessaire de dégrader ces sources d'énergie en leurs composants de bases. Les carbohydrates sont hydrolysés en sucres simples comme le glucose et le fructose. Les graisses (triglycérides) sont métabolisées pour donner des acides gras et du glycérol.

L'ensemble des mécanismes oxydant le glucose en dioxyde de carbone est appelé respiration cellulaire et peut produire près de 36 molécules d'ATP à partir d'une seule molécule de glucose[12]. On observe ainsi l'équation bilan suivante :

$\rm{C_6H_{12}O_6+6\,O_2+\sim36 \, ADP+\sim36 \, P_i \rightarrow 6 \, CO_2+\sim36 \, ATP + energie\,thermique}$

L'ATP peut être produite par un nombre de processus cellulaires distincts. Chez les eucaryotes, on distingue trois principales voies : la glycolyse, le cycle de Krebs couplé à la phosphorylation oxydative (les deux formant la respiration cellulaire) et la bêta-oxydation. La plus grande partie de la production d'ATP d'une cellule eucaryote aérobie non-photosynthétique se fait dans la mitochondrie, organite qui peut occuper jusqu'à 25% du volume total d'une cellule typique[12].

[modifier] Glycolyse

Article détaillé : Glycolyse.

Durant la glycolyse, le glucose et le glycérol sont métabolisés en pyruvate. Dans la plupart des organismes, ce processus se déroule dans le cytosol, mais chez certains protozoaires, comme les Kinetoplastea, la glycolyse se déroule dans un organite spécialisé, le glycosome[13].

La glycolyse génère deux molécules d'ATP par la phosphorylation du substrat catalysée par deux enzymes, la phosphoglycérate kinase et la pyruvate kinase. Deux molécules de NADH sont également produites et peuvent être oxydées via la chaîne de transport des électrons utilisée par la phosphorylation oxydative, permettant la synthèse d'ATP additionnel par l'ATP synthase. Le pyruvate généré en fin de glycolyse est utilisé en tant que substrat par le cycle de Krebs.

Équation bilan de la glycolyse :

$\rm{C_6H_{12}O_6+2\,NAD^{+}+2 \, ADP + 2 \, P_i \rightarrow 2 \, C_3H_4O_3 + 2\,NADH,H^{+} +2 \, ATP }$

[modifier] Cycle de Krebs et phosphorylation oxydative

Articles détaillés : Cycle de Krebs et Chaîne respiratoire.

Étapes du cycle de Krebs

Dans la mitochondrie, le pyruvate est oxydé par le complexe pyruvate déshydrogénase en acétyl-CoA qui est finalement totalement oxydé en dioxyde de carbone par le cycle de Krebs (également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique). Chaque tour de ce cycle produit deux molécules de dioxyde de carbone, une molécule de guanosine triphosphate (GTP) ATP-équivalente, trois molécules de coenzyme NADH réduit et une molécule de coenzyme FADH₂ réduit. Ces deux dernières molécules sont recyclées en leur état oxydé (respectivement NAD⁺ et FAD) via la chaîne de transport des électrons qui génère de l'ATP additionnel par phosphorylation oxydative. L'oxydation d'une molécule de NADH permet la synthèse de trois molécules d'ATP, et l'oxydation d'une molécule de FADH₂ permet la synthèse de deux molécules d'ATP[14]. La grande majorité de l'ATP cellulaire est générée de cette manière. Bien que le cycle de Krebs ne nécessite pas lui-même la présence d'oxygène, c'est un processus obligatoirement aérobie car l'O₂ est nécessaire au recyclage des NADH et FADH₂ réduit en leur état oxydée. En l'absence d'oxygène, le cycle de Krebs va cesser de fonctionner à cause du déficit en NAD⁺ et FAD disponible[12].

L'ATP synthase permet la synthèse de l'ATP en utilisant la force protomotrice.

