UE 7: Sciences biologiques - Fichier

2016-2017
Métabolisme des glucides
Biochimie
– UE 7: Sciences biologiques
Semaine : n°3 (du 19/09/16 au
23/09/16)
Date : 22/09/2016
Heure : de 9h00 à
10h00
Binôme : n°51
Professeur : Pr. Tailleux
Correcteur : n°52
PLAN DU COURS
I)
Régulation du cycle de Krebs
II) Chaîne respiratoire – Phosphorylation oxydative
A) Potentiel d'oxydoréduction
B) Le transport des électrons
C) La spécificité des complexes
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Métabolisme des glucides
Le cycle de Krebs se fait en plusieurs étapes qui produisent du CO2, on va jusqu'au bout de l'oxydation du glucose
et on aura la production de cofacteurs réduits (NADH/FADH2).
Un certain nombre d’intermédiaires du cycle de Krebs sont des précurseurs d’autres molécules : réactions
cataplérotiques. Et inversement, un certain nombre d’intermédiaires du cycle de Krebs vont être apportés, insérés
dans le cycle : réactions anaplérotiques (= réactions de remplissage).
→ Connexion entre le métabolisme du glucose et le métabolisme d'autres molécules (notamment les AA).
I)
Régulation du cycle de Krebs
Il va être régulé par :
1° La charge énergétique : elle se fait essentiellement par 2 enzymes clés :
–
Isocitrate déshydrogénase est activée par l’ADP, inhibée par l’ATP (régulations allostériques) et par le
NADH.
Quand le cycle tourne bien, il y a beaucoup de NADH, il va donc être inutile d’en produire encore
d’avantage.
–
Alpha-cétoglutarate déshydrogénase est inhibée aussi par régulation allostérique, c’est-à-dire par l’ATP,
le NADH et le succinylCoA (= produit direct de la réaction)
→ Elle est inhibée vraiment immédiatement par le produit direct de la réaction (le succinylCoA). Le NADH
et par l’ATP qui sont des produits ultérieurs. Donc on observe plusieurs niveaux de régulation donc un
maximum de sécurité.
2° La disponibilité en substrat : s'il n'y a aucun substrat, la 1ère étape du cycle ne pourra pas être entamée et donc
il n'y aura pas de cycle. Ces substrats sont en particulier l'AcétylCoa (AcCoA) et l'oxaloacétate (OAA).
Lorsque la glycolyse fonctionne bien : il y a une abondance de pyruvate. On aura alors transformation du pyruvate
en Acétyl CoA par la pyruvate déshydrogénase.
Pour que l'AcCoA entre dans le cycle de Krebs, il faut qu'il y ait suffisamment d'oxaloacétate (OAA). S'il n'y a pas
assez d'OAA, l'AcCoA ne rentrera pas dans le cycle de Krebs.
Le pyruvate peut aussi donner directement un peu d'OAA par l'intermédiaire de la pyruvate carboxylase. Par
ailleurs, l’AcétylCoa est un activateur de la pyruvate carboxylase. Donc lorsqu'il y a trop d'AcCoA, une petite partie
du pyruvate va être convertie en OAA par la pyruvate carboxylase et ainsi cela va permettre à l'AcCoA d'avoir son
partenaire pour pouvoir entrer dans le cycle de Krebs.
3° Un apport suffisant en O2 : Il faut que le cycle de Krebs fonctionne en milieu aérobie. On sait que la chaine
respiratoire (c'est ce qui va venir après le cycle de Krebs) ne fonctionne qu'en présence d'O2. Donc si on est en
milieu anaérobie, la chaine respiratoire ne fonctionnera pas.
Cette régulation se fait à l’ensemble des voies métaboliques.
Le cycle de Krebs va dépendre de la présence d’oxygène (pas directement) par le biais de la chaine respiratoire.
Exemple : en cas d'hypoxie sévère (détresse cardio-respiratoire) : il y a production importante de pyruvate. Il ne va
pas être transformé en AcCoA mais en lactate. Ce lactate est une molécule acide et lorsqu'il est présent en taux
élevé, il va se produire une hyperlactacidémie. Ceci peut conduire à une acidification du pH sanguin, ce qui va
majorer le syndrome de détresse cardio-respiratoire. Donc le cycle s’arrête, on n’a peu d’énergie libérée et on reste
avec les 2 ATP produits par la transformation du glucose en pyruvate, ce qui est extrêmement faible. Ce qui va
encore majorer les effets de cette détresse respiratoire.
4° L’intégration avec les autres voies métaboliques.
Exemple : Citrate très en aval de la PFK1 → rétro-inhibition.
