Bioénergétique Qu’est ce que l’énergie ? Qu’est ce que l’énergie ? Matière Travail Transformer L’énergie permet à la matière de se transformer en générant un travail ou, à l'inverse, de se transformer comme résultat d'un travail. 1 Remarques L'énergie nous apparaît comme une notion concrète lors de transformations de la matière, alors que l'énergie est dans la matière avant toute transformation. Si nous mesurons parfaitement les libérations d'énergie lors des transformations de la matière, il est impossible de mesurer directement l'état d'énergie propre de la matière. Les diverses formes d’énergie Mécanique : le mouvement des masses Electrique : un déplacement d'électrons Chimique : forces liant les atomes entre eux Atomique : forces liant les particules d'un même atome Le rayonnement électromagnétique : libéré lors d’un changement d'orbite d’un électron La chaleur : résulte du mouvement désordonné des molécules 2 La chaleur Comme toutes les autres formes d'énergie, la chaleur permet d'effectuer un travail… MAIS… La chaleur n'est jamais statique Toute libération d'énergie s'accompagne d'une libération de chaleur Rendement En thermodynamique, on appelle rendement, la proportion d’énergie transformée en une autre forme d’énergie, à l’exception de la chaleur Puisque toute transformation s’accompagne d’une libération de chaleur, le rendement est toujours inférieur à 1 3 température Chaleur ≠ Température 0°C temps Energie - Travail - Chaleur Essence consommée = X Travail = 0 Chaleur = Q Niveau d’énergie = E1 4 Essence consommée = X Travail = W1 Chaleur = Q1 Niveau d’énergie = E1 Essence consommée = X Travail = W2 Chaleur = Q2 Niveau d’énergie = E2 Essence consommée = 0 Travail = W3 Chaleur = Q3 Niveau d’énergie = E1 5 Question Pour la même quantité d’essence consommée, la quantité de chaleur libérée au sommet de la côte est : Supérieure Egale Inférieure à la quantité libérée lorsque la voiture roule à plat? Réponse Q2 E2 Q2 < Q1 Q1 = Q2 + Q3 Q3 E1 Q1 E1 6 Attention ! e Dans le langage courant, e d letetravail est lié à l’idée s de coût ou d’effortba ec de dir t n trie e En thermodynamique, le travail n’existe que m mé e lorsque i une variation du niveau nd lilorexiste o d’énergie F ca la Une transformation qui ne modifie pas le niveau d’énergie n’est pas un travail mais peut s’accompagner d’une libération de chaleur Calorimétrie Directe 7 Calorimétrie Directe Bioénergétique La thermo pure et dure ? 8 1er Principe Principe de la conservation de l’énergie L’énergie d’un système isolé* est constante si U symbolise l’énergie interne du système, on a : ∆U = Uf - Ui = W + Q * système qui n’échange pas d’énergie avec le reste de l’univers 2ème Principe La notion de désordre La chaleur ne migre jamais spontanément d’un objet froid vers un objet chaud Une transformation dont le résultat final, unique, serait de transformer entièrement de la chaleur en travail est impossible à réaliser 9 Sens spontané des réactions Le sens spontané d’une réaction dépend de : L’énergie interne (U) L’entropie (S) La pression (p) Du volume (V) De la température (T) Energie libre (G) Prends en compte ces variables selon : G = U + pV - T S Une réaction est spontanée lorsqu’elle s’accompagne d’une diminution de l’énergie libre 10 en biologie Les réactions se font à température, pression et volume constant ∆G = ∆U - T∆S Quand p et V sont constant, U est appelé enthalpie Réaction spontanée G Réactifs ∆G Produits Temps 11 