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4 – TRANSFORMATIONS CHIMIQUES DANS LES

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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques
4 – TRANSFORMATIONS CHIMIQUES DANS LES CELLULES
Bioénergétique
Connaissances
Un organisme vivant est un système ouvert qui échange
de la matière et de l’énergie avec l’extérieur.
Les transformations chimiques dans l’organisme humain se
déroulent à une température et un pH maintenus constants.
Une réaction est favorisée quand l’enthalpie libre standard
de la réaction ΔrG° est négative.
Une transformation chimique est favorisée à pH = 7,0 et à
37°C quand l'enthalpie libre standard de la réaction ΔrG°'
est négative.
Certaines transformations chimiques sont favorisées par le
couplage de réactions exergoniques (ΔrG°'<0) avec des
réactions endergoniques(ΔrG°'>0).
Capacités
Analyser des exemples de réactions biochimiques
pour :
- Déterminer l’enthalpie libre d’une transformation
obtenue par couplage à partir des enthalpies libres de
réaction ΔrG°' mises en jeu.
Notion d'enthalpie libre de réaction
L'enthalpie libre d'un système est l'énergie disponible présente dans un système qui peut être utilisée ou
dispersée lors de réactions chimiques. Lorsque des réactions chimiques ont lieu, l'enthalpie libre, notée G,
varie. Cette variation ΔG se calcule toujours entre l'état final et l'état initial du système soit :
ΔrG = G(état final) – G(état initial)
Soit la réaction r A + B = C + D, la variation d'enthalpie libre sera notée ΔrG avec :
Pourquoi calculer l’enthalpie ?
sens 1
En reprenant la réaction r : A + B
C+D
sens 2
 Etudier le signe de ΔrG permet de connaître le sens spontané d'une réaction. 3 cas sont possibles :
-
Si ΔrG > 0 : le système contient plus d'énergie à l’état final qu’à l'état initial, la réaction ne peut donc
avoir lieue spontanément dans le sens 1. Il faudra apporter au système cette énergie supplémentaire.
C’est une réaction qualifiée d’endergonique dans le sens étudié. Spontanément, la réaction évoluera
dans le sens inverse (sens 2).
-
Si ΔrG < 0 : le système a perdu de l’énergie pour passer de l’état initial à l’état final, la réaction peut
donc avoir lieue spontanément dans le sens 1. C’est une réaction qualifiée d’exergonique dans le
sens étudié. Les réactifs de la réaction se transforment en produits en libérant de l'énergie.
-
Si ΔrG = 0 : Il n’y a ni perte, ni gain d’énergie : il n’y a pas d’évolution du système. Les concentrations
des réactifs et produits n'évoluent plus. Le système a atteint son état d’équilibre. La réaction se
déroule alors dans les 2 sens à des vitesses strictement égales.
 En calculant ΔrG on peut ainsi déterminer le sens d'une réaction et savoir si elle est totale ou
équilibrée.
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques
ΔrG = Gf - Gi < 0
Le système :
………………………………………
………………………………………
………………………………………
 Sens de la réaction :
………………………………………
………………………………………
………………………………………
 Cette réaction spontanée est
dite exergonique.
ΔrG > 0
ΔrG = 0
……………………………………
……………………………………
……………………………………
……………………………………
……………………………………
……………………………………
 Sens de la réaction :
………………………………………
………………………………………
………………………………………
 Sens de la réaction :
………………………………………
………………………………………
………………………………………
Le système :
 Cette réaction
endergonique.
est
dite
 Le système est à l’équilibre.
Les concentrations des réactifs et
produits n'évoluent plus.
L'enthalpie libre standard de réaction chez les organismes vivants
Les cellules fonctionnent comme des systèmes ouverts car elles échangent de l’énergie et de la matière
avec l’environnement : elles prélèvent des nutriments, les transforment et rejettent des déchets dans leur
environnement. Les organismes vivants ont également une particularité : ils maintiennent leurs constituants
à des concentrations stables au cours du temps (par exemple : le pH, la température).
La mesure de la variation d’enthalpie libre d'un système nécessite un état de référence ou état standard
pour pouvoir établir des comparaisons.
 En chimie, l’état standard se définit avec des conditions spécifiques :
− à une température constante de 25°C soit ……………………..
−
à une pression de 1 atmosphère (105 Pascal)
−
pour une concentration à 1 mol/L de tous les solutés présents