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Points clés :
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Cycle de Krebs, acides tricarboxyliques, acide citrique
Il se déroule dans les cellules en milieu aérobie
Dans la matrice mitochondriale
7 enzymes solubles + 1 membranaire (Complexe II de la Chaine Respiratoire)
Extraction de l'énergie de l'AcCoA par oxydation en 2 molécules de CO2
AcCoA : provient du pyruvate, Acide Gras, Corps cétoniques (période de jeun prolongé) => alimentent le
cycle de Krebs
Production de 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP par tour de cylce
Plateforme métabolique, réactions ana- et cataplérotiques
Régulation
II) Chaîne respiratoire – Phosphorylation oxydative
La chaine respiratoire est :
 Un ensemble physique (de plusieurs entités moléculaires assemblées) et fonctionnel
 On a à la fois des complexes enzymatiques (de très gros complexes) qui vont fonctionner avec des
transporteurs d'électrons et/ou de protons H+ (certains transporteurs vont transporter uniquement des
électrons et d’autres vont transporter conjointement les électrons et les protons)
 Elle conduit à la formation d'ATP (et H2O)
 Localisée dans la membrane interne de la mitochondrie
Structure de la chaine respiratoire :
On part de molécules qui sont dans le cytosol et il leur faut des transporteurs.
La mitochondrie a sa membrane mitochondriale externe perméable, mais en revanche elle a sa membrane
mitochondriale interne très imperméable. Pour la franchir, il faudra donc des transporteurs. Ces molécules
cytosoliques arrivent dans la matrice et vont être transformées en Ac-CoA via la pyruvate déshydrogénase, puis
elles rentrent dans le cycle de Krebs. Ce cycle produit du NADH. Ce NADH va transférer ces électrons à différents
complexes de la chaine respiratoire. Ces électrons vont passer d'un complexe à l'autre (en passant d’un transporteur
à un autre), jusqu'à l'accepteur final : qui est l'oxygène moléculaire.
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Ce transport des électrons à travers la chaine respiratoire s'accompagne d'une sortie de protons. Ces protons se
retrouvent dans l'espace inter-membranaire : création d'un gradient. Ces protons vont chercher à retourner dans la
matrice pour équilibrer les charges : le seul moyen est de passer par le complexe de l'ATP synthase.
Donc cette entrée va être couplée à la synthèse d’ATP. L’ADP est amené de l'extérieur et il va rentrer. L’ATP, une
fois généré, va sortir.
L’entrée d'ADP est couplé à la sortie d'ATP grâce à la translocase (pas de diffusion passive).
Remarque : Ce NADH est présent dans la matrice. Dans la glycolyse, on a également production de NADH (la
glycolyse a lieu dans le cytosol). On verra par la suite comment se fait le transfert des électrons du NADH du cytosol
à la chaine respiratoire.
A) Le potentiel d'oxydoréduction
Un oxydant capte un électron pour devenir réducteur
Un réducteur cède un électron pour devenir oxydant
Oxydant + Electron → Réducteur
Le potentiel d'oxydoréduction mesure l'affinité d'un transporteur pour les électrons.
E'0 = potentiel redox biologique (pH = 7, 25°C)
Exemple :
NAD+ / NADH + H+
½ O2 / H2O
E'0 = - 0,32 V (le moins oxydant)
E'0 = +0,82 V (le plus oxydant)
Variation d'énergie libre : ΔG'0 = - n F ΔE'0 kcal/mol (kJ / mol)
avec n = nombre d'e- transportés ; F = constante de Faraday = 23 kcal
(a) ½ O2 + 2 e- + 2 H+ → H2O
(b) NAD+ + 2 e- + H+ → NADH
(c) ½ O2 + NADH + H+ → H20 + NAD+
(c) = (a) - (b)
ΔG'0 = - 2 x 23 x (0,82 - (-0,32))
ΔG'0 = -52,6 kcal/mol (exergonique = réaction qui libère de l’énergie)
→ Ordre des transporteurs des électrons = ordre des E'0 croissants
Les électrons vont passer d'un transporteur à faible potentiel redox à un transporteur à plus fort potentiel redox.
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L'oxygène a le plus fort potentiel redox.
Donc ces réactions redox successives vont permettre une libération progressive de l'énergie.
B) Le transport des électrons
Les électrons du NADH vont être transférés au complexe I.
Les électrons vont passer du complexe I au coenzyme Q (très lipophile), puis au complexe III, puis au cytochrome
C (plus amphiphile), puis vont aller jusqu'au complexe IV.
Le co-enzyme Q et le cytochrome c sont de petits transporteurs très mobiles (dynamiques) dans la membrane
mitochondriale.