La synthèse d'ATP par la mitochondrie à partir du NADH cytosolique est reliée à la navette malate-aspartate (et dans une moindre mesure la navette glycérol-phosphate). En effet, la membrane interne de la mitochondrie est imperméable au NADH et au NAD⁺. Ainsi, au lieu de transporter le NADH généré, une enzyme, la malate déshydrogénase, converti l'oxaloacétate en malate qui transloqué dans la matrice mitochondriale en consommant la molécule de NADH. Là, une autre malate déshydrogénase catalyse la réaction inverse, générant de l'oxaloacétate et du NADH a partir du malate transporté et du NAD⁺ stocké à l'intérieur de la mitochondrie. Une transaminase converti l'oxaloacétate en aspartate pour permettre le retour à travers la membrane vers l'espace intermembranaire[12].

Lors de la phosphorylation oxydative, le passage des électrons de NADH et FADH₂ par la chaîne de transport des électrons procure l'énergie au pompage des protons hors la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Ceci créé une force protomotrice, résultat d'un gradient de pH et de potentiel électrique a travers la membrane interne de la mitochondrie. Le flux de proton de l'espace intermembranaire à la matrice, diminue ces gradients et procure à l'ATP synthase l'énergie nécessaire à la synthèse d'ATP. Cette enzyme contient une sous unité « rotor » qui tourne physiquement par rapport à la portion statique de la protéine pendant la synthèse d'ATP[15].

La grande majorité de l'ATP synthétisée dans la mitochondrie sera utilisée par différents processus cellulaires dans le cytosol, c'est pourquoi il est nécessaire de l'exporter de son site de synthèse, la matrice mitochondriale. Pour ce faire, la membrane interne contient un transporteur antiport, la ADP/ATP translocase, une protéine intégrée dans la membrane qui permet d'échanger l'ATP nouvellement synthétisée dans la matrice par de l'ADP de l'espace intermembranaire[16]. La translocase fonctionne grâce au potentiel de membrane, et il résulte un mouvement d'environ quatre charges négatives hors de la mitochondrie en échange de trois charges négatives qui y entrent. Cependant, il est aussi nécessaire de transporter le phosphate à l'intérieur de la mitochondrie : le transporteur de phosphate transporte un proton avec chaque phosphate, dissipant partiellement le gradient de protons.

[modifier] Bêta-oxydation

Article détaillé : Bêta-oxydation.

Les acides gras peuvent aussi être dégradés en acétyl-CoA par la bêta-oxydation. Chaque tour de ce cycle réduit la longueur de la chaîne acylée de deux atomes de carbone et produit une molécule de NADH et de FADH₂, qui sont utilisées pour générer de l'ATP via la phosphorylation oxydative.

NADH et FADH₂ étant des molécules riches en énergie, des douzaines de molécules d'ATP peuvent être générées par bêta-oxydation d'une seule longue chaîne acyle. Le haut rendement énergétique de ce processus ainsi que le faible volume occupé par le stockage des acides gras explique pourquoi c'est la principale source de calories de l'alimentation[17].

[modifier] Respiration anaérobie

Articles détaillés : Respiration anaérobie et Fermentation.

La respiration anaérobie ou la fermentation permettent de générer de l'énergie via le processus d'oxydation en l'absence de dioxygène (O₂) comme accepteur d'électrons.

Chez de nombreux eucaryotes, le glucose est utilisé à la fois comme source d'énergie et donneur d'électrons. On distingue deux grands types de fermentation suivant la nature des produits de réaction. Ainsi, la fermentation alcoolique produit, à partir de glucose, de l'éthanol selon l'équation suivante :

$\rm{C_6H_{12}O_6+2 \, ADP + 2 \, P_i \rightarrow 2 \, C_2H_5OH + 2 \, CO_2 + 2 \, ATP}$

La fermentation lactique quand à elle produit, à partir de glucose, de l'acide lactique selon l'équation suivante :

$\rm{C_6H_{12}O_6+2 \, ADP + 2 \, P_i \rightarrow 2 \, C_3H_6O_3 + 2 \, ATP}$

Chez les procaryotes, de multiples accepteurs d'électrons peuvent être utilisés, comme les nitrates, les sulfates ou encore le dioxyde de carbone. Ces processus conduisent respectivement aux processus de dénitrification, réduction des sulfates et acétogénèse de grande importance écologique[18][19].

