cours biochimie métabolique pdf

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• INTRODUCTION
-Illustration de l interdépendance des voies métaboliques
-L'anabolisme
-Le catabolisme
• LA GLYCOLYSE
-La phase préparatoire
-La phase de remboursement
-Le rendement énergétique de la conversion du glucose en pyruvate
-Entrée des oses dans la glycolyse
-Régulation de la glycolyse
• LA NEOGLUCOGENESE
-La biotine est un transporteur mobile de CO2 activé
-La pyruvate carboxylase est activée par l’acétyl CoA
-L’oxaloacétate revient au cytosol par une navette et est transformé en
phosphoénolpyruvate
-Six liaisons phosphate riches en énergie sont dépensées au cours de la synthèse
du glucose à partir du pyruvate
-La néoglucogenèse et la glycolyse sont régulées réciproquement
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• LA NAVETTE MALATE-ASPARTATE
• LA NAVETTE DU GLYCEROL-PHOSPHATE
• LE CYCLE DE L’ACIDE CITRIQUE
-Formation de l’acétyl CoA à partir du pyruvate
-L’oxaloacétate se condense avec l’acétyl coenzymeA pour former du citrate
-Le citrate est isomérisé en isocitrate
-L’isocitrate est oxydé et décarboxylé en a-cétoglutarate
-Le succinyl coenzyme A est formé par la décarboxylation oxydative de l’acétoglutarate
-Une liaison phosphate riche en énergie est formée à partir du succinyl coenzyme
A
-La régénération de l’oxaloacétate par l’oxydation du succinate
-Le contrôle du cycle de krebs
-Le cycle du glyoxylate
• LA CHAINE RESPIRATOIRE ET PHOSPHORYLATION OXYDATIVE
-La chaine d’oxydoréduction
-Oxydoréductions
-Les flux de protons, libération d’énergie osmotique
-La phosphorylation
-Le transport de l’ATP
-Régulation de la chaine respiratoire
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• FERMENTATIONS ALCOLIQUE ET LACTIQUE
• LE PYRUVATE PEUT ETRE TRANSFORME EN ETHANOL, LACTATE OU ACETYL
COENZYME A
• LE METABOLISME DU GLYCOGENE
-La phosphorylase catalyse le clivage phosphorylitique du glycogène en glucose
1-phosphate.
-Un enzyme débranchant est également nécessaire à la destruction du glycogène.
-La phosphoglucomutase transforme le glucose 1-phosphate en glucose 6phosphate.
-Le foie contient de la glucose 6-phosphatase, un enzyme hydrolytique absent du
muscle.
-Le glycogène et synthétisé et dégradé par différentes voies.
-La glycogène synthase catalyse le transfert du glucose de l’UDP-glucose à la
chaîne en croissance.
-Un enzyme branchant forme les liaisons a-1,6.
-Contrôle de la synthèse et de la dégradation du glycogène
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• LA VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE
-Deux NADPH sont formés au cours de la conversion du glucose 6-phosphate en
ribulose 5-phosphate
-Le ribulose 5-phoshate est isomérisé en ribose 5-phosphate par l‘intermédiaire
d’un ènediol.
-La voie des pentoses phosphate et la glycolyse sont reliées par la transcétolase
et la transaldolase.
-La vitesse de la voie des pentoses phosphate est contrôlée par le niveau de
NADP+.
• METABOLISME DES ACIDES GRAS
-Les acides gras sont dégradés par l’élimination séquentielle de deux unités
carbonées
-Mécanisme de l’oxydation des A.G saturés.
-Oxydation des AG insaturés :
-Biosynthèse des A.G
-Régulation de la synthèse des acides gras
-Elongation des AG à longue chaîne et désaturation
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• BIOSYNTHESE DU CHOLESTEROL
-Le bilan de la synthèse des stérols
-Régulation de la synthèse du cholesterol
METABOLISME DES ACIDES AMINES
-Proteolyse
-Transamination
-Désamination
- Transamination et désamination oxydative du glutamate
-Cycle de l’urée
-Lien entre le cycle de l’urée et le cycle de l‘acide citrique
-Devenir du squelette de carbone
-Biosynthèse des acides amines
- Fixation de l’azote moléculaire
LES CORPS CETONIQUES
• METABOLISME DES ACIDES NUCLEIQUES
-Biosynthèse des nucléotides
-Catabolisme des acides nucléiques
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• PHOTOSYSTEMES ( I et II) ET CYCLE DE CALVIN
-La phase lumineuse
-La photophosphorylation cyclique
-La photophosphorylation acyclique
-Bilan du cycle RPP
-Régulation du cycle RPP
Introduction au métabolisme
Toute cellule est le siège de milliers de
réactions chimiques qui mettent en jeu des
transferts de matière et/ou d'énergie.
Cet
ensemble
de
réactions
biochimiques s'appelle le métabolisme.
Les réactions forment un réseau de voies
métaboliques le long desquelles les
molécules, que l'on appelle des métabolites,
sont transformées.
Illustration de l'interdépendance des
voies métaboliques
• La classification basée sur les sources d'énergie définit
2 groupes majeurs d'organsimes :
• les phototrophes qui utilisent l'énergie lumineuse du
soleil et qui la convertissent en une énergie chimique
sous forme de molécules organiques complexes.
• les chimiotrophes qui utilisent ces molécules
organiques comme source d'énergie en les dégradant
par oxydation et qui refournissent des molécules
simples aux phototrophes.
• les chimiotrophes peuvent aussi utiliser comme source
d'énergie des substances inorganiques oxydables
comme le Fe2+, NO2-, NH4+ ou des formes élémentaires
de soufre.
• La
classification
basée
sur
les
sources
de carbone définit 2 autres groupes majeurs
d'organsimes :
• les autotrophes qui utilisent le dioxyde de carbone
comme seule source.
• les hétérotrophes qui utilisent une forme organique du
carbone (par exemple, le glucose) afin de synthétiser
d'autres composés carbonés qui lui sont essentiels.
• les 2 principaux "réservoirs" de carbone sont le
CO2 atmosphérique et le carbone constitutif des êtres
vivants.
• En conséquence, tout organisme appartient à l'un des
4 groupes : photo-autotrophes, photo-hétérotrophes,
chimio-autotrophes, chimio-hétérotrophes.
Anabolisme
• matériaux de construction + ATP ---> macromolécules complexes
• Ensemble des voies métaboliques qui :
• utilisent l'énergie chimique (ATP) générée par les processus
cataboliques pour la synthèse des macromolécules biologiques
complexes : protéines, acides nucléiques, polysaccharides, lipides,
...à partir de molécules de structures simples : acides aminés,
nucléotides, oses simples, glycérol et acides gras, ...
• ou à partir de "matériaux de construction" élémentaires :
CO2 et H2O
• Exemples :
• la photosynthèse dans les chloroplastes
• la synthèse des protéines à partir d'acides aminés
• la néoglucogenèse
• la voie des pentoses phosphates et la cétogénèse
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• Catabolisme
• macromolécules complexes ---> matériaux de construction + ATP
• Ensemble des voies métaboliques qui :
• dégradent les macromolécules biologiques complexes en molécules de
structures simples élémentaires
• pour finir par l'oxydation complète "matériaux de construction"
élémentaires, CO2et H2O.
• Contribuent ou aboutissent à la synthèse d'ATP
• Exemples :
• la glycogènolyse
• la glycolyse
• la transformation du pyruvate en acétyl-CoA
• le cycle de Krebs
• la β-oxydation des acides gras et l'hélice de Lynen
• les navettes pour le transport de pouvoir réducteur
• la chaîne respiratoire dans les mitochondries
• les réactions de transamination - désamination
• le cycle de l'urée
• les corps cétoniques
• L'anabolisme
et
le
catabolisme
ont
lieu simultanément dans la cellule : ces deux processus
sont extrêmement régulés de manière coordonnée.
• Par ailleurs, les voies de biosynthèse et de dégradation
qui pourraient être en compétition sont, chez les
Eucaryotes,
souvent
localisées
dans
des compartiments sub-cellulaires distincts.
• Exemple : la voie de dégradation oxydative des acides
gras est localisée dans la mitochondrie et celle de leur
biosynthèse est localisée dans le cytosol.
• Toutes les réactions du métabolisme se déroulent à
une très grande vitesse, bien supérieure à celles
qu'elles auraient isolément dans la nature, grâce à des
catalyseurs biologiques : les enzymes.
Le pouvoir réducteur des coenzymes
LA GLYCOLYSE
• La voie de la glycolyse correspond à
une série de réactions catalysées
par des enzymes qui dégradent une
molécule de glucose (6 carbones) en
deux molécules de pyruvate (3
carbones)
avec
formation
concomitante de l’ATP. Chez les
eucaryotes, cette transformation a
lieu dans le cytosol de la cellule.
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• La glycolyse se décompose en deux phases :
• - La phase préparatoire où le glucose est
transformé en deux trioses phosphates avec
consommation d'énergie.
• - La phase de remboursement qui produit de
l'énergie sous forme d'ATP.
• La première étape c’est l’étape préparatoire
formée de 5 étapes enzymatiques ;
• 1-L’hexokinase comme toutes les kinases
nécessite Mg 2+ (ou un autre ion métallique
divalent tel que Mn2+). L’ion divalent va former
un complexe avec l’ATP.
• 2-L’isomérisation du glucose 6-phosphate en
fructose 6-phosphate. C’est donc une conversion
d’un aldose en cétose.
• 3-une seconde phosphorylation : le fructose 6phosphate est phosphorylé par l’ATP en fructose
1,6-biphosphate.
• 4-Coupure du fructose 1-6-biphosphate en
glycéraldéhyde
3-phosphate
et
dihydroxyacétone phosphate.
• 5-Le glycéraldéhyde 3-phosphate et la
dihydroxyacétone phosphate sont des
isomères ; la dihydroxyacétone phosphate est
un cétose tandis que le glycéraldéhyde 3phosphate est un aldose. Cette réaction est
rapide et réversible. Deux molécules de
glycéraldéhyde 3-phosphate sont formées à
partir d’une molécule de fructose 1-6biphospate.
La deuxième étape c’est l’étape
remboursement et contient cinq étapes :
de
• 1- Un composé phosphate riche en énergie est
formé au cours de cette réaction d’oxydoréduction.
• 2-Au cours de cette étape , le haut potentiel
de transfert de phosphoryle du 1-3-BPG est
utilisé pour former de l’ATP.
• 3-Dans cette étape on a une réaction de
réarrangement. Mutase : enzyme qui catalyse
le déplacement intramoléculaire d’un
groupement phosphoryle.
• 4- Dans cette réaction un énol est formé par
la déshydratation du 2-phosphoglycérate.
• 5- Dans la dernière réaction, le pyruvate est
formé, et l’ATP est régénéré en même temps.
• Le rendement énergétique de la conversion
du glucose en pyruvate : La réaction nette de
la transformation du glucose en pyruvate est
• Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ -----> 2
pyruvate + 2 ATP + 2 H2O + 2 NADH
• Ainsi deux molécules d’ATP sont formées dans
la conversion du glucose en deux molécules
de pyruvate.
• Entrée des oses dans la voie de la glycolyse
• Bien que le glucose soit l'ose le plus utilisé, de
nombreux autres glucides entrent dans la glycolyse
pour être dégradés et fournir de l'énergie :
• - Glycogène et amidon (polysaccharides de stockage).
• - Maltose, saccharose et lactose (disaccharides).
• - Galactose, mannose et fructose (monosaccharides).