Les complexes I, II, III, et IV sont de gros complexes, très peu mobiles et très éloignés les uns des autres.
Les électrons du FADH2 vont entrer directement par le complexe II. Puis ensuite ils vont passer par différents
transporteurs : co-enzyme Q puis complexe III, cytochrome c, et complexe IV, jusqu'à l'accepteur final : l'oxygène.
Le passage des électrons par le complexe I, III, IV s'accompagne d'une sortie de protons de la matrice.
Le passage des électrons par le complexe II ne s'accompagne pas d'une sortie de protons.
Ces protons vont retourner ans la matrice par l’ATP synthase.
C) Spécificité des complexes
1- Complexe I
Il s'appelle également NADH-Q-oxydoréductase
C'est un très gros complexe :
 > 900 kDa (alors que l'albumine fait environ 60 Da)
 Environ 46 chaines polypeptidiques
Ce complexe présente le transporteur FMN : flavine mononucléotide. Il transporte à la fois des électrons et des
protons H+.
Il est constitué de 3 cycles :
 Un cycle qui présente des groupements méthyl
 Un cycle central qui présente des groupements azote
 Une chaine carbonée avec un groupement hydroxyle
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Cette forme oxydée du FMN peut d'abord capter un électron + un proton qui va conduire à la formation d'une forme
instable : FMNH°
Cette forme instable va capter un 2ème électron + un 2ème proton pour conduire à la formation de la forme réduite :
FMNH2
On retrouve dans ce complexe différents centres Fer-Soufre :
 Transporte exclusivement les électrons (pas de protons).
 2 Fe – 2 S ; 4 Fe – 4 S (c’est le fer qui va capter les électrons)
 Fe 3+ + e- → Fe 2+
2- Co-enzyme Q = ubiquinone
C'est une petite molécule par rapport aux autres complexes, lipophile et qui sera localisée dans la membrane
mitochondriale donc très mobile.
Ce co-enzyme Q transporte à la fois des électrons et des protons.
Sur le plan moléculaire, on aura une forme quinone oxydé (avec un cycle).
n, quinone
–
n= 10 , ubiquinone = CoQ 10
–
La forme oxydée peut capter un électron et un proton pour donner une forme intermédiaire : semi-quinone.
Cette semi-quinone va capter un électron puis un proton pour conduire à une forme réduite : l'ubiquinone (QH2).
3- Complexe II
Il s'appelle également Succinate-Q-reductase
Ce complexe contient une activité enzymatique : succinate déshydrogénase
C'est un complexe de :
 140 kD
 4 Sous-Unités
Il est localisé au niveau de la membrane interne de la mitochondrie
C'est aussi une enzyme du cycle de Krebs.
Ce complexe comporte 2 autres enzymes :
 Glycérol-phosphate déshydrogénase mitochondriale
 AcCoA déshydrogénase
Les électrons qui arrivent du FADH2 vont être transférés vers des centres fer-soufre puis être transportés au coenzyme Q.
4- Complexe III
Il s'appelle également Q-cytochrome-c oxydoréductase
C'est un gros complexe de :
 250 kD
 11 sous-unités
Ces cytochromes sont des protéines de transfert des électrons contenant des groupements prosthétiques de type
hème (groupement non protéique) : passage du Fe2+ au Fe3+
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Ils sont au nombre de 5 :
–
Cytochrome b et c1 pour le complexe III
Cytochrome c seul
–
Cytochrome a et a3 pour le complexe IV
–
5- Cytochrome c
C'est une petite molécule hydrophile, mobile.
Il permet le transfert des électrons du complexe III au complexe IV.
6- Complexe IV
Il s'appelle également Cytochrome C oxydase
C'est un gros complexe de :
160 kD
–
–
13 sous-unités
On retrouve également les cytochromes a, a3 et Cu
On aura transfert des électrons à l'oxygène moléculaire (= accepteur final), puis production de molécules d'eau.
En théorie, la réduction de l’oxygène doit être totale.
Il peut y avoir une réduction partielle de l'oxygène moléculaire : il capte d'abord un électron, puis un autre. Cela
génère des espèces réactives de l'oxygène (très délétères pour la cellule et leur activité).
O2
→
O2→
anion superoxyde
O22peroxyde
Il existe des systèmes de protection contre les espèces réactives de l'oxygène : superoxyde dismutase (SOD) :
2 O2- +
2 H+ → O2 + H2O2
On a la formation d'oxygène et de peroxyde d'hydrogène.
Le peroxyde d'hydrogène étant délétère pour la cellule, la catalase prend en charge les peroxydes d'hydrogène pour
les transformer en oxygène et en eau.
Catalase : 2 H2O2 → O2 + 2 H2O
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