[modifier] Reconstitution de l'ATP par les nucléoside diphosphate kinases

L'ATP peut aussi être synthétisée par plusieurs réactions de « reconstitution » catalysées par deux familles d'enzymes, les nucléoside diphosphate kinases (NDKs), qui utilisent d'autres nucléosides triphosphates comme donneurs de phosphate énergétiquement riches, et la famille des ATP:guanido-phosphotransférases qui utilisent la créatine.

$\rm{ADP +GTP \rightarrow ATP + GDP }$

[modifier] Production durant la photosynthèse

Article détaillé : Photosynthèse.

Chez les plantes, l'ATP est synthétisée dans la membrane des thylacoïdes des chloroplastes durant la phase claire de la photosynthèse durant un processus connu sous le nom de photophosphorylation. Ici, l'énergie lumineuse est utilisée pour pomper des protons à travers la membrane chloroplastique. Ceci génère une force protomotrice et fait tourner l'ATP synthase, exactement comme lors de la phosphorylation oxydative[20]. Certains de ces ATP produits dans le chloroplaste sont utilisées dans le cycle de Calvin afin de produire des trioses.

[modifier] Recyclage de l'ATP

La quantité totale d'ATP contenue dans le corps humain est proche de 0,1 mole. La majeur partie de l'ATP n'est généralement pas synthétisée de novo, mais est régénérée à partir de l'ADP selon les processus vus précédemment. Ainsi, à un moment donné, la quantité totale d'ATP + ADP reste constante.

L'énergie requise par les cellules humaines nécessite l'hydrolyse de 100 à 150 moles d'ATP par jour, soit environ de 50 à 75 kg. Typiquement, un humain consomme son poids d'ATP durant la journée[21]. Ceci signifie que chaque molécule d'ATP est recyclée 1 000 à 1 500 fois par jour (100 divisé par 0,1 donne bien 1 000). L'ATP ne pouvant être stockée, sa consommation suit de près sa synthèse.

[modifier] Regulation de la biosynthèse

La production d'ATP par les cellules eucaryotes en aérobiose est étroitement régulée par des mécanismes allostériques, par des effets de rétroaction et par la concentration des substrats de chaque enzyme dépendant des voies métaboliques comme la glycolyse ou la phosphorylation oxydative. Les points de régulations apparaissent lors de réactions enzymatiques si énergétiquement favorable qu'il sont effectivement irréversible dans des conditions physiologiques.

Dans la glycolyse, l'hexokinase est directement inhibée par son produit, le glucose-6-phosphate, et la pyruvate kinase est inhibée par l'ATP elle-même. Le principal point de régulation de la glycolyse est la phosphofructokinase (PFK), qui est inhibée allostériquement par une forte concentration d'ATP et activée par une forte concentration d'AMP. L'inhibition de la PFK par l'ATP est inhabituelle, l'ATP étant également un substrat de la réaction catalysée par la PFK; la forme biologiquement active de cette enzyme est un tétramère qui existe dans deux conformations possibles, et seule l'une d'entre-elles fixe le second substrat, le fructose-6-phosphate (F6P). La protéine à deux sites de liaison à l'ATP, le site actif est accessible quelque soit la conformation de la protéine, mais la liaison de l'ATP au site inhibiteur favorise la conformation qui lie de façon médiocre le F6P [14]. Un nombre d'autres petites molécules peut compenser le changement de conformation du à l'ATP dans l'équilibre des conformations et réactiver la PFK, comme l'AMP cyclique, les ions ammoniums, le phosphate inorganique et les fructoses 1,6 et 2,6 biphosphate[14].

Le cycle de Krebs est principalement régulé par la disponibilité des substrats clés, particulièrement le ratio de NAD⁺ - NADH et la concentration en calcium, phosphate inorganique, ATP, ADP et AMP. Le citrate,la molécule qui donne son nom au cycle, est un inhibiteur rétroactif de la citrate synthase et inhibe également la PFK, liant directement la régulation du cycle de Krebs avec la glycolyse[14].