……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
Néanmoins, ces conditions ne sont pas toujours applicables aux milieux biologiques.
 Pour les réactions biochimiques, se déroulant dans les systèmes vivants, il a été défini un état
standard apparent noté « 0'» :
− à une température constante de 37°C soit ……………….
−
à une pression de 1 atmosphère (105 Pascal)
− à pH = ……………….
−
pour une concentration à 1 mol/L de tous les solutés présents
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques

……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
Comparaison des états de référence
Etat standard
Etat standard apparent
Défini pour les réactions …
Notation de l’enthalpie
Température
Pression
pH
Concentration des molécules
Calculs de ΔrG’ et ΔrG’o
L’évolution énergétique d’une réaction cellulaire (système biologique) de l’état initial à l’état final s’écrit :
ΔrG’ : ………………………………………………………….
ΔrG’o : ………………………………………………………….
R : ………………………………………………………….
T : ………………………………………………………….
Qr : ………………………………………………………….
- A l’équilibre : ………………………………… alors ………………………………………………………………..
D’où
……………………………………………………………………………………………………………………
La valeur de ΔrG’o permet donc de connaître l’évolution d’un système dans les conditions standards.
Récapitulatif
Etat initial standard
Constante
d’équilibre
Sens
d’évolution
ΔrG° = - R T ln K
prévisible
Type de réaction
Qr initial = 1
Une réaction est donc favorisée quand l’enthalpie libre standard de la réaction ΔrG’° est négative.
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques
Activité 1 : Relation entre ΔrG0 et K
Exercice 1 :
1. Calculer les valeurs de K, constante d’équilibre dans les trois cas suivants :
ΔrG° = -12,5 kJ.mol-1 ; ΔrG° = 12,5 kJ.mol-1; ΔrG° = -0,6 kJ.mol-1
2. Déduire de ces valeurs si la transformation chimique est totale, limitée ou impossible.
Données : T(°K) = T(°C) + 273 ; R = 8,31 J.mol-1.K-1 ; Température = 25°C
Exercice 2 :
Document 1
1. Calculer les variations d’enthalpie libre standard des réactions suivantes à partir des constantes
d’équilibre (pH=7 et T=25°C)
Données : T(°K) = T(°C) + 273 ; R = 8,31 J.mol-1.K-1
2. Préciser la ou les réactions s’effectuant spontanément.
Exercice 3 :
Complétez le tableau suivant (T=25°C) :
Réaction
Constante d’équilibre K
ΔrG0 (kJ/mol)
Sens de réaction
0,053
G6P  G1P
PEP + H2O  Pyruvate + Pi
7,4. 1010
G1P + H2O  Glycérol + Pi
41
G6P  F6P
+ 1,7
Maltose + H2O  2 Glucose
-15,5
ATP + H2O  ADP + Pi
- 30,5
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Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques
Exercice 4 :
La saponification est un processus permettant la fabrication de savons. Les savons sont des sels
(généralement sodiques ou potassiques) d'acides gras, utilisés depuis l'Antiquité pour leurs propriétés
détergentes. La saponification consiste à hydrolyser des triglycérides et d'ioniser les acides gras libérés
afin d'en faire du savon. L'hydrolyse de la fonction ester est partielle, à l'équilibre une partie des réactifs n'a
pas réagi. Le rendement, relativement faible, est d'environ 33%.
1.
Écrire la réaction d'hydrolyse d'un ester.
2.
La constante d'équilibre de la réaction est de 0,25. Calculer le ΔrG0 de cette réaction.
Activité 2 : Variation de l’enthalpie libre dans les cellules
Exercice 1 :
On étudie la réaction d’hydrolyse de l’ATP dans deux tissus différents. Dans ces tissus sont mesurées les
concentrations en ATP, ADP et phosphate en mmol/L.
Document 2
Données : T(°K) = T(°C) + 273 ; R = 8,31 J.mol-1.K-1 ; ΔrGo’ (hydrolyse ATP) = - 30 kJ/mol
1. Calculer la variation d’enthalpie libre de réaction d’hydrolyse de l’ATP à 37°C dans les deux tissus.
2. Conclure.
Exercice 2 :
Document 3
1. Calculer la constante d’équilibre de la réaction de phosphorylation du glucose par le phosphate
inorganique à 37°C.
Données : T(°K) = T(°C) + 273 ; R = 8,31 J.mol-1.K-1)
Dans la cellule, aucune réaction n’est isolée. La variation d’enthalpie libre d’une voie métabolique
permettant de transformer le substrat A en produit E en plusieurs réactions successives (A  B  C
 D  E) et est égale à la somme des variations d’enthalpie libre de chacune des réactions.
Dans la cellule hépatique, les concentrations physiologiques sont les suivantes :
 Glucose : 5,00 mmol.L-1
 Phosphate : 5,00 mmol.L-1
 Glucose -6-phosphate : 0,25 mmol.L-1
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
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Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques
2. Calculer la variation d’enthalpie libre de la réaction de phosphorylation du glucose par le phosphate
inorganique à 37°C.
3. Conclure.
Document 4
Dans la cellule, la phosphorylation du glucose est couplée à
l’hydrolyse de l’ATP (le phosphate provient de l’hydrolyse de
l’ATP).
4. Ecrire le bilan de la réaction couplée.
5. Calculer la variation d’enthalpie libre standard et la constante d’équilibre correspondante.
Donnée : Dans la cellule, aucune réaction n’est isolée. La variation d’enthalpie libre de réaction pour
transformer un substrat est égale à la somme des variations d’enthalpie libre de chaque réaction
successive.
6. Calculer la variation d’enthalpie libre de la réaction couplée à 37°C, sachant que les concentrations
d’ATP et d’ADP sont respectivement de 3,4 et 1,3 mmol.L-1.
7. Conclure.
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4 - RECAPITULATIF COURS
Bioénergétique
Pour une transformation chimique, on peut définir une variation d’enthalpie libre de réaction :
ΔrG = G état final – G état initial
Cette variation représente l’énergie nécessaire à la réaction.