Régulation de la glycolyse
La glycolyse est principalement régulée au niveau de 3 enzymes clés qui sont
la PFK-1, la pyruvate kinase et l'hexokinase.
Régulation de la PFK-1
La PFK-1 est régulée de façon allostérique:
L'ATP et le citrate agissent comme des inhibiteurs
L'AMP et le fructose-2,6-bisphosphate agissent comme des activateurs.
La concentration en fructose-2,6-bisphosphate est donc primordiale sur la
glycolyse. Elle est régulée par la phosphofructokinase-2 dont l'activité sera
différente selon son état de phosphorylation:
Par l'action du glucagon (hormone hyperglycémiante), elle sera phosphorylée et
catalysera la réaction : fructose-2,6-bisphosphate + H2O →fructose-6phosphate + Pi. Ainsi la concentration de fructose-2,6-bisphosphate diminuera et
la glycolyse sera ralentie.
Par l'action de l'insuline (hormone hypoglycémiante) elle sera déphosphorylée et
catalysera la réaction fructose-6-phosphate + ATP →fructose-2,6bisphosphate
+
ADP. Ainsi
la
concentration
de
fructose-2,6bisphosphate augmentera et la glycolyse sera accélérée.
• Régulation de la pyruvate kinase
• La pyruvate kinase est régulée allostériquement et ceci de façon
ubiquitaire :
• L'AMP et le fructose-1,6-bisphosphate sont des activateurs
• L'ATP, l'acétyl-CoA et l'alanine sont des inhibiteurs.
• Au niveau du foie, elle est également régulée de façon covalente
(par l'action d'hormones)
• Le glucagon va phosphoryler cette enzyme pour l'inhiber
• L'insuline va réaliser l'action inverse pour l'activer.
• Régulation au niveau de l'hexokinase
• L'activité de cette enzyme est inhibée par le produit de la réaction,
le glucose 6-phosphate. Si celui-ci s'accumule, sa production va très
vite diminuer et s'équilibrer avec sa consommation. Ce processus
évite l'accumulation de produits intermédiaires.
• LA NEOGLUCOGENESE = LA
GLUCONEOGENESE
• La voie de la néoglucogenèse convertit le pyruvate
en glucose, mais n’est pas l’inverse de la glycolyse:
‐ seules les 7 réactions réversibles de la glycolyse sont
maintenues dans la néoglucogenèse
• ‐les 3 réactions irréversibles de la glycolyse sont
substituées dans la néoglucogenèse afin que la
synthèse du glucose soit thermodynamiquement
favorable.
-Ces étapes sont catalysées par des enzymes
différentes de celles de la glycolyse .
• a-Le phosphoénolpyruvate est formé à partir du
pyruvate par l’intermédiaire de l’oxloacétate. Le
pyruvate est d’abord carboxylé en oxaloacétate aux
dépens de l’ATP. L’oxaloacétate est ensuite décarboxylé
et phosphorylé pour fournir le phosphoénolpyruvate
avec dépense d’une seconde liaison riche en énergie.
• Pyruvate + CO2+ ATP +H2O
oxaloacétate
+ADP +Pi +2 H+
oxaloacétate +GTP
phosphoénolpyruvate
+GDP + CO2
• La première réaction est catalysée par la pyruvate
carboxylase et la seconde par la phosphoénolpyruvate
carboxykinase. La somme de ces réactions est :
• Pyruvate +ATP +GTP +H2O
phosphoénolpyruvate + ADP +GDP +Pi +2 H+
• b- Le fructose 6 phosphate est formé à partir du fructose
1,6 biphosphate par hydrolyse de l’ester phosphate en C1.
La fructose 1,6 biphosphatase catalyse cette hydrolyse :
• fructose 1,6 biphosphate+H 2O
fructose 6
phosphate +Pi
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• c- Le glucose est formé par l’hydrolyse du glucose 6phosphate, par une réaction catalysée par la glucose 6
phosphatase.
• glucose 6-phosphate+H2O
glucose + Pi
• Le glucose 6-phosphate est transporté par un transporteur
protéique spécifique, du cytosol à la lumière du réticulum
endoplasmique où il est hydrolysé par la glucose 6
phosphatase un enzyme lié la membrane. Le glucose et Pi
reviennent vers le cytosol.
• 1-La biotine est un transporteur mobile de
CO2 activé : La pyruvate carboxylase contient
un groupement prosthétique attaché par
covalence ; la biotine, qui sert de transporteur
de CO2 activé.
• 2-La pyruvate carboxylase est activée par
l’acétyl CoA : L’activité de la pyruvate
carboxylase dépend de la présence d’acétyl
CoA.
• 3-L’oxaloacétate revient au cytosol par une navette et
est transformé en phosphoénolpyruvate.
• La pyruvate carboxylase est un enzyme mitochondrial ;
alors que les autres enzymes de la néoglucogenèse
sont cytoplasmiques. L’oxaloacétate, le produit de la
réaction de la pyruvate carboxylase est transporté à
travers la membrane mitochondriale sous forme de
malate. L’oxaloacétate est réduit en malate à
l’intérieur de la mitochondrie par une malate
déshydrogénase utilisant le NADH. Le malate est
transporté par un transporteur à travers la membrane
mitochondriale et réoxydé en oxaloacétate dans le
cytosol par une malate déshydrogénase utilisant le
NAD+. L’oxaloacéate est simultanément décarboxylé et
phosphorylé
par
la
phosphoénolpyruvate
carboxykinase dans le cytosol.
• 4-Six liaisons phosphate riches en énergie sont dépensées
au cours de la synthèse du glucose à partir du pyruvate :
• La stoechiométrie de la néoglucogenèse est :
• 2 pyruvate+4 ATP+2GTP+2 NADH +6 H2O
glucose
+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+
+
2H+
En revanche, la stoechiométrie pour la réversibilité de la
glycolyse est :
• 2 pyruvate +2 ATP +2 NADH +2 H2O
glucose +2
ADP +2Pi +2NAD+
• Notons que six liaisons phosphate riches en énergie sont
utilisées pour synthétiser le glucose à partir du pyruvate
dans la néoglucogenèse, alors que seulement deux
molécules d’ATP sont formées dans la glycolyse pour la
conversion du glucose en pyruvate.
• 5-La néoglucogenèse et la glycolyse sont
régulées réciproquement :
• La néoglucogenèse et la glycolyse sont
coordonnées de telle sorte qu’une voie est
relativement inactive, alors que l’autre est
hautement active
• L’interconversion du fructose 6 phosphate et
du fructose 1 ,6 biphosphate est un site clé de
contrôle. L’AMP stimule la phosfofructokinase
alors qu’elle inhibe la fructose 1,6
biphosphatase. Le citrate a un effet opposé.
Ces enzymes sont aussi contrôlées par le
fructose 2,6 biphosphate. Quand le glucose
est abondant une cascade déclenchée par les
hormones conduit à une concentration élevée
de fructose 2,6 biphosphate qui stimule la
phosphofructokinase et inhibe la fructose 1,6
biphosphatase. La glycolyse est donc
accélérée et la néoglucogenèse diminuée.
• Au cours du jeûne, la concentration de F-2,6BP chute, ce qui diminue l’activité de la
phosphofructokinase et augmente celle de la
phosphatase. En conséquence, le fructose 1,6
biphosphate est transformé en fructose 6phosphate pour former du glucose. Le
fructose 2 ,6 biphosphate joue donc un rôle
important dans le
déterminisme de la
dégradation ou de la synthèse du glucose.
• La pyruvate kinase
et la pyruvate
carboxylase sont aussi réciproquement
régulées. Le fructose 1,6 biphosphate stimule
et l’ATP inhibe la pyruvate kinase, alors que
l’acétyl CoA stimule et l’ADP inhibe la pyruvate
carboxylase.
La phosphoénolpyruvate
carboxykinase est également inhibée par
l’ADP quand la charge énergétique d’une
cellule est faible. Le pyruvate est donc
canalisé vers le phosphoénolpyruvate et la
néoglucogenèse, et cette voie est favorisée
quand la cellule est riche en carburant et en
ATP.
• Navette malate-aspartate
•
• Le coenzyme NADH est souvent produit par des
déshydrogénases cytoplasmiques comme l'alcool
déshydrogénase. La masse moléculaire de ce
coenzyme ne lui permet pas de franchir les
membranes de la mitochondrie. Il en est de
même d'autres coenzymes et de nombreux
métabolites.
• Chez les animaux, des voies métaboliques
particulières, appelées navettes mitochondriales,
permettent à ces composés de franchir ces
membranes.
• La navette malate/aspartate est la première de
ces voies. La malate déshydrogénase ou MDH est
une enzyme présente aussi bien dans le
cytoplasme que dans les mitochondries. D'une
masse de 62000 daltons, elle catalyse une
réaction d'oxydoréduction couplée entre le
couple malate/oxaloacétate et le coenzyme
NAD+/NADH. Cette réaction est réversible bien
que l'équilibre ne soit atteint que pour une
concentration de malate très supérieure à celle
de l'oxaloacétate : lorsque le coenzyme est réduit
la réaction est donc favorable à la formation du
malate ; lorsqu'il est oxydé le produit est
l'oxaloacétate.
• Si le rapport des concentrations NADH/NAD+
dans
le
cytoplasme
et
l'espace
intermembranaire vient à s'élever par
l'activité des déshydrogénases à NAD
cytoplasmiques, le MDH cytoplasmique
réduira de l'oxaloacétate en malate ; ce
malate
qui
diffuse
dans
l'espace
intermembranaire va être échangé par le
transporteur de la membrane interne contre
un a -cétoglutarate qui sort.
• Une fois entré dans la matrice, le malate se
trouve dans un milieu où par suite de l'activité
de la chaîne respiratoire le rapport
NADH/NAD+ est plus bas. La MDH
mitochondriale va donc oxyder ce malate en
oxaloacétate : de cette façon, l'hydrogène du
NADH qui avait servi à réduire le malate à
l'extérieur, se trouve transporté à l'intérieur
de la mitochondrie.
• L'ASAT (Aspartate aminotransférase = ASAT)
mitochondriale peut utiliser cet oxaloacétate
supplémentaire qu'elle transforme en
aspartate, tandis qu'elle convertit un
glutamate en a -cétoglutarate pour remplacer
celui qui est sorti. Il y a donc un glutamate en
moins et un aspartate en trop dans la
mitochondrie. Le second transporteur fera
sortir l'aspartate en échange d'un glutamate
et d'un proton.
• L'ASAT
cytoplasmique
remplacera
le
glutamate fourni en transférant la fonction
amine de l'aspartate sur l‘a -cétoglutarate
sorti grâce au premier transporteur et libérera
un oxaloacétate qui peut recommencer le
cycle.
• En écrivant le bilan de tous ces échanges, on
trouve qu'il est entré dans la mitochondrie :
– un hydrogène et un électron qui ont été
transportés d'un NADH cytoplasmique vers un
NAD+ mitochondrial.
– deux protons, l'un avec le malate, l'autre avec
l'acide glutamique.
• Le Calcium, second messager de la contraction
musculaire est un activateur de ce transport.
• La navette malate aspartate permet la
synthèse de 3 ATP (contrairement à la navette
glycérol P qui n’en produit que 2).
La navette du glycérol phosphate
• Lors de la glycolyse le NADH est formé dans
l’oxydation du glycéraldéhyde 3 P. Pour que la
glycolyse puisse continuer , du NAD+ doit être
régénéré. La solution est que les e- du NADH
plutôt que le NADH lui-même soit transporté
à travers la membrane mitochondriale par
l’intermédiaire
d’un transporteur,
ce
transporteur est le glycérol 3 P qui traverse
facilement la membrane mitochondriale
externe.