Barrière de potentiel G Energie d’activation ∆G’ Réactifs ∆G Produits Temps La réaction n’a pas lieu malgré un ∆G négatif Pour accélérer la réaction G ∆G’ Réactifs ∆G Produits Temps Il faut augmenter l’énergie interne des réactifs 12 Ou de… e as b de ogie G t n ol e em zym d n ’ en l Fo Réactifs ∆G’ ∆G Produits Temps Abaisser la barrière de potentiel avec un catalyseur Couplage de réactions Comment effectuer une réaction dont le ∆G est positif ? glucose + fructose —> saccharose + eau ∆G = + 5,5 kcal.mole -1 ATP —> ADP + Pi ∆G' = -7,3 kcal.mole -1 ATP + glucose + fructose —> saccharose + ADP + Pi ∆G' = -1,8 kcal.mole -1 13 A quoi servent les ∆G des livres ? A pas grand chose ! Pourquoi ? Loi d’action de masse aA + bB <—> cC + dD La vitesse de la réaction dans le sens gauche-droit est égale à : [A]a x [B]b x k1 La vitesse de la réaction dans le sens inverse est égale à : [C]c x [D]d x k2 À l’équilibre (les deux vitesses sont égales) [A]a x [B]b x k1 = [C]c x [D]d x k2 Constante d’équilibre = k = k2 k1 = [A]a x [B]b [C]c x [D]d 14 ∆G et loi d’action de masse ∆G et loi d’action de masse ∆G = ∆G° - RT ln [A]a x [B]b [C]c x [D]d R est la constante des gaz parfaits et T la température en kelvin A l'équilibre, ∆G = O ∆G° = RT ln k ∆G° est une constante appelée variation standard d'énergie libre et correspond à la variation d'énergie libre de la réaction qui, partant d'un mélange où les différents composés sont à la concentration molaire, arrive à un mélange à l'état d'équilibre 15 Le ∆G d’une réaction Indique la force qui sera libérée ou qu'il faudra dépenser selon que la réaction considérée est ou n'est pas thermodynamiquement favorable Est variable en fonction des concentrations des différents composants de la réaction Révèle l'état d'avancement de la réaction par rapport à l'équilibre Oxydo-réduction Une oxydation est une perte d’électron Une réduction est un gain d’électron Une réaction d’oxydo-réduction est un transfert d’électron d’un composé A vers un composé B A s’oxyde B se réduit 16 Couple redox Ae- B Oxydation Réduction réduit A oxydé Ae-/A oxydé Beréduit Be-/B Donner - accepter 17 Un couple redox particulier de e as ire b de irato t en esp 2em de ne R n Fo haî 2H+ C la NADH+H+ NAD+ NADH/NAD+ 1/2 O2 H2O 1/2 O2/H2O Potentiel Redox Le sens spontanée d’une réaction d’oxydoréduction est dicté par leur ∆G Expérimentalement on peut mesurer cette variation d’énergie libre car il s’agit d’énergie électrique Cette énergie est notée ∆E 18 Potentiel Redox ∆G = - n F ∆E Bioénergétique Comment l’énergie est-elle libérée des aliments ? 19 Hydrogène + Oxygène Eau + ENERGIE NADH + H+ + 1/2 O2 H2 O + ENERGIE 20 Alimentation-Respiration Nutriments Lactate Déchets Hydrogène ATP H2 O Oxygène Travail ADP Métabolisme énergétique C H O N CO2 NH3 Urée Lactate NADH FADH2 ATP H2 O O Travail ADP 21 Les grandes voies métaboliques La biochimie dans les livres Aliments Protéines Polysaccharides Lipides Acides aminés Glucides Acides gras Glycérol ATP Pyruvate Acétyl-CoA Cycle de Krebs CO2 ATP NADH/FADH2 ATP O2 NH3 H2 O 22 Glycolyse ATP glucose glucose 6-phosphate ATP fructose 6-phosphate fructose 1,6-diphosphate 2 Pi + 2 NAD+ glycéraldéhyde 3-phosphate 2 x 1,3-diphosphoglycérate 2 x 3-phosphoglycérate 2 x NADH + H+ 2 x ATP 2 x 2- phosphoglycérate 2 x phosphoénolpyruvate 2 x pyruvate 2 x ATP Glycolyse 1 x glucose 2 x pyruvate 2 x NADH + H+ 2 x ATP 23 Néoglycogenèse 1 x glucose 2 x pyruvate 2 x NADH + H+ 6 x