Dans les conditions cellulaires (biochimiques), ΔrG’ est défini également par l’équation suivante :
ΔrG' =
ΔrG’ : variation d’enthalpie libre de la réaction en J.mol-1
ΔrG°’ : variation d’enthalpie libre standard de la réaction en J.mol-1
R : constante des gaz parfaits (8,314 J.mol-1.K-1)
T : température absolue en Kelvin
Qr : quotient réactionnel.
 Prévision du sens de la réaction
La variation d’enthalpie libre renseigne sur le sens d’évolution d’une réaction. Si ΔrG’ = 0 alors la
réaction est à l’équilibre (Qr = K) et :
ΔrGo' =
K=
Réaction possible ………………………………….
la réaction
K……..
ΔrG°’
……………………………………………………….
Réaction …………………………
Qr,i < K
 cas des réactions ……………………………
Réaction possible ………………………………….
……………………………………………………….
La réaction
K……..
ΔrG°’
Qr,i > K
Réaction impossible ……………………………
……………………………………………………….
Réaction …………………………
 cas des réactions ……………………………
Qr,i = K
ΔrG°’
………………………………………………………
………………………………………………………
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Elève
Chapitre 1 : Utilisation des voies métaboliques

Le couplage énergétique
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
ΔrGo1 …..
ΔrGo2 …..
Le couplage n’est possible que si :
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Représentation mécanique du couplage entre une réaction exergonique et endergonique
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