• La première réaction de cette navette est le
transfert des e- du NADH au dihydroxyacétone
phosphate pour former le glycérol 3 P.
• Cette réaction a lieu dans le cytosol, elle est
catalysée par la glycérol 3 P déshydrogénase.
Le glycérol 3P pénètre alors dans la
mitochondrie où il est réoxydé en
dihydroxyacétone par le groupe prosthétique
de déshydrogénase à FAD liée à la membrane
mitochondriale interne, elle est différente de
la déshydrogénase liée au NAD+ du cytosol. La
navette du G3P est unidirectionnelle.
• Remarque : la flavine réduite à l’intérieur de la
mitochondrie transfert ses e- à la chaine
respiratoire au niveau de la coenzyme Q ; par
conséquent seulement 2 ATP sont synthétisés
lors du transport du NADH par la navette
glycérol P après son oxydation dans la chaine
respiratoire. La navette glycérol-phosphate est
très active dans les muscles de vol des
insectes.
• LE CYCLE DE L’ACIDE
CITRIQUE
• Dans les conditions aérobies, l’étape suivante
dans la formation de l’énergie à partir du
glucose est la décarboxylation oxydative du
pyruvate en acétyl coenzyme A. Cette unité
acétyl activée est ensuite complètement
oxydée en CO2 par le cycle de l’acide citrique,
série de réactions qui est connue sous le nom
de cycle de l’acide tricarboxylique ou cycle de
krebs.
• Le cycle de Krebs a lieu dans la mitochondrie
chez les eucaryotes. Il comporte huit réactions
enzymatiques décomposables en réactions
simples.
• - étape 1 : préparation aux décarboxylations
de la molécule à six carbones
• - étape 2 : réactions de décarboxylations
• - étape 3 : régénération de l'oxaloacétate qui
acceptera à nouveau un acétyl-CoA.
• 1-Formation de l’acétyl CoA à partir du pyruvate .
• 2-L’oxaloacétate se condense avec l’acétyl coenzymeA
pour former du citrate
• 3-Le citrate est isomérisé en isocitrate.
• 4-L’isocitrate est oxydé et décarboxylé en acétoglutarate: Correspond à la première des quatre réactions
d’oxydo-réduction du cycle de l’acide citrique.
• 5-Le succinyl coenzyme A est formé par la
décarboxylation oxydative de l’ a-cétoglutarate
• 6-Une liaison phosphate riche en énergie est formée à
partir du succinyl coenzyme A: C’est la seule étape du cycle de
l’acide citrique qui fournit directement une liaison phosphate riche en
énergie.
• 7-La régénération de l’oxaloacétate par l’oxydation du
succinate
• 8-Le contrôle du cycle de kreb
• La vitesse du cycle de krebs est ajustée pour s’adapter aux
besoins cellulaires en ATP.
• -L’ATP est un inhibiteur allostérique de la citrate synthase.
Lorsque la concentration en ATP augmente, moins d’enzymes
est saturé par l’acétyl CoA et ainsi moins de citrate est formé.
• -Deuxième contrôle est l‘isocitrate déshydrogénase. Cet
enzyme est stimulé allostériquement par l’ADP qui augmente
son affinité pour ses substrats. La liaison de l’isocitrate, de
NAD+, de Mg+ et l’ADP est coopérative. A l’inverse NADH
inhibe l’isocitrate déshydrogénase en déplaçant directement
NAD+. L’ATP est également un inhibiteur.
• -Un troisième site
de contrôle est
l’acétoglutarate
déshydrogénase.
L’acétoglutarate déshydrogénase est inhibée par le succinyl CoA
et le NADH+.
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• 9-Le cycle du glyoxylate
• Les bactéries et les végétaux utilisent une voie
métabolique qui transforme les unités acétyle à
deux carbones en unités à quatre carbones (le
succinate) pour la production d’énergie et pour
les biosynthèses. Cette séquence de réactions,
appelée cycle de glyoxylate, courtcircuite les
deux étapes de décarboxylation du cycle de
l’acide citrique. Une autre différence importante
est que deux molécules d’acétyle CoA entrent
par tour de cycle du glyoxylate alors qu’une
seule entre dans le cycle de l‘acide citrique.
• 2acétylCoA+NAD ++2H2O
succinate+2CoA+NADH+2H+
Chaîne respiratoire et
phosphorylation oxydative
La chaîne respiratoire correspond à une
association de complexes protéiques présents au
sein de la membrane interne de la mitochondrie
et responsable, avec l’ATP synthétase, de
la phosphorylation oxydative. Ce processus
associe l’oxydation du NADH et du FADH2, tous
deux produits lors des différentes voies
cataboliques de l’organisme (glycolyse, cycle de
Krebs,…), à la production d’ATP et ceci grâce à la
formation d’un gradient de protons.
• on distingue deux phases dans la chaîne
respiratoire :
• la chaîne d'oxydoréduction,
• le mécanisme de phosphorylation.
La chaîne d'oxydoréduction
Elle transporte les équivalents réducteurs (H+ et e-) des coenzymes réduits
NADH,H+
et
FADH2
vers
l'oxygène.
Ce transport s'effectue par des réactions d'oxydo-réduction se déroulant
dans 4 éléments inclus dans la membrane interne de la mitochondrie :
les complexes respiratoires CI, CII, CIII, CIV
et deux éléments mobiles :
– l'ubiquinone (coenzyme Q)
– le cytochrome c.
Ce sont des complexes transmembranaires protéiques comportant :
-des enzymes flaviniques à FMN ou FAD,
-des protéines dites à "centre fer-soufre",
-des cytochromes (famille de protéines à fer héminique, composées
d'une globine liée à un hème),
-une protéine à cuivre.
Tous ces éléments sont nécessaires et participent au transport des électrons.
• Le CI : NADH-coenzyme Q-oxydoréductase
• Ce gros complexe de 45 protéines a pour
substrat
le
NADH,H+.
celui-ci, grâce à la NADH-déshydrogénase, va
céder ses électrons au FMN.
• Le CII : succinate-ubiquinone-oxydoréductase
Le CII comporte deux variantes constituées par
des enzymes :
• l'ETF-déshydrogénase
(electron-transferringflavoprotein) : elle a reçu ses équivalents réduits
du FADH2 de l'Hélice de Lynen permettant la
transformation des acides gras en acétyl-CoA,
• la
glycérol-3-P-déshydrogénase
à
FAD
(catabolisme des lipides et fructose-1-P menant
au glycérol-3-P qui, en réduisant le FAD, est oxydé
en PDHA).
• Le CIII : ubiquinole-cyto c-oxydoréductase
Cet ensemble d'environ 10 protéines
comporte les cytochromes b et c1.
A la sortie du coenzyme Q, ce ne sont plus les
paires H+,e- d'équivalents réducteurs qui sont
transportées mais seuls les électrons.
Le cytochrome b est donc le premier à ne
recevoir que les électrons, il les transmet
ensuite au cytochrome c1.
• Le CIV : cytochrome c-oxydase
• Egalement constitué d'environ 10 protéines, il
reçoit les électrons sur son cytochrome a et
celui-ci les transfère au cytochrome a3 du
même complexe.
• Les CI, CII et variante ETF-déshydrogénase, le
CIII contiennent des protéines à centre FerSoufre
(Fe-S).
Le CIV contient la protéine à cuivre, et aussi
du Zinc.
Les éléments mobiles
Ils assurent la continuité de la chaîne.
1. L'ubiquinone, coenzyme Q
2. Le cytochrome C
Oxydoréductions
• Le transfert de protons et d'électrons est
progressif
et
fragmenté.
Chaque élément de la chaîne constitue un
système rédox comportant une forme réduite et
une forme oxydée. Ainsi, chaque couple peut
donner et recevoir un nombre déterminé de
protons
et
d'électrons.
La chaîne comporte 10 éléments, soit autant de
couples rédox. Ces 10 couples interviennent dans
un ordre déterminé par leur potentiel rédox. La
chaîne d'oxydo-réductions se déroule donc des
couples les plus réducteurs vers les plus oxydants,
des potentiels redox les plus négatifs vers les plus
positifs.
Couple Réd-Ox
Echange
Potentiel Réd-Ox (E°)
NADH+/NADH,H+
H+ 2e -
-0,32 V
FMN/FMNH2
2H+ 2e -
-0,30 V
FAD/FADH2
2H+ 2e -
-0,05 V
Q/QH2
2H+ 2e -
+0,04 V
cyto b Fe 3+/cyto b Fe 2+
e-
+0,07 V
cyto c1 Fe 3+/cyto c1 Fe 2+
e-
+0,22 V
cyto c Fe 3+/cyto c Fe 2+
e-
+0,25 V
cyto a Fe 3+/cyto a Fe 2+
e-
+0,29 V
cyto a3 Fe 3+/cyto a3 Fe 2+
e-
+0,55 V
½O2/H2O
2H+ 2e -
+0,82 V
Première partie : transfert des protons et
électrons à l'ubiquinone
• L'ubiquinone reçoit les équivalents réducteurs
de
plusieurs
substrats
par
des déshydrogénases flaviniques à FMN et
FAD. L'ubiquinone est donc dite "carrefour" de
la chaîne, elle est en excès. Elle est réduite par
le FADH2 et le FMNH2 en QH2.
Deuxième partie
électrons,
de
l'oxygène O2
: transfert des
l'ubiquinone
à
• Suite au coenzyme Q, seuls les électrons poursuivent la
chaîne. Les protons rentrent dans la matrice
mitochondriale pour former de l'H2O en fin de chaîne.
Les électrons, eux, vont se fixer un à un sur l'hème de
chaque
cytochrome
pour
être
transportés
individuellement. L'atome de fer de chaque hème
passe de l'état oxydé ferrique Fe3+ à l'état réduit ferreux
Fe2+ et est alors transféré au cytochrome suivant (qui
comporte
une
Fe3+...).
Les flux de protons, libération d'énergie osmotique
• Nous avons vu que le transfert, donc la libération
d'énergie, est progressif et fragmenté. Dès qu'il
dépasse un certain seuil, il engendre un flux de
protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.
Quand la différence de potentiel rédox est d'au moins
0,21v, cela correspond à une variation d'énergie
libre suffisante (au moins -10Kcal) pour la synthèse
d'une
liaison
phosphate
(+7,5Kcal).
Il ya donc trois pompes à protons dans la chaîne : CI
(NADH,H+ --> co Q), CIII (QH2 --> cyto c), CIV (cyto c -->
O2).
Elles sont respectivement inhibées par la roténone (ou
amytal), l'antimycine A, le cyanure ou l'oxyde de
carbone.
• La phosphorylation
• 1. La théorie chimio-osmotique
• Selon Mitchell, l'énergie générée par les flux de protons et le
mécanisme de phosphorylation reposeraient sur un gradient
de protons à l'origine de la création d'énergie sous forme
d'ATP.
L'énergie des transferts permet aux complexes I, III et IV de
fonctionner comme des pompes à protons (libérant les
H+ dans l'espace intermembranaire) créant un gradient
électrochimique de protons, soit une différence de potentiel
entre l'espace intermembranaire (+) et la matrice (-, pH plus
élevé).
Les protons éjectés cherchent donc à renter dans cette
matrice, à franchir la membrane interne mitochondriale sous
la pression de ce gradient ou force proton-motrice. Etant
donné l'imperméabilité de cette membrane, ils doivent passer
par un volumineux canal, c'est celui de l'ATPsynthase ou complexe V.