ATP Glycolyse et potentiel Redox 1 x glucose 2 x NAD+ 2 x NADH + H+ 2 x pyruvate 2 x lactate 24 Béta-oxydation C n + CoA ATP AMP ATP 2 ADP C n - CoA NADH + H+ FADH2 Acétyl-CoA C n-2 - CoA Acétyl-CoA Béta-oxydation C n + n/2 x CoA + 2 x ATP n/2 x acétyl-CoA (n/2)-1 x NADH + H+ (n/2)-1 x FADH2 25 Le cycle de Krebs 2C 4C 6C 6C 4C CO2 5C 4C CO2 4C 4C Le cycle de Krebs acétyl CoA NADH + H+ * oxaloacétate citrate NAD+ malate isocitrate * CO2 fumarate FADH2 FAD NAD+ NADH + H+ α-cétoglutarate succinate * ATP CO2 NAD+ succinyl CoA NADH + H+ ADP + Pi 26 Le cycle de Krebs C2H3O-CoAS CoASH 3 x H2O 8xH 2 x CO2 Pyruvate deshydrogenase Pyruvate NAD+ CoASH CO2 NADH + H+ Acétyl-CoA 27 Bioénergétique Mais qui est-ce qui commande ici ? Définitions Concentration Unité de masse/unité de volume Ex: µmol/L Symbole [ ] Flux Unité de masse/unité de volume/unité productrice Ex: µmol/min/g de cellules Symbole J 28 L’état d’équilibre vf A B vr [A] = constante, [B] = constante vf = v r JA->B = 0 L’état stationnaire ε1 A ε2 ε3 B ε4 C D E [A], [B], [C], [D] et [E] sont constantes J A->E = J ε1 = J ε2 = J ε3 = J ε4 = constant 29 Etape limitante: la mort du mythe ε1 A ε2 B ε3 C ε4 D E Etape limitante: la mort du mythe -10% ε1 A ε2 B C J A->E ε4 ε3 D E = constant ? = diminue ? si oui de combien ? 30 Cas n° 1 -10% ε1 A ε2 B ε4 ε3 C E D Cas n° 1 -10% ε1 A ε2 B C ε4 ε3 D E 31 Cas n° 1 -10% ε1 A ε2 B C ε4 ε3 D E Relation Flux-Force J [Substrat] 32 Ça vous étonne ? 33 Cas n° 2 -10% ε1 A ε2 B C ε4 ε3 E D - Cas n° 2 -10% ε1 A B ε2 C ε4 ε3 D E 34 Cas n° 2 -10% ε1 B A ε2 - C ε4 ε3 E D - Cas n° 2 -10% A ε1 B - ε2 C ε4 ε3 D E 35 Cas n° 2 -10% A ε1 B ε2 - C ε4 ε3 E D - Cas n° 2 -10% A ε1 B - ε2 C ε4 ε3 D E 36 Exemple de voie branchée glucose glycerol G3P DHAP pyruvate lactate Relation Flux-Enzyme α J [Inhibiteur] 37 Coefficient de control des flux Exemple de contrôle variable Glucose ± Hexokinase ATP G6P ADP ± CAT ADP ATP 38 Exemple de contrôle variable Glucose PEP PK ATP Pyruvate GTP PEPCK OAA PC ATP 39 Exemple de contrôle variable Relation Flux-Concentration J [Substrat] 40 Elasticité : effet sur le flux d’une variation du substrat J [Substrat] Elasticité d’une enzyme J enz ε substrat ∂ J enz J enz = ∂ substrat substrat 41 Bioénergétique Qu’est ce que le Channelling ? Ce qu’on oublie souvent L’enzymologie que l’on connaît bien Enzymes solubles Extraites de leur milieux naturel Etudiées en suspension dans un milieux aqueux Mais Certaines enzymes sont transmembranaires D’autres enzymes sont fixées La diffusion dans le cytosol ≠ de l’eau Il existe une architecture cellulaire 42 Créatine Kinase ADP + Pi ADP + Pi OXPHOS Travail ATP ADP + Pi ATP PCr ADP PCr ADP + Pi OXPHOS ATP Travail Cr ATP Cr ATP 43 Créatine Kinase ADP + Pi ADP + Pi OXPHOS Travail ATP ATP ADP + Pi PCr ADP PCr ADP + Pi OXPHOS Travail ATP Cr ATP Cr K+ 3Na+ glucose lactate FFA ATP SARCOLEMMA CoA ATP AMP ATP acyl-CoA ß oxidation glycolysis pyruvate ADP Cr SH2 O2 H+ ATP 2 K+ ADP+ Pi Cr PCr PCr H+ H+ H+ Pi ADP ADP PCr Pi glucose T ATP CK mit ATP Cr PCr ADP PCr Cr CK ATP Cr ATP PCr ADP CK CK CK Cr ADP C K ATP CK ATP ADP+ Pi S+H2O MATRIX MITOCHONDRIA 2 Ca2+ sarcopl.ret. MYOFIBRILS VA Saks, 1997 44 Regulation of glycolysis Glucose ATP G-6P Glucose HK HK ADP G-6P pH ATP ADP ATP H+ ADP pyruvate pyruvate lactate Brdiczka & Wallimann Mol Cell Cardiol 1994 Mitochondries A quoi ça ressemble ? 45 Les deux membranes 46 Mitochondries L’oxydation phosphorylante La chaîne respiratoire nH+ n’H+ espace intermembranaire Cyt c Cyt c1 FeS Q Q Cyt c FeS Q FeS 2e- Cyt c Cyt a Cyt bk FMN n’’H+ Cyt bT Cyt a3 2e- matrice NADH 1/2 O2 + 2H+ H2 O 47 La « voie alterne » n’H+ n’’H+ Q Q Cyt c Cyt c Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt bk FeS Q matrice Cyt a3 Cyt bT 2e- 2e- FADH2 1/2 O2 + 2H+ H2 O L'oxydation de l'hydrogène 2e- 2e+2H+ NADH+H+ H2 O 1/2 O2 NAD+ 48 Fonctionnement hypothétique 2 H+ e- e- e- Ub e- e •Ub- UbH2 Ub2- ee- 2 H+ A = B > 49 The winner is ... A = JO2 JO2 JO2 JO2 JO2 JO2 JATP JATP 50 ATP/O ratio JO2 JATP ATP/O = 3 JO2 JATP ATP/O = 2 This means that 1 Glucose 1 Palmitate 38 ATP 131 ATP 51 JATP / JO2 JO2 2 x (JO2 - 20) 250 3 x (JO2 - 10) JATP 200 ADP ATP 150 100 50 0 Glucose 0 G6P 20 40 60 80 100 120 140 160 JO2 Le P/O apparent varie avec la vitesse ! 3 250 200 2 JATP P/O 2,5 1,5 150 100 1 50 0,5 0 0 0 20 40 60 80 100 120140 JO2 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 JO2 52 L’effet d’un découplant Le P/O diminue avec un découplant JO2 250 JATP 200 ATP ADP 150 100 50 0 Glucose Découplant G6P 0 20 40 60 80 100 120 140 160 JO2 Surcouplant 53 Vitesse et rendement JO2 Levure ATP ADP NADH NAD+ G6P Compromis Vitesse/Efficacité Mammifère 54 Rendement et substrats Masse molaire (g) Glucose Acide palmitique 180 256 -1 O2 consommé (l.g ) CO2 produit (l.g-1) Quotient respiratoire NADH produit (mole.mole-1) FADH2 produit (mole.mole-1) Quotient redox Potentiel énergétique (kcal.mole-1) Potentiel énergétique (kcal.g-1) Équivalent énergétique de l'O2 (kcal.l-1) du CO2 (kcal.l-1) Mesure du potentiel énergétique 55 Rendement et substrats Glucose Acide palmitique 180 256 0,747 0,747 1,00 2,013 1,4 0,70 Potentiel énergétique (kcal.mole-1) 697 2480 Potentiel énergétique (kcal.g-1) 3,87 9,69 Équivalent énergétique de l'O2 (kcal.l-1) du CO2 (kcal.l-1) 5,19 5,19 4,81 6,92 Masse molaire (g) -1 O2 consommé (l.g ) CO2 produit (l.g-1) Quotient respiratoire NADH produit (mole.mole-1) FADH2 produit (mole.mole-1) Quotient redox Rendement et substrats Glucose Acide palmitique 180 256 O2 consommé (l.g ) CO2 produit (l.g-1) Quotient respiratoire 0,747 0,747 1,00 2,013 1,4 0,70 NADH produit (mole.mole-1) FADH2 produit (mole.mole-1) Quotient redox 10 2 0,20 31 15 0,48 697 2480 Potentiel énergétique (kcal.g ) 3,87 9,69 Équivalent énergétique de l'O2 (kcal.l-1) du CO2 (kcal.l-1) 5,19 5,19 4,81 6,92 Masse molaire (g) -1 Potentiel énergétique (kcal.mole-1) -1 56 Rendement et substrats Intralipide Glucose Korvald, Am J Physiol 2000 Glucose ou lipides ? 8 volontaires sains 154 W 45% VO2max Contrôles 154 W 154 W 45% VO2max Hypoxie aiguë 45% VO2max Hypoxie chronique Lundby, Acta Physiol Scand. 2002 57 Energie-Travail-Chaleur Alimentation ? Déchets H + O2 Calorimétrie directe H2O + Energie Travail + Chaleur Calorimétrie indirecte Respiration Rendement et substrats Glucose Acide palmitique 180 256 O2 consommé (l.g ) CO2 produit (l.g-1) Quotient respiratoire 0,747 0,747 1,00 2,013 1,4 0,70 NADH produit (mole.mole-1) FADH2 produit (mole.mole-1) Quotient redox 10 2 0,20 31 15 0,48 697 2480 Potentiel énergétique (kcal.g ) 3,87 9,69 Équivalent énergétique de l'O2 (kcal.l-1) du CO2 (kcal.l-1) 5,19 5,19 4,81 6,92 Masse molaire (g) -1 Potentiel énergétique (kcal.mole-1) -1 58 59 Calorimétrie indirecte Mesure de la dépense énergétique Fiabilité correcte (sauf si oxygénothérapie) Appareil d'un prix raisonnable Facile et rapide (1/2 heure) Dépense Energétique Qui dépense quoi ? 60 61