• • • • • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • 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 • • 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. • • 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 • • 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+. • • 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. • • • • • • • • • • • • • • • 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. • • • • • • • • • 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) • • • • • • • • • • • • 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 • • • • • • • • • • • • • • 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. • • • • • • • • 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.