• 2. Le mécanisme de l'ATP-synthase
• C'est un complexe enzymatique , on distingue deux parties :
• une intermembranaire (enchassée comme les complexes
d'oxydoréduction)
• une mitochodriale (faisant saillie dans la mitochondrie).
• Ce découpage physique explique la vision de "crêtes" au microscope
électronique lorsqu'on étudie une mitochondrie : il s'agit des
complexes V.
• La première partie recevant les protons de l'espace
intermembranaire est la partie F0, intermembranaire. Cette partie
est constituée de 3 protéines : a, b, c. a est porteuse de b (sortant
dans la matrice) et est suivie de c, oligomère dont les 12 sous-unités
disposées en canal forment le canal transmembranaire.
• La seconde partie, mitochondriale, est F1, tête enzymatique. Elle
est liée en deux endroits à F0. Ces 5 protéines sont : δ (liée à b), γ
(lié à c) à laquelle est accolée ε, α et β formant un cercle (3 sousunités de chaque, en alternance). C'est la protéine β qui est
responsable de la phosphorylation d'ADP en ATP.
• Le transport de l'ATP
L'ATP mitochondrial tout juste produit va
passer dans le cytosol par un transporteur
mitochondrial,
en
échange
d'ADP.
C'est l'ATP/ADP-translocase. Afin d'équilibrer
les
charges,
existe
en
parallèle
une phosphatase-translocase faisant entrer
un proton et un ion phosphate.
• Régulation de la chaîne respiratoire
• Le déroulement de la chaîne respiratoire
nécessite une quantité suffisamment importante
d'oxygène,
NADH,H+,
ADP.
Plus les rapports NAD+/NADH,H+ et ATP/ADP,Pi
sont faibles, plus la chaîne respiratoire est
stimulée.
Les hormones thyroïdiennes (notamment le 2-4dinitrophénol) exercent un effet découplant. La
perméabilité aux H+ de la membrane est modifiée
et l'ATP-synthase est alors court-circuitée. Il n'y a
donc plus de lien entre chaîne d'oxydoréduction
et phosphorylation.
L'ensemble des réactions de la chaîne de transport d'électrons des
mitochondries des végétaux.
Fermentations alcoolique et lactique
• Si l’apport en oxygène est insuffisant, comme dans un
muscle le pyruvate est transformé en lactate. Le
pyruvate est transformé en éthanol chez la levure. La
formation de l’éthanol et du lactate sont des exemples
de fermentation. La fermentation peut se produire en
l’absence de O2 .
•
Glycolyse
• Glucose
Pyruvate
Lactate
•
Ethanol
•
• Cette voie métabolique produit de l’énergie libre sous
forme d’ATP.
LE PYRUVATE PEUT ETRE TRANSFORME EN
ETHANOL, LACTATE OU ACETYL COENYME A.
1-L’éthanol est formé à partir du pyruvate dans
les levures et d’autres microorganismes.
*La première étape est la décarboxylation du
pyruvate :
Pyruvate+H+
acétaldéhyde+CO2
Cette réaction est catalysée par la pyruvate
décarboxylase
Pyruvate
acétaldéhyde
éthanol
• *La seconde étape est la réduction
de
l’acétaldéhyde en éthanol par le NADH en une
réaction catalysée par l’alcool déshydrogénase :
•
• Acétaldéhyde+NADH+H+
éthanol+NAD+
• La conversion du glucose en éthanol est appelée
fermentation alcoolique. Le produit net de ce
mécanisme anaérobie est :
• Glucose+2Pi+2ADP+H
2éhanol+2CO 2+2ATP+2H2O
• 2-Le lactate est formé à partir du pyruvate par un
certain nombre de micro-organismes.
• La réaction se produit également dans les cellules
des organismes supérieurs quand la quantité
d’oxygène est limité, comme par exemple dans le
muscle au cours d’une activité musculaire
intense. La réduction du pyruvate par le NADH
pour former du lactate est catalysée par la lactate
désydrogénase :
• Pyruvate+NADH+H+
L-lactate+NAD+
• La réaction complète dans la conversion du
glucose en lactate est :
• Glucose+2Pi+2ADP
2 lactate+2ATP+2H2o
• 3-seule une petite fraction de l‘énergie du
glucose est libérée dans sa conversion anaérobie
en lactate ou en éthanol. La plus grande partie de
l’énergie peut être extraite en aérobie grâce au
cycle de l’acide citrique et à la chaîne de
transportLe point d’entrée dans cette voie
oxydative est l’acétyl coenzyme A qui est formé à
l’intérieur de la mitochondrie par la
décarboxylation oxydative du pyruvate : des
électrons.
• Pyruvate + NAD+ +CoA
NADH
acétyl CoA + CO2 +
• LE METABOLISME DU GLYCOGENE
•
• Le glycogène est une forme de stockage rapidement
mobilisable du glucose. Les deux principaux sites de stockage
du glycogène sont le foie et le muscle squelettique.
• 1-La phosphorylase catalyse le clivage phosphorylitique du
glycogène en glucose 1-phosphate.
•
phosphorylase
• Glycogène (n résidus)
glucose 1-phosphate +
glycogène (n-1 résidus)
Pi
• La réaction catalysée par la phosphorylase est rapidement
réversible in vitro.
• 2-Un enzyme débranchant est également
nécessaire à la destruction du glycogène.
• Une transférase est nécessaire pour déplacer un
bloc de trois résidus glycosidiques d’une
ramification externe à une autre.
• Un enzyme débranchant (a-1,6-glycosidase)
hydrolyse la liaison a-1,6-glycosidique entre les
résidus.
• La transférase et l’enzyme débranchant
transforment la structure ramifiée en une
structure linaire, ce qui ouvre la voie à un
nouveau clivage par la phosphorylase.
• 3-La phosphoglucomutase transforme le
glucose 1-phosphate en glucose 6-phosphate.
• 4-Le foie contient de la glucose 6phosphatase, un enzyme hydrolytique absent
du muscle.
Le foie contient un enzyme hydrolityque ; la
glucose 6-phosphatase, qui permet au glucose
de quitter cet organe.
• Glucose 6-phosphate +H2O
glucose +
Pi
• 5-Le glycogène est synthétisé et dégradé par différentes voies.
• La réaction de synthèse n’est pas l‘inverse de la réaction de
dégradation
• Synthèse : Glycogne(n) +UDP-glucose
glycogène(n+1) +
UDP
• Dégradation : Glycogène(n+1) +Pi
glycogène(n) +
glucose 1-phosphate
• Le donneur de glycosyle est l’uridine diphosphoglucose (UDPglucose) et non le glucose 1-phosphate.
• L’UDP-glucose est une forme activée du glucose parce que son
groupement hydroxyle est estérifié à la partie diphosphate de l’UDP.
• L’UDP-glucose est synthétisé à partir du glucose 1-phosphate et de
l’uridine triphosphate (UTP) par une réaction catalysé par l’UDPglucose pyrophosphorylase
• Glucose 1-phosphate +UTP
UDP-glucose +PPi
•
PPi +H2O
2 Pi
•
• Glucose 1-phosphate +UTP+H2O
UDP-glucose + 2 Pi
• 6-La glycogène synthase catalyse le transfert
du glucose de l’UDP-glucose à la chaîne en
croissance.
• L’unité glycosyle activée de l’UDP-glucose est
transférée au groupement hydroxyle en
position terminale C-4 du glycogène pour
former une liaison glycosidique a-1,4 . L’UDP
et déplacé par le groupement hydroxyle
terminal de la molécule de glycogène en
croissance.
• 7-Un enzyme branchant forme les liaisons a1,6.
• Permet au glycogène d’être un polymère
ramifié. La ramification augmente la vitesse
de la synthèse et de la dégradation du
glycogène.
• 8-Contrôle de la synthèse et de la dégradation
du glycogène.
• Deux enzymes du métabolisme du glycogène, la
glycogène synthase (anabolisme) et la glycogène
phosphorylase (catabolisme), sont soumises à
une régulation allostérique : leurs activités sont
modulées par le glucose 6-phosphate. A haute
concentration, ce dernier active la glycogène
synthase, favorisant donc la synthèse du
glycogène par rapport à la glycogénolyse et il
inhibe l’activité de la glycogène phosphorylase
freinant par là la dégradation du glycogène.
• Le métabolisme du glycogène est profondément
affecté par certaines hormones :
• -L’insuline : augmente la capacité du foie à
synthétiser le glycogène.
• -L’adrénaline (une hormone polypeptidique)
stimule fortement la destruction du glycogène
dans le muscle et à moindre degré dans le foie.
• -Le glucagon (une hormone polypeptidique)
sécrétée par les cellules du pancréas quand la
concentration du glucose dans le sang est faible.
Cette hormone augmente la concentration
sanguine du glucose en stimulant la dégradation
du glycogène dans le foie.
• L’action du métabolisme de l’adrénaline et du
glucagon s’effectue par l‘intermédiaire de
l’AMP cyclique. La synthèse de l’AMP cyclique
à partir de l’ATP est catalysée par l’adénylate
cyclase, une enzyme liée à la membrane
plasmique.
• L’élévation de la concentration intracellulaire
de l’AMP cyclique déclenche une série de
réactions qui activent la phosphorylase et
inhibent la glycogène synthase.
• LA VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE
• Dans la voie des pentoses phosphate, du NADPH
est formé quand le glucose 6phosphate est
oxydé en ribose 5-phosphate. Ce sucre à cinq
carbones et ses dérivés sont des composants de
biomolécules importantes comme l’ATP ; le CoA ;
le NAD+ ; le FAD , les RNAs et le DNA.
• Glucose6-phosphate+2NADP++H2O
ribose 5-phosphate +2 NADPH +2 H+ +CO2
•
• La voie des pentoses phosphate=voie du
phosphogluconate
• 1-Deux NADPH sont formés au cours de la
conversion du glucose 6-phosphate en ribulose
5-phosphate :
• La voie des pentoses phosphate commence par la
déshydrogénation du glucose 6-phosphate au
niveau du C-1, réaction catalysée par la glucose 6phosphate déshydrogénase. Cet enzyme est
extrêmement spécifique du NADP+. Le produit
formé est la 6-phosphogucono-d-lactone, qui est
un ester intramoléculaire entre le groupement
carboxyle en C-1 et le groupement hydroxyle en
C-5.
• L’étape suivante est l’hydrolyse de la 6phosphoglucono-d-lactone, par une lactonase
spécifique qui produit le 6-phosphogluconate. Ce
sucre à six carbones est ensuite décarboxylé par
voie oxydative par la 6-phosphogluconate
déshydrogénase et fournit le ribulose 5phosphate. Le NADP+ est de nouveau l’accepteur
d’électron.
NADP+
NADPH + H+
• glucose 6-phosphate
6• phosphoglucono-d-lactone
• phosphogluconate
phosphate
NADP+
H2 O
H+
6NADPH
ribulose 5-
• 2-Le ribulose 5-phoshate est isomérisé en ribose 5phosphate par l‘intermédiaire d’un ènediol.
• L’étape finale de la synthèse du ribose 5-phosphate est
l’isomérisation du ribulose 5-phosphate par la
phosphopentose isomérase.