Lors de la phosphorylation oxydative, le point de régulation majeur est la réaction catalysée par la cytochrome c oxydase, qui est régulée par la disponibilité de son substrat, la forme réduite du cytochrome c. La quantité de cytochrome c réduit disponible est directement relié à la quantité d'autres substrats :

$\frac{1}{2}NADH + cyt~c_{ox} + ADP + P_{i} \iff \frac{1}{2}NAD^{+} + cyt~c_{red} + ATP$

Ce qui implique :

$\frac{cyt~c_{red}}{cyt~c_{ox}} = \left(\frac{[NADH]}{[NAD]^{+}}\right)^{\frac{1}{2}}\left(\frac{[ADP][P_{i}]}{[ATP]}\right)K_{eq}$

Ainsi, un haut taux de [NADH +] par rapport à [NAD+] ou un faible taux de [ADP][Pi] par rapport à [ATP] implique un haut taux de cytochrome c réduit et un haut niveau d'activité oxydase du cytochrome c[14]. Un autre niveau de régulation est retrouvé au niveau des taux de transport de l'ATP et du NADH entre la matrice mitochondriale et le cytoplasme[16].

[modifier] Fonction dans les cellules

L'ATP est générée dans la cellule par des processus consommant de l'énergie et est consommé par des processus libérant de l'énergie. Dans cette optique, l'ATP transfère l'énergie entre des réactions métaboliques séparées spatialement. Elle est la principale source d'énergie pour la majorité des fonctions cellulaires, comme la synthèse de macromolécules (ADN, ARN, protéines). L'ATP joue également un rôle crucial dans le transport de macromolécules à travers la [membrane cellulaire], comme lors, par exemple, de l'exocytose ou l'endocytose.

Structure chimique de la désoxyadénosine triphosphate

Lors de la synthèse d'ARN, l'ATP est un des quatre nucléotides directement incorporés dans molécule d'ARN par les ARN polymérases. L'énergie nécessaire à cette polymérisation vient du clivage d'un groupement pyrophosphate (2 groupements phosphates)[22]. Ce processus est similaire à la biosynthèse de l'ADN, mais pour celle-ci, l'ATP est réduit en désoxyribonucléotide dATP avant son incorporation dans l'ADN.

L'ATP est grandement impliquée dans le maintien de la structure cellulaire en facilitant l'assemblage et le désassemblage des éléments du cytosquelette. De même, l'ATP est requise pour permettre le glissement des filaments d'actine par rapport à ceux de myosine nécessaire à la contraction musculaire. Ce dernier processus est un des principaux consommateur d'énergie des animaux et est essentiel pour la locomotion et la respiration.

[modifier] Signalisation cellulaire

[modifier] Signalisation extracellulaire

[modifier] Signalisation intracellulaire

Structure de l'AMP cyclique, un important messager secondaire synthétisé à partir de l'ATP.

L'ATP est nécessaire aux processus de transduction des signaux cellulaires. Elle est utilisée par les kinases comme source de groupement phosphate lors de leurs réactions de transfert de phosphates. L'activité kinase sur des substrats comme des protéines ou des lipides membranaires est une forme commune de transfert de signal cellulaire. La phosphorylation d'une protéine par une kinase peut activer une cascade comme la cascade des MAP (Mitogen-Activated Protein) kinase[25].

L'ATP est également utilisée par l'adénylate cyclase et est transformée en AMP cyclique, un messager secondaire impliqué dans le déclenchement des signaux calciques en induisant le relarguage du calcium de ses centres de stockages intracellulaires[26]. Cette forme de transduction du signal est particulièrement importante dans les fonctions cérébrales, bien qu'elle soit également impliquée dans la régulation d'une multitude d'autres processus cellulaires[27].

[modifier] Synthèse de desoxyribonucléotides

[modifier] Liaison aux protéines

[modifier] Analogues de l'ATP

[modifier] Notes et références

↑ JR. Knowles (1980) "Enzyme-catalyzed phosphoryl transfer reactions". Annu. Rev. Biochem. 49: 877–919. doi:10.1146/annurev.bi.49.070180.004305. PMID 6250450.
↑ K. Lohmann (1929) Über die Pyrophosphatfraktion im Muskel. Naturwissenschaften 17, 624–625.
↑ F. Lipmann (1941) Adv. Enzymol. 1, 99-162.