Catabolisme des oses et des osides
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Catabolisme des hexoses et osides LES GRANDES VOIES CATABOLIQUES Catabolisme énergétique Triglycérides Glycogène ou Amidon Acides gras + Glycérol Voie desHMP HMP (Partie Voie des (Partie 1) 1) Glucose Glycolyse Glycolyse Pentoses 5P Voie des HMP (Partie 2) Catabolisme De Lynen Pyruvate CO 2 AcétylCoA Cycle de Krebs CO 2 CO 2 1 Catabolisme des oses et des osides • Structure des hexoses • Catabolisme du glucose (glycolyse) – Bilan en substrat - localisation – Vue d’ensemble de la glycolyse – Analyse de la glycolyse – Conclusion : Types de réactions – Bilans de la glycolyse • Voie des HMP • • • