Qu'est-ce qui détermine si une réaction utilisant l'ATP produit de l'ADP ou de l'AMP?

Question

La plupart des réactions utilisant l'ATP semblent impliquer:

ATP → ADP + Pi

mais dans certains la réaction est

ATP → AMP + PPi

suivie d'une hydrolyse du pyrophosphate:

PPi → 2Pi

Existe-t-il un principe qui détermine quelles réactions nécessitant de l'ATP génèrent de l'ADP et lesquelles génèrent de l'AMP? Et y a-t-il une raison pour laquelle la génération de phosphate inorganique ne se déroule pas comme suit?

ATP → ADP + Pi

ADP → AMP + Pi

Answer 1

Sommaire

C'est la nature de la réaction biochimique qui détermine si une réaction de l'ATP implique l'hydrolyse de la liaison β- ou γ-phosphoanhydride. Si une partie de la molécule d'ATP est incorporée dans l'un des produits, le choix de la liaison à cliver émerge de la chimie de la réaction. Si l'hydrolyse (avec un changement d'énergie libre négatif, ΔG) est couplée à une réaction avec un ΔG positif, l'hydrolyse d'une simple liaison (γ-) phosphoanhydride suffit généralement, avec la production d'ADP et de Pi. Si l'énergie libre d'hydrolyse de la liaison phosphoanhydride est `` transférée '' à une autre molécule afin de `` l'activer '' pour un rôle de transfert de groupe spécialisé (souvent dans la synthèse de macromolécules), deux liaisons sont souvent rompues: la première ( β-) transfère l'énergie libre avec la production de pyrophosphate, tandis que le second (maintenant dans le pyrophosphate) est hydrolysé de manière non productive (énergie libre perdue sous forme de chaleur) pour s'assurer que la réaction globale est irréversible.

Considérations énergétiques dans les réactions impliquant l'ATP

J'en ai discuté plus longuement dans une réponse à une autre question , mais il est important de clarifier cela dès le départ. En considérant les réactions biologiques, il est habituel d'adopter une approche thermodynamique dans laquelle le changement d' énergie libre thermodynamique (Gibbs) (ΔG) de la réaction est considéré. C'est parce que, pour citer Berg et al. :

• Une réaction ne peut se produire spontanément que si ΔG est négatif.
• Un système est à l'équilibre et aucun changement net ne peut avoir lieu si ΔG est nul.
• Une réaction ne peut pas se produire spontanément si ΔG est positif. Un apport d'énergie libre est nécessaire pour conduire une telle réaction.

La littérature fournit les valeurs des variations d'énergie libre standard , ΔG ^o , pour les réactions, c'est-à-dire les valeurs obtenues dans des conditions dans lesquelles la concentration de tous les réactifs et produits est fixée à la même concentration. Le changement réel d'énergie libre, ΔG, dépend de la concentration des réactifs et des produits (effets d'action de masse).

L'hydrolyse des liaisons β- et γ-phosphoanhydride de l'ATP ont toutes deux des valeurs négatives élevées de ΔG ^o de ca. –45 et –30 kJ par mole, respectivement †.

L' utilisation de l' ATP pour entraîner la réaction défavorables s

Dans de nombreux cas, l'hydrolyse de l'ATP est couplée à une réaction énergétiquement défavorable (une avec un + ve ΔG ^o ) de sorte que la réaction couplée a un changement d'énergie libre global négatif et donc la réaction énergétiquement favorable peut avoir lieu:

A → B                    ΔG =  20 kJ/mol (unfavourable)
ATP → ADP + Pi           ΔG = –30 kJ/mol (favourable)
A + ATP → B + ADP + Pi   ΔG = –10 kJ/mol (favourable)

Dans cet exemple hypothétique, 20 kJ / mol de l'énergie libre d'hydrolyse de l'ATP sont utilisés pour convertir A en B, l'autre 10 kJ / mol est perdu sous forme de chaleur, mais rend la réaction essentiellement irréversible. L'énergie d'hydrolyse d'une seule liaison phosphoanhydride est suffisante pour cela, et est obtenue par l'hydrolyse de la liaison γ avec production d' ADP . (L'hydrolyse de la liaison β «lâcherait» la deuxième liaison du pyrophosphate, où son hydrolyse ne peut pas être utilisée de manière productive.) Un exemple est la conversion du pyruvate en oxaloacétate dans la gluconéogenèse, dans laquelle de l'énergie est nécessaire pour former une liaison carbone-carbone:

CH ₃ COCOO ^- + HCO ₃ ^- + ATP → COO ^- CH ₂ COCOO ^- + ADP + Pi

Incorporation d'ATP dans les produits

Dans certains cas, il y a non seulement hydrolyse d'une liaison phosphoanhydride, mais un composant chimique de l'ATP est incorporé dans l'un des produits. Dans ce cas, la réaction chimique réelle détermine quelle liaison est hydrolysée.

Dans le premier type de réaction, un groupe phosphate est incorporé dans le produit, auquel cas ce sera évidemment le y-phosphate et l' ADP sera généré. Un exemple simple de ceci est la réaction hexokinase:

Glucose + ATP → Glucose 6-P + ADP

La réaction est essentiellement irréversible car l'énergie de la liaison hexose phosphate est bien inférieure à celle de la liaison phosphoanhydride.

Dans le deuxième type de réaction, le composant AMP de l'ATP (ou des molécules similaires) est incorporé dans l'un des produits, de sorte que l'autre produit doit être du pyrophosphate . L'exemple évident est la réaction d'ARN polymérase, qui pour nos besoins peut être représentée par:

------ ribose-3′OH + ATP → ------ ribose - 3′O-PO ₂ -O-5′-Adénosine + PPi

ATP et réactions `` d'activation '': justification du pyrophosphate

Dans certaines réactions d'ATP, l'énergie d'une liaison phosphoanhydride est utilisée pour créer une liaison d'énergie libre d'hydrolyse similaire, qui peut elle-même être utilisée ultérieurement pour activer d'autres réactions. Dans ce cas, la réaction peut impliquer peu ou pas de changement d'énergie libre, de sorte qu'elle semble être facilement réversible. Dans de nombreux cas, la liaison ß phosphoanhydride est clivée, générant du pyrophosphate. La raison en est que le pyrophosphate est ensuite converti en phosphate dans une réaction catalysée par des pyrophosphatases, qui a un DG négatif élevé et est donc essentiellement irréversible car l'énergie libre d'hydrolyse de la liaison phosphoanhydride dans le pyrophosphate est perdue sous forme de chaleur.

A + ATP → B + AMP + PPi     ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi                  ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)

Les exemples souvent donnés pour expliquer cela sont les réactions de polymérase d'acide nucléique, mais, bien que cela s'applique également à elles, la nature de leur réaction nécessite la génération de pyrophosphate. Dans une certaine mesure, c'est le cas de la plupart des autres réactions d'activation, mais il peut être plus clair d'en considérer une dans laquelle le composant d'ATP est incorporé en tant qu'intermédiaire temporaire, plutôt qu'en tant que composant du produit final. Une telle réaction est l'activation des acides aminés pour la synthèse des protéines:

acide aminé + ATP → aminoacyl-AMP + PPi

aminoacyl-AMP + ARNt → aminoacyl-ARNt + AMP

L'activation est la formation d'une liaison avec une énergie libre d'hydrolyse élevée dans l'aminoacyl-AMP à partir de la liaison β phosphoanhydride. Ceci est ensuite utilisé pour conduire la réaction formant une liaison entre l'acide aminé et l'ARNt. La génération de pyrophosphate assure l'irréversibilité effective de cette étape clé de la biosynthèse des protéines.

† Rôle possible des différences d'énergie libre d'hydrolyse

Le fait que l'énergie libre standard d'hydrolyse de la liaison β phosphoanhydride soit supérieure à celle de la liaison γ phosphoanhydride peut également être pertinent dans certains cas, comme l'a fait valoir @ user1136 dans sa réponse à cette question .

Answer 2

L'ADN polymérase utilise cette forme de réaction NTP -> NMP + PPi qui est suivie d'une dégradation rapide du pyrophosphate pour une raison très importante. Cela rend la réaction irréversible (ou quasi irréversible). La réaction en arrière est (pratiquement) impossible car pour qu'elle se produise, plusieurs composés doivent se réunir simultanément dans le site catalytique de l'enzyme et plusieurs processus non spontanés doivent se produire simultanément. Ainsi, dans le cas de l'ADN polymérase, une considération importante est l'irréversibilité de la réaction. D'un autre côté, si votre objectif principal est de récolter de l'énergie (par exemple le métabolisme), vous pouvez catalyser la réaction à travers une série d'étapes potentiellement réversibles.