•
• Ribulose 5-phosphate
ènediol intermédiaire
ribose 5-phosphate
• 3-La voie des pentoses phosphate et la glycolyse sont
reliées par la transcétolase et la transaldolase.
transcétolase
• C5 + C5
C3 + C7
transaldolase
• C7 +C3
C4 + C6
transcétolase
• C5 +C4
C3 + C6
• Le résultat net de ces réactions est la formation de
deux hexoses et d’un triose à partir de trois pentoses.
• La transcétolase transfère une unité
dicarbonée , tandis que la transaldolase
transfère une unité tricarbonée. Le sucre qui
donne les unités à deux ou trois carbones est
toujours un cétose alors que l’accepteur est
toujours un aldose.
• La première des trois réactions liant la voie des pentoses
phosphate et la glycolyse est la formation de glycéraléhyde
3-phophate et de sédoheptulose 7-phosphate à partir de
deux pentoses.
transcétolase
•
• Xylulose 5-phosphate + ribose 5-phosphate
glycéraldéhye 3–phosphate + sédoheptulose 7-phosphate
•
• glycéraldéhyde 3-phosphate + sédoheptulose 7-phosphate
Erythrose 4-phosphate + fructose 6-phosphate
•
transaldolase
transcétolase
• Xyluloe 5-phosphate + Erythrose 4-phosphate
glycéraldéhyde 3–phosphate + fructose 6-phosphate
•
• La somme de ces réactions est :
• 2 xylulose5-phosphate + ribose 5-phosphate
2 fructose 6-phosphate + glycéraldéhyde 3phosphate
• Le ribose5-phosphate formé en excès par la voie
des pentoses phosphate peut donc être
complètement transformé en intermédiaires de
la glycolyse.
• La vitesse de la voie des pentoses phosphate
est contrôlée par le niveau de NADP+.
• Le facteur régulateur le plus important est la
concentration du NADP+, l’accepteur
d’électrons dans l’oxydation du glucose 6phosphate en 6-phosphogluconolactone. Le
NADPH entre également en compétition avec
le NADP+ dans sa liaison à l’enzyme.
•
• METABOLISME DES ACIDES GRAS
•
• Les acides gras ont trois rôles physiologiques principaux :
• -sont des éléments constitutifs des phospholipides et des
glycolipides.
• -les dérivés d’acides gras servent d’hormones et de
messagers intracellulaires.
• -les acides gras sont des molécules de carburant. Ils sont
stockés sous forme de triacylgycérols qui sont des esters non
chargés du glycérol (triglycérides).
• Il existe plusieurs types d’AG qui différent par la longueur de
leur chaîne et par le degré d’insaturation.
• L’’utilisation des graisses comme source de réserve
commence par l’hydrolyse des triglycérides par des lipases
•
lipases
• Triglycérides +3H2O
Glycérol + acides gras +3H+
•
• 1-Les acides gras sont dégradés par l’élimination séquentielle de
deux unités carbonées :
• -expérience de KNOOP en 1904 : les acides gras étaient dégradés
par oxydation au niveau du carbone b.(c’est-à-dire oxydation des
carbones situés en C3)
• 2-Mécanisme de l’oxydation des A.G saturés.
• a-activation : les acides gras sont oxydés dans les mitochondries
mais ils doivent être activés avant d’être introduit dans la matrice
mitochondriale. Cette activation
a lieu dans la membrane
mitochondriale où elle est catalysée par l’acétyl CoA synthétase
appelée aussi acide gras thiokinase. Cette réaction s’effectue en 2
étapes :
O
O
• R-C-O- + ATP
PPi + acyl adénylate(R-C-O P o ribose adenine
•
O
• R-C-O-AMP +HSCoA
acylCoA +AMP
O
•
R-C SCoA
• Un acyl‐CoA saturé est dégradé par une
séquence récurrente de 4 réactions:
• 1) Oxydation par le FAD
• 2) Hydratation
• 3) Oxydation par le NAD+
• 4) Thiolyse par le CoA
• Résultat pour chaque cycle
• • Formation d’un acyl‐CoA plus court de 2
carbones.
• • Formation du FADH2, NADH et acétyl‐CoA
• 1) Acyl-CoA + E-FAD
•
trans-Δ2-énoyl-CoA + E-FADH2
Acyl-CoA déshydrogénase
• 2) trans-Δ2-énoyl-CoA + H2O
•
énoyl-CoA hydratase
• 3) L-3-hydroxyacyl-CoA + NAD+
H+
•
L-3-hydroxyacyl-CoA
3-cétoacyl-CoA + NADH +
hydroxyacyl-CoA déshydrogénase
• 4) 3-cétoacyl-CoA(n carbones) + HS-CoA
acyl-CoA(n-2 carbones)
•
acétyl-CoA +
β-cétothiolase
Oxydation des acides
gras saturés
• Les acides gras activés dans la
membrane
mitochondriale externe mais sont oxydés dans la
matrice mitochondriale. Les molécules d’acyl CoA à
longue chaîne ne traversent pas facilement la
membrane mitochondriale interne, ainsi un
mécanisme de transport particulier est nécessaire. Le
transporteur est la carnitine (un composé formé à
partir de la lysine) qui a un haut potentiel de transfert
de groupe.
• Acyl CoA + carnitine
acyl carnitine+HSCoA
• Cette réaction de transacylation est catalysée par la
carnitine acyltransférase
• La carnitine n’est pas nécessaire à la pénétration des
acylCoA à chaîne moyenne (C8 à C10).
Mécanisme de transport avec la carnitine
• 3-Oxydation des AG insaturés :
• Beaucoup de réactions sont les mêmes que celles des AG saturés,
en effet seules 2 enzymes supplémentaires sont nécessaires dans
le cas d’un A.G insaturé.
• a-A.G monoinsaturé
• L’A.G insaturé est activé puis transporté à travers la membrane
mitochondriale interne de la même manière que les A.G saturés ; il
subit ensuite 2 cycles de dégradations effectués par les mêmes
enzymes que celles de la b oxydation des A.G saturés. Cependant le
Cis 3 déhydroxyacyl CoA (obtenu) formé n’est pas un substrat pour
l’acyl CoA déshyrogénase car la présence d‘une double liaison entre
C3 etC4 empêche la formation d’une autre liaison entre C2 etC3.
• Ce composé est le cis 3 déhydroxyacyl CoA. Cette impossibilité
d’introduire une double liaison C2 et C3 est levée par une nouvelle
réaction qui déplace la position et la configuration du cis 3
déhydroxyacyl CoA, c’est une isomérase qui va transformer ce
composé en trans 2.
• Pour la dégradation des acides gras insaturés
(avec des double liaisons), deux enzymes
supplémentaires sont nécessaires: une réductase
et une isomérase.
• La réductase (NADPH dépendent) réduit une
double liaison.
• La double liaison (cis-3) entre C3 et C4 empêche
la formation de la double liaison entre C2 e C3
(premier intermédiaire de la b-oxydation)
• L’isomérase convertit la double liaison cis-3 en
trans 2 pour obtenir l’intermédiaire normal de la
b -oxydation
Dégradation des acides
gras insaturés avec des
double liaisons
• b-A.G polyinsaturés
• Une seconde enzyme est nécessaire pour l’oxydation
des A.G polyinsaturés, c’est une épimerase
• c-A.G à nombre impair d’atomes de Carbone
• Les A.G à nombre impair d’atomes de Carbone sont
peu abondants : ils sont oxydés de la même manière
que les A.G à nombre pair de carbone ; à la seule
différence que le propionyl CoA et l’acétyl CoA (Au lieu
de 2 molécules d’’acétyl CoA) sont produits dans
l’étape finale de la dégradation.
• Le fragment à 3 atomes de carbone (propionyl CoA)
entre dans le cycle de l’acide citrique après avoir été
converti en succinyl CoA.( isomérisation suivie d’une
épimérisation avec consommation d’une molécule
d’ATP)
• 4-Biosynthèse des A.G
• La synthèse des A.G n’est pas l’inverse de la
dégradation ; au contraire elle est réalisée par un
nouveau groupe de réactions, ceci illustre le
principe que les voies de synthèse et de
dégradation des systèmes biologiques sont
habituellement différentes
• -La synthèse des A. G a lieu dans le cytosol
contrairement à la dégradation qui se fait dans la
matrice mitochondriale.
• -Les intermédiaires de synthèse des A.G sont liés
au groupements sulfhydryle de l’acyl carrier
protein (ACP). Alors que les intermédiaires dans
la dégradation sont liés au coenzyme A.
• -Les enzymes de synthèse des A.G chez les organismes
supérieur sont unis en une seule chaîne
polypeptidique, appelée acide gras synthase, alors que
le enzymes de dégradation ne semblent pas être
associés.
• -La chaîne des A.G en croissance est allongée par
l’addition séquentielle d’unités à deux carbones
provenant de l’acétyl CoA. Le donneur activé d’unités
dicarbonées dans l‘étape d’élongation est le malonyACP. La réaction d’élongation est assurée par la
libération de CO2.
• -Le réducteur dans la synthèse des A.G est le NADPH.
• -L’élongation par le complexe de l’acide gras synthase
s’arrête à la formation de palmitate (C16). D’autres
élongations et l’insertion de doubles liaisons sont
assurées par d’autres systèmes enzymatiques.
• La synthèse des acides gras est faite de 3 phases à partir de
l’acétyl-CoA:
• 1) Activation
• 2) Élongation
• 3) Terminaison
• Phase 1: Activation
• La synthèse des acides gras commence par la carboxylation de
l’acétyl-CoA en malonyl-CoA
Acétyl-CoA
carboxylase
Cette réaction irréversible est l’étape qui engage la synthèse des acides
gras.
Le cofacteur de la carboxylase est la biotine.
• Phase 2-cycle d’élongation de la synthèse des
A.G :
• formation de l’acétoacétyl –ACP
• Acétyl CoA + ACP
acétyl-ACP + CoA
•
Acétyle transacyclase
•
• Malonyl CoA + ACP
malonyl-ACP + CoA
•
Malonyl transferase
• Acétyl-ACP + malonyl-ACP
acétoacétyl-ACP
+ ACP + CO2
•
• Cette réaction de condensation est catalysée par
l’enzyme condensant acyl-malonyl-ACP.(=b
acétoacyl ACPsynthétase)
• Phase 3- formation du buturyl ACP
• -réduction
•
NADPH NADP+
+H+
• bAcétoacétyl ACP
D-3hydroxybutyryl-ACP
•
b Acétoacétyl ACP réductase
• Cette réaction diffère de la réaction de
dégradation correspondante par 2 points :
• *c’est l’isomère D qui est obtenu
• *le NADPH est l’agent réducteur tandis que le
NAD+ est l’agent oxydant dans la b oxydation.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
-déshydratation
hydrolase
D-3hydroxybutyryl-ACP
crotonyl-ACP
H2O
-réduction
NADPH NADP+
crotonyl-ACP
buturyl-ACP
b déhydroacyl acétoreductase
• Le NADPH est à nouveau le réducteur, tandis que le FAD+
était l’oxydant au cours de la b oxydation.
• Ces trois réactions convertissent l’acétoacétyl ACP en
butyryl ACP ce qui complète le premier cycle d’élongation.
Biosynthèse des acides gras
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Oxydation
1) Oxydation par le FAD
2) Hydratation
3) Oxydation par le NAD+
4) Thiolyse par le CoA
Synthèse
1) Condensation
2) Réduction par le NADPH
3) Déshydratation
4) Réduction par le NADPH
• Régulation de la synthèse des acides gras
La synthèse des acides gras est faite lorsque
les glucides et l’énergie sont abondants, et
lorsque les acides gras sont rares.
L’acétyl-CoA carboxylase est l’enzyme clé pour
le contrôle de la voie.
Régulation de la synthèse des acides gras
L’acétyl-CoA
carboxylase
est
inhibée
par
phosphorylation par une kinase AMP dépendante; la
phosphatase (2A), par contre, est sous contrôle
hormonale (désactivée par le glucagon)
• 3-Elongation des AG à longue chaîne et désaturation.
•
a-allongement des chaînes
• L’allongement se fait par un groupe malonyl jusqu’à
l’obtention du C16 acyl ACP, cet intermédiaire n’est pas
un substrat pour l’enzyme de condensation ; il est
hydrolysé pour donner du palmitate (C16 :0) + HSACP.
Le palmitate peut être allongé par 2 systèmes
différents ; l’un mitochondriale, l’autre lié au réticulum
endoplasmique :système microsomique.
• Dans la mitochondrie les AG activés sont allongés par
addition successives d’acétyl CoA. Le malonyl ACP ne
peut remplacer l’acétyl CoA. Cette voie utilise les
mêmes enzymes que la b oxydation sauf pour la
réduction de la double liaison a-b en une liaison
saturée qui utilise le NADPH, ce système est également
capable d’allonger les AG non saturés.
• Le système microsomique : les AG saturés ou
non saturés peuvent subir une élongation
dans les préparations microsomales mais dans
ce cas c’est la malonyl CoA et non l’acétyl CoA
qui contient la source des groupes acétyls. Ce
système utilise le CoA et non l’ACP comme
transporteur
• b-desaturation
• *AG monoinsaturés (monoenoique) exemple : C16 :1
palmito-oléate.
• Chez les mammifères la double liaison est introduite
par une monoxygènase spécifique.
• Palmito-yl CoA + NADPH +H +O2
palmitolyl CoA (C16:1) + NADP+ + 2H
•
• *AG polyinsaturés: les mammifères sont incapables
de synthétiser les AG linoléiques C18:2, et
linolenique C18 :3 , Arachidonique C20 :4.
• C18 :2
C20 :3
C20 :4
• De ce fait ils doivent être apportés par
l’alimentation. Ces AG sont appelés AG
essentiels ou indispensables. Ces AG sont
synthétisés par les végétaux.
• Les végétaux peuvent introduire des doubles
liaisons au delà de C9 alors que les
mammifères non.
• Les autres AG polyinsaturés à plus longue
chaîne (C22, C24….) peuvent être synthétisés
à partir de l’A.linoleique et arachidonique.
• C-La biosynthèse des triglycérides
• Les triglycérides constituent la forme de réserve
lipidique, ils sont synthétisés dans le foie et les cellules
adipeuses.
La synthèse du TG nécessite du L glycérol et l’acyl CoA.
Le L glycérol provient de :
• *DHAP + NADH +H+
L glycérol 3P + NAD+
Mg++
• *ATP +glycerol
L-glycérol 3P + ADP
• Voir cycle polycope
• La troisième réaction catalysée par la diglycéride acyl
transférase. Les radicaux R1 et R3 des C1 et 1’ sont
souvent occupés par les AG saturés, par contre le C2 ou
b est occupé par un acide gras polyinsaturé.
• d-formation des corps cétoniques
• Si la dégradation des graisses est très
importante, l’acétyl coA suit une destiné
différente il est orienté vers la formation des
corps cétoniques.
•
• Remarque : l’acétoacétate peut être utilisé
comme molécule enzymatique par conversion
directe en 2 molécules d’acétyl CoA qui vont
entrer dans le cycle d’acide citrique.
•
• e-passage de l’acétyl CoA de la mitochondrie
vers le cytosol
• Les AG sont synthétisés dans le cytosol alors que
l’acétyl CoA est formé à l’intérieur de la
mitochondrie à partir du pyruvate, cependant la
barrière mitochondriale est imperméable à
l’acétyl CoA ; cette barrière est contournée par le
Mitochondrie
Cytosol
citrate.
• Acétyl CoA
citrate
citrate
oxaloacétate
•
•
•
•
•
oxaloacétate
pyruvate
pyruvate
malate
• Ainsi l’acétyl CoA et l’oxaloacétate sont transférés
dans le cytosol sous forme de citrate, cependant
l’oxaloacétate doit être restituer à la mitochondrie, sa
restitution se fait par une série de réactions dont l’une
va former du NDPH. Ce NADPH représente la plus
grande partie du NADPH nécessaire à la synthèse de
l’AG.
• L’enzyme de clivage du citrate est la citrate lyase, cette
réaction se fait au dépens d’un ATP.
• pyruvate+CO2+ATP+H2O
oxaloacétate+ADP+Pi+2H+
Malate désydrogénase
• oxaloacétate+NADH+H+
malate+NAD+
• Malate+NADP+
pyruvate+CO2+NADPH
• Ainsi un NADPH est produit pour chaque acétyl CoA qui
est transféré de la mitochondrie vers le cytosol.
Biosynthèse du cholestérol
• Le cholestérol est présent dans les tissus et dans les lipoprotéines
plasmatiques sous forme de cholestérol libre ou d’ester de
cholestérol, ce cholestérol est le précurseur de tous les autres
stéroïdes de l’organisme : corticostéroïdes, hormones sexuelles,
acides biliaires et vitamine D.
• Le cholestérol est un lipide amphiphile, c’est un constituant
structural essentiel des membranes et de la couche externe des
lipoprotéines plasmatiques.
• L’ester du cholestérol est la forme sous laquelle, le cholestérol est
emmagasiné dans la plupart des tissus. Les LDL (low density
lipoprotein) servent d’intermédiaires dans l’incorporation du
cholestérol et des esters de cholestérol dans plusieurs tissus. Le
cholestérol libre est enlevé des tissus par les HDL (High Density
Lipoprotein) et transporté au foie pour être converti en acides
biliaires.
Synthèse du cholestérol (schéma
général)
• La synthèse du cholestérol se fait dans le cytoplasme des cellules
(surtout l’intestin et le foie) à partir de l’hydroxy-méthyl-glutarylCoA (HMG-CoA). L’HMG-CoA provient de la condensation de
3 Acétyl-CoA venant des peroxysomes. Les acides gras à chaînes
courtes (C8) et la leucine sont aussi de bons substrats pour la
synthèse du cholestérol.
• L’étape d’engagement est la transformation de l’HMG-CoA en
mévalonate par l’HMG-CoA réductase. Les radicaux isoprènes
activés,
isopentényl
pyrophosphate
(IPPP)
et
diméthylallylpyrophosphate (DMPP) sont produits à partir du
mévalonate. Dans le tissu nerveux une voie mineure (cycle de
POPJAK) permet de resynthétiser l’HMG-CoA à partir du DMPP.
• Les étapes intermédiaires de la voie, jusqu’au farnésyl
pyrophosphate conduisent aux synthèses des radicaux isopentényl
et farnésyl (modifications post-traductionnelles) et des
isoprénoïdes (dolichols, ubiquinone et cytochromes a).
• A partir du squalène, débutent les synthèses des stérols :
cholestanol, vitamine D et cholestérol.
• Le bilan de la synthèse des stérols se fait en
plusieurs étapes.
• Premier
bilan
:
A partir de trois acétyl-CoA (molécules riches en
énergie) condensés comme au cours de la
cétogénèse, on produit un HMG-CoA. Ce
composé est réduit par l’HMG-CoA réductase
puis activé par la mévalonate kinase, qui
consomme pour cela deux NADPH et deux
liaisons riches en énergie (ATP). Le produit final
est l’isopentényl pyrophosphate.
• Deuxième
bilan
:
A partir de trois isopentényl pyrophosphates, on
synthétise cette fois un farnésyl pyrophosphate.
Les réactions libèrent des ions pyrophosphates
qui sont hydrolysés par les pyrophosphatases
• Troisième
bilan
:
Deux farnésyl pyrophosphates se lient pour former le
squalène, carbure insaturé mais sans atomes d’Oxygène.
Cette liaison consomme encore un NADPH et libère aussi
un ion pyrophosphate, bientôt hydrolysé comme les
précédents.
• La squalène oxydocyclase oxyde une première fois le
squalène pour faire le lanostérol, avec intervention
d’Oxygène et de NADPH.
• Au total, si on fait la somme de ce troisième bilan dont le
squalène a été fait de deux farnésyl pyrophosphates, de la
synthèse de ces deux farnésyl pyrophosphates qui sont
issus de six isopentényl pyrophosphates et de la synthèse
de ces six isopentényl pyrophosphates eux-mêmes
construits à partir de dix-huit acétyl-CoA, on montre que la
synthèse du lanostérol consomme une grande quantité de
NADPH et d’énergie (ATP et liaison riche en énergie de
l’acétyl-CoA)
• Les dernières réactions conduisant du lanostérol au
cholestérol peuvent se dérouler de façon différente selon
l’ordre dans lequel les enzymes interviennent : il en résulte
plusieurs voies métaboliques, dont les intermédiaires ont
été isolés dans le tissu hépatique de plusieurs espèces.
• Toutefois le bilan reste le même, impliquant l’oxydation des
méthyles 28, 29 et 30 puis la désaturation des carbones 5
et 6 par des chaînes respiratoires microsomiales en
présence d’oxygène, et la réduction des liaisons
éthyléniques en 7-8 et en 24-25 par le NADPH.
• En somme les 18 acétates ont formé le cholestérol et
9 bicarbonates en consommant oxygène, NADPH et ATP.
La voie des pentoses phosphates et la chaîne respiratoire
mitochondriale sont donc indispensables pour permettre
la synthèse du cholestérol. Les substrats nécessaires à la
synthèse du cholestérol sont les mêmes que ceux de la
synthèse des acides gras
• REGULATION DE LA SYNTHESE DU CHOLESTEROL :
• - Un contrôle de la synthèse du cholestéol s’exerce au début
de cette voie métabolique à l’étape de la HMGCoA réductase.
Ainsi, on a une diminution de cette enzyme au cours du jeun
par conséquent une diminution de la synthèse du cholestérol.
• - Un mécanisme rétroactif permet l’inhibition de l’HMG-CoA
réductase hépatique par le cholestérol. Le cholestérol des LDL
inhibe également la synthèse du cholestérol au moyen des
récepteurs des LDL.
• - L’administration d’insuline ou des hormones thyroïdiennes
augmente l’activité de HMG-CoA réductase, tandis que le
glucagon ou les glucocorticoïdes la diminue.
• - Au niveau tissulaire, certains processus contrôleraient
l’équilibre du cholestérol dans les cellules .
• METABOLISME DES ACIDES AMINES
•
• L’excès des AA ne peut être mis en réserve
différemment au glucose et aux acides gras.
Ils ne peuvent même pas être excrétés
directement. La plus part des fonctions
amines a de surplus des AA sont convertis en
urée, tandis que les squelettes carbonés sont
transformés en acétyl CoA, acétoacétyl,
pyruvate ou l’un des autres intérmédiaies du
cycle de l’acide citrique. Ainsi les AG ; les corps
cétoniques et le glucose peuvent être formés
à partir des AA.
• 1-PROTEOLYSE
• Les protéines et les peptides doivent être hydrolysés
par les enzymes protéolytiques dans le tractus
gastro-intestinal. Ces enzymes sont secrètes par
l’estomac, le pancréas et l’intestin grêle ; elles sont
secrétées sous forme de zymogènes inactifs
•
• Pepsinogène
pepsine
• (inactif)
HCl
(actif)
• La pepsine a une large spécificité d’attaque
principalement sur les AA aromatiques.
• Au niveau du suc pancréatique, dans l’intestin
on trouve également des zymogènes inactifs
qui doivent être transformés sous forme
active.
• Chymotrypsinogène
chymotrypsine actif
• Trypsinogène
trypsine
• Procarboxypeptidase A et B
carboxypeptidase A et B
•
• Partie toxique
Partie à insérer dans le
métabolisme
Dégradation Squelette des
atomes de carbone
Glucose Acétyl-CoA Corps cétoniques
Métabolisme des acides aminés
Le groupe α‐amine de nombreux AA est transféré à l’α‐cétoglutarate pour former le
glutamate, qui est ensuite désaminé oxydativement pour produire
NH4+ (ion ammonium).
Transamination
– AA1 + α-cétoacide
α-cétoacide + AA2
AMINOTRANSFÉRASES
• Exemples:
• 1) aspartate + α-cétoglutarate
oxaloacétate + glutamate
Aspartate
aminotransférase
• 2) alanine + α-cétoglutarate
pyruvate + glutamate
Alanine aminotransférase
Squelette de carbone
Désamination
La désamination oxydative du glutamate est réalisée dans la mitochondrie par la Glutamate
déshydrogénase
Glutamate
déshydrogénase
(GDH)
Contrôle de la Glutamate déshydrogénase:
(-) ATP-GTP inhibiteurs allostériques
(+) ADP-GDP activateurs allostériques
TRANSAMINATION ET DÉSAMINATION OXYDATIVE
DU GLUTAMATE
Stoechiométrie finale (aminotransférase + glutamate déshydrogénase):
aminotransférase
α-acide aminé + NAD(P)+
glutamate déshydrogénase
α-cétoacide + NH4+ + NAD(P)H + H+
Squelette de carbone
Toxique: il faut l’éliminer
(cycle de l’urée)
CYCLE DE L’URÉE
Le cycle de l’urée (dans le foie) est utilisé par la plupart des vertébrés pour
éliminer l’excès de NH4+ sous une forme moins toxique
Stoechiométrie:
NH4 + + CO2 + 3 ATP + aspartate + 2 H2O
urée + 2 ADP + AMP + 4 Pi + fumarate
LE CYCLE DE L’URÉE EST LIÉ AU CYCLE DE KREBS
• Cycle de Krebs
(élimination de
2 atomes N)
Cycle de Krebs
DEVENIR DU SQUELETTE DE CARBONE
La dégradation du squelette de carbone
des AA forme des intermédiaires qui
peuvent être convertis en glucose ou
oxydés par le cycle de Krebs
7 produits de dégradation au total
Les AA qui forment pyruvate ou intermédiaires du cycle de Krebs sont dits glucoformateurs.
Les AA qui forment acétyl-CoA ou acétoacétyl-CoA sont dits cétogènes
BIOSYNTHÈSE DES ACIDES AMINÉS: ASSIMILATION DE
L’NH4+
• L’NH4+ est assimilé dans les AA par la voie du
glutamate et de la glutamine:
• NH4+ + α-cétoglutarate + NADPH + H+ Glutamate
déshydrogénase
glutamate + NADP+ + H20
• Réaction opposée à celle de la désamination oxydative
du glutamate, mais en utilisant le NADPH
• Bactéries et Plantes
formation glutamate,
assimilation NH4+
• -formation NH4+ (et cycle de l’urée),
Animaux
• -α-cétoglutarate Krebs
ASSIMILATION DE L’NH4+ PAR LA GLUTAMINE
SYNTHÉTASE
Glutamine
Synthétase
(GS)
glutamate + NH4+ + ATP
glutamine + ADP + Pi + H+
Utilisée comme donneur d’azote et pour la synthèse
de nombreux composés
Le squelette de carbone pour la synthèse des AA provient des
intermédiaires de la glycolyse, de la voie de pentoses phosphate ou du
cycle de Krebs
FIXATION DE L’AZOTE MOLÉCULAIRE
•
Les organismes supérieurs ne sont pas capables d’utiliser l’azote moléculaire (N2)
comme source d’azote: la seule source d’azote non organiques pour les animaux est
le NH4+; pour les plantes, également nitrite NO2-, et nitrate NO3-
•
•
•
Certains bactéries sont capable de « fixer » l’N2 moléculaire en NH3 (réactions
indispensables pour le cycle de l’azote):
Exemple: les bactéries symbiotiques Rhyzobium envahissent les racines des
plantes légumineuses et, dans les nodules formés, fixent l’azote moléculaire:
•
•
N2 + 8e- + 16ATP + 16H2O
2NH3 + 16ADP + 16Pi + H2 + 8H+
Réaction catalysée par le complexe nitrogénase: cette enzyme permet la réduction
de l’azote moléculaire qui possède trois liaisons covalentes à haute énergie:
N N
•
• Autres familles
•
Thréonine
•
•
Isoleucine
•
methionine
•
Propionyl CoA
•
• Remarque : la voie du propionyl, conduit au
succinyl CoA après passage par un intermédiaire
qui est le methyl malonyl CoA qui va donner
succinyl CoA.
•
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•
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•
•
•
•
•
•
• LES CORPS CETONIQUES
Produits dans la matrice mitochondriale du foie à partir des acides gras, ils
peuvent-être assimilés à des déchets mais ils se révèlent être un carburant
énergétique pour les tissus périphériques (muscle squelettique, muscle cardiaque
et cortex rénal)
Utilisation pour pallier le manque de glucose dans les cellules (souvent du à un
diabète)
Inconvénient : Entraînent une acidose de l’organisme
Acétoacétate
Acétone
NADH,H+
NAD
L'acétone n’ayant aucune signification métabolique sera éliminée au niveau
pulmonaire.
L’acétoacétate, le ฀-hydroxybutyrate synthétisés dans le foie passent dans le sang
et peuvent être utilisés comme carburants alternatifs dans les tissus périphériques.
La production de corps cétonique peut entraîner une forte acidose (augmentation
du pH plasmatique) qui peut conduire à un coma mortel.
•
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•
UTILISATION DES CORPS CETONIQUES
En cas de jeûne : Synthèse du glucose à partir :
- Réserves de glycogène,
- Des protéines mobilisables (AA glucoformateurs),
- Des triglycérides suffisantes pour 1 à 3 mois en cas de
jeûne
- La néoglucogenèse est activée dans le foie et le rein :
[Oxaloacétate] hépathique : Impossibilité de
métaboliser l’acétylCoA par le cycle de Krebs
- Glucose = source énergique naturelle pour le cerveau
et le muscle en activité
- Organisme : réserve journalière pour les glucides
•
Jours de jeûne
• En cas de jeûne :
• - Utilisation des corps cétoniques par le cerveau à la place
du glucose
• Après 3 jours de jeûne : 1/3 de l’E nécessaire au cerveau
est assuré par les corps cétoniques
• Après 40 jours : les corps cétoniques sont la principe
source d’E pour le cerveau (70 %)
• - En effet, le cerveau a un besoin constant de glucose
• * Réserves de glucose épuisées en 1 jour
• *Précurseurs de glucose sont peu abondants :
• *Ac. aminés provenant de la dégradation des protéines
sont fournis principalement par le muscle
• * Mobilisation des triglycérides dans les tissus adipeux
(synthèse d’ac. gras)
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UTILISATION DES CORPS CETONIQUES
En cas de diabète sucré : (Insuline)
- Glycémie très importante
- Carence métabolique des cellules en dépit de l’abondance de glucose
- Néoglucogenèse, catabolisme des ac. gras et des protéines sont activés
=> Taux des corps cétoniques augmente (déshydratation importante)
En cas de diabète de type II :
- Néoglucogenèse consomme la plus grande partie de l’oxaloacétate
- Catabolisme des ac.gras produit de grande quantité d’acétyl CoA.
- Le cycle de Krebs est saturé
- Synthèse de corps cétoniques
• Remarque :
• L’haleine des diabétiques de type II a souvent une odeur d’acétone
(décarboxylation spontanée de l’acétoacétate) qui signale une forte C° de
corps cétoniques dans le plasma sanguin
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• METABOLISME DES ACIDES NUCLEIQUES
Le métabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques diffère au niveau de la
biosynthèse comme du catabolisme. Ces voies sont la cible de nombreuses
thérapies anti-virales ou anti-cancéreuses.
BIOSYNTHESE DES NUCLEOTIDES
2 voies :
- Synthèse « de novo » : à partir de précurseurs et par une voie métabolique très
consommatrice d'énergie. Les acides nucléiques sont synthétisés sous forme de
ribonucléoprotéines (puis il y a réduction en désoxyribonucléotides par des
ribonucléotides réductases).
- Synthèse de récupération : à partir de bases ou de nucléotides provenant de
l'alimentation ou du catabolisme intracellulaire (économie d’énergie).
CATABOLISME DES ACIDES NUCLEIQUES
Le catabolisme et le recyclage des acides nucléiques a lieu de manière quasiexclusive dans le foie et l'intestin grêle, qu'ils soient endogènes (renouvellement
ou lyse cellulaire) ou provenant de l'alimentation.
Catabolisme des acides nucléiques à
base purique :
Nucléotidase : coupe la liaison P
Nucléosidase : coupe la liaison N-glycosidique
• Chez l'homme, l'acide urique (= 2,6,8-oxopurine = 8-oxoxanthine)
est le produit terminal de la dégradation des bases puriques. Il est
quasiment insoluble dans l'eau. A pH physiologique, il est trouvé
majoritairement sous forme d'urate de sodium (sel sodique d'acide
urique), peu soluble mais plus que l'acide urique. Il est éliminé par
voie rénale (majoritaire) et intestinale (transformation en allantoïne
par la flore bactérienne via une uricase).
• L'uricémie est le dosage de l'acide urique (sous forme acide ou
urate invariablement) qui doit être présent en concentration faible
dans la circulation (se précipite facilement).
• Dans l’hyper-uricémie, les taux sériques dépassent la limite de
solubilité et il y a cristallisation de l’urate de sodium :
• - Dans les tissus et articulations (mains, pieds) : crise de goutte
• - Dans les urines si elles sont trop acides : coliques néphrétiques
• L'hyper-uricémie est traitée par l'allopurinol, analogue structural
de l'hypoxanthine inhibant la xanthine oxydase et réduisant la
synthèse de novo des bases puriques.
L'hypoxanthine et la xanthine sont très solubles et donc facilement
éliminés par voie rénale.
• 2. Catabolisme des acides nucléiques à base
pyrimidique
•
• Les produits du catabolisme des bases pyrimidiques
sont très hydrosolubles :
• - C02 : expiré
• - NH3 : élimination urinaire ou utilisation dans la
synthèse hépatique de l'urée
• - β-alanine et β-amino-isobutyrate : élimination
urinaire ou transformés en acétyl-coA ou succinyl-coA
• - La surproduction de bases pyrimidiques ne donne
donc pas d'anomalies en clinique contrairement aux
bases puriques.
•
Photosystèmes (I et II) et Cycle de Calvin
La photosynthèse est le processus responsable de
la transformation de l’énergie lumineuse en
énergie chimique au niveau de la plante,
autrement dit, processus permettant de
synthétiser de la matière organique (sucres) à
partir de la lumière du soleil. Elle se réalise au
niveau des chloroplastes, et permet une
consommation de dioxyde de carbone et d’eau
afin de produire du dioxygène et des molécules
organiques telles que le glucose. Pour se faire la
photosynthèse se réalise en deux grandes phases,
la phase claire et la phase sombre.
• La phase claire est un ensemble de réactions
photochimiques, qui dépendent de la lumière, et
au cours desquels les électrons sont transportés à
travers les deux photosystèmes (PSI et PSII) afin
de produire de l’ATP (molécule riche en énergie)
et du NADPH + H+ (potentiel réducteur). La phase
claire permet donc directement la transformation
de l’énergie lumineuse en énergie chimique.
• La phase sombre correspond au cycle de Calvin,
entièrement enzymatique et indépendante de la
lumière, au cours duquel l’ATP et le NADPH +
H+ sont utilisés pour la conversion du dioxyde de
carbone et de l’eau en glucides. Cette seconde
partie permet l’assimilation du gaz carbonique.
La phase lumineuse
Ces réactions se font dans les membranes des thylakoïdes
et sont appelées réactions photochimiques.
• Les réactions photochimiques de la photosynthèse
forment de l'ATP et du NADPH + H+ qui vont permettre
la réduction du CO2 en glucides (CH2O) par des
réactions thermochimiques.
• Ces réactions nécessitent un accepteur qui forme avec
le CO2 un groupe carboxyl puis l'intègre dans un
glucide.
• Cet accepteur doit être régénéré pour que le processus
de fixation perdure. Cette régénération requiert un
temps minimal.
• La quantité de cet accepteur doit aussi augmenter
durant la croissance des végétaux de façon à ce que
toujours plus de matière soit formée.
• Le cycle de Benson, Calvin & Bassham répond à ces
critères.
• Dans la littérature, ce cycle est dénommé de diverses
manières :
• cycle réductif(teur) des pentoses phosphate ou RPP
• cycle photosynthétique de réduction du carbone
• voie en C3 (qui précise que son premier intermédiaire est
ose à 3 carbones)
• cycle de Calvin / cycle de Calvin - Benson / cycle de Calvin Bassham
• Cette phase ne nécessite pas de lumière contrairement aux
réactions photochimiques de la phase lumineuse. C'est la
raison pour laquelle on l'appelle la phase obscure.
• Cependant, chez la plupart des végétaux, le cycle de Calvin
se déroule de jour afin que les réactions
photochimiques régénèrent l'ATP et le NADPH + H+
nécessaires à la synthèse des glucides.
• L'ensemble structural impliqué dans la
photosynthèse est appelé photosystème : ce
sont des groupes de plusieurs centaines de
molécules de chlorophylles contenus dans un
thylakoïde (unité structurale composée de
sacs et de vésicules) où a lieu la
photosynthèse.
Les eucaryotes ont deux types de
photosystèmes : respectivement I = P 700 et II
= P 680
La photophosphorylation cyclique
• C'est le trajet le plus simple pour l'électron excité. Il y a
production d' ATP, mais ni d'O2, ni de NADPH.
• Elle se fait dans la membrane interne des thylakoïdes.
Les électrons excités quittent la chlorophylle du centre
réactionnel, passent par une courte chaîne de
transport d'électrons et retournent au centre
réactionnel.
C'est une série d'oxydoréductions (redox) qui
transporte l'électron d'une protéine à une autre.
La photophosphorylation
acyclique
• Cette
réaction
implique
les
deux
photosystèmes (I et II) avec les centres
réactionnels (P700 et P680). L'énergie
lumineuse provoque l'excitation et le départ
d'un électron d'une molécule de chlorophylle
du photosystème II. Pour compenser cette
perte, ce dernier récupère un électron à partir
de la photolyse de la molécule d'eau:
• H2O ---> 2 H+ + 1/2 O2 + 2e-
• Il y a production d'O 2 et d'ATP. Le NADP+ est réduit en
NADPH et H+. C'est donc l'eau qui est le donneur d'électron
et le NADP+ qui est l'accepteur final.
• L'O2, libéré dans l'atmosphère, est utilisé dans la respiration
cellulaire. Les phases lumineuses permettent donc de
convertir l'énergie solaire captée par les pigments en
énergie chimique qui est entreposée dans les molécules d'
ATP très énergétiques et dans les molécules de NADPH
(pouvoir réducteur). La synthèse de l'ATP se fait donc grâce
à la force proton-motrice et à l'ATP synthétase qui permet
la réaction :
• ADP + P* ---> ATP
•
Grâce à la formation de ces deux molécules, la fixation du
CO2 est favorisée : c'est le cycle de Calvin-Benson.
Le cycle de Calvin-Benson se fait, chez les
eucaryotes, dans le stroma de leurs
chloroplastes
• C'est la dernière étape de la photosynthèse au
cours de laquelle l'ATP et le NADPH, produits
pendant les réactions photochimiques, sont
utilisés.
L'enzyme clé de ce cycle est la Rubisco
(ribulose-1-5-biphosphate carboxylase) qui
permet la fixation du CO2 au ribulose
diphosphate.
• L’assimilation du CO2 se fait en quatre étapes
principales dont les trois premières se
déroulent au sein du cycle de Calvin :
• Fixation du CO2 (carboxylation).
• Réduction du carbone fixé.
• Régénération de l’accepteur de CO2.
• Synthèse des sucres.
• MODE D’ACTION DE LA RUBISCO :
• Comme son nom l’indique, la Rubisco
possède deux activités catalytiques :
• La
première
correspond
à
son
activité carboxylase qui permet, à partir du
RuBP, la formation de deux molécules
d’acide phosphoglycérique.
• La
deuxième
correspond
à
son
activité oxygénase qui permet, à partir du
RuBP, la formation d’une molécule d’acide
phospho-glycolique et d’une molécule
d’acide phosphoglycérique (PGA).
• carboxylation : RuBP + CO2 ---> intermédiaire
en C6 ---> 2 x 3-phosphoglycérate
• oxygénation ou photorespiration : RuBP + O2 --> intermédiaire en C5 ---> 3-phosphoglycérate +
2-phosphoglycolate + H2O
• Bilan
• Nous avons donc consommation de 3 ATP et
de 2 NADPH.
• Il se trouve que les glucides de base entrant
dans les mécanismes énergétiques sont des
hexoses. Pour la formation d’un de ces
hexoses, il faut donc 6 molécules de
CO2 fixées, avec 6 tours de cycle et la
consommation de 18 ATP et 12 NADPH. Le
rendement est donc très faible.
•
• Bilan du cycle RPP :
• 6 CO2 + 18 ATP + 12 [NADPH + H+] + 11 H2O --->
glucose + 18 ADP + 12 NADP+ + 18 Pi
• Régulation du cycle RPP
• Le contrôle du cycle a lieu aux étapes irréversibles, en
particulier les réactions catalysées par : la fructose 1,6bisphosphatase, la sédoheptulose 1,7-bisphosphatase,
la phosphoglycérate kinase, la glycéraldéhyde 3phosphate déshydrogénase et la phosphoribulokinase.
• Ces enzymes sont contrôlés par l'intensité lumineuse
(sauf la phosphoglycérate kinase), le taux de Mg2+ du
stroma et le pH.
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Carrefour et interrelation métabolique
Il est important de préciser que les différentes voies métaboliques
ne sont pas isolées les unes des autres mais qu’il existe des liens
entre elles.
1) Au niveau de la glycolyse
on observe des relations avec les stocks glucidiques de la cellule :
la dégradation du glycogène entraîne la formation de glucose-6phosphate.
on observe des relations avec la voie des pentoses-phosphate :
Le glucose et le glucose-6-phosphate rentre dans la voie des
pentoses-phosphate.
Le fructose-6-phosphate et le glycéraldéhyde-3-phosphate sont
synthétisés par la voie des pentoses-phosphates.
on observe des relations avec le métabolisme des lipides : le
glycérol formé suite à la dégradation des triglycérides peut former
du glycéraldéhyde-3-phosphate (et inversement).
• 2) Au niveau du cycle de Krebs
• on observe des relations avec le métabolisme des
lipides : la dégradation des acides gras entraîne la
formation d’acétylcoenzyme A.
• Il est important de noter ici qu’au niveau du cycle de
Krebs le citrate se transforme défavorablement en
isocitrate ; de cette manière on sera face à deux
situations :
• un manque d’ATP poussera le cycle de Krebs à se
poursuivre,
• un excès d’ATP poussera le citrate à sortir de la
mitochondrie
permettant
la
reformation
d’acétylcoenzyme A qui entrera dans la formation des
acides gras. Le citrate aura également un rôle
d’inhibition de la 6-phosphofructokinase et donc de la
glycolyse.
• On observe des relations avec le métabolisme des
protéines : la dégradation des protéines peut entraîner
la formation de pyruvate, d’acétylcoenzyme A, d’αcétoglutarate, de fumarate et d’oxaloacétate.
Inversement le pyruvate peut également être à
l’origine de la formation d’acides aminés.
• Comme dit précédemment le malate peut traverser la
membrane interne de la mitochondrie par la navette
malate-aspartate pour aller dans le cytosol et reformer
du glucose. Certains acides aminés joueront ainsi un
rôle important dans la néoglucogenèse, on parle
d’acide aminés glucoformateurs.
• Remarque
:
Le pyruvate peut être également reformé à partir
d’alcools et de lactate.
• 3) Galactose et fructose
• On remarque que le galactose et le fructose ne sont pas stockés
dans l’organisme, ils proviennent de l’alimentation et rejoignent le
métabolisme du glucide au niveau de la voie de réserve ou au
niveau de la glycolyse suivant les tissus. On note également que le
galactose et le fructose ne sont pas soumis à une régulation
hormonale.
• Le galactose peut rentrer dans la voie de réserve du glucose, l’UDPgalactose étant en équilibre avec l’UDP-glucose, réaction catalysé
par l’UDP-galactose-épimérase et peut rentrer dans la voie de la
glycolyse par isomérisation entre le galactose-6-phosphate et le
glucose-6-phosphate.
• Le fructose possède un catabolisme beaucoup plus rapide que le
glucose, surtout grâce à la fructokinase qui a une activité beaucoup
plus importante que la glucokinase. Le fructose peut également
participer à la voie de réserve, le fructose-6-phosphate étant en
équilibre avec le glucose-6-phosphate, réaction catalysé par
laphospho-hexose-isomérase. La plupart du fructose est
métabolisé au niveau du foie en fructose 1-phosphate qui sera
scindé en glycéraldéhyde et dihydroacétone afin de rejoindre la
voie de la glycolyse.
• Bilan en ATP
• Rappelons que 3 ATP sont fournis par l'oxydation d'un NADH,H+ et 2
ATP pour le FADH2.
• Reprenons les bilans pour une molécule de glucose (6 carbones) :
• glycolyse : 2 ATP à partir de composés riches, 6 ATP à partir de
2NADH,H+ (utilisation de la navette malate-aspartate), soit 8 ATP;
• oxydation de 2 pyruvates en 2 lactates : 6 ATP provenant de 2NADH,H+;
• oxydation de 2 acétyl-CoA par le cycle de Krebs : 24 ATP.
• Soit, suite à la phosphorylation oxydative au sein d'une cellule aérobie, un
total de 38 ATP.
• C'est 19 fois plus que pour un glucose en cellule anaérobie. Il faudra retirer
2 ATP si la navette du glycérol-P est utilisée.
• Un
ose
est
une
molécule
relativement
petite.
L'oxydation d'une molécule de palmitate à 16 carbones est beaucoup plus
rentable puisqu'on obtient 131 ATP :
• 96 ATP par l'oxydation de 8 actéyl-CoA,
• 35 ATP en 7 tours d'hélice de Lynen.
• Il faut néanmoins retirer 1 ATP pour l'activation du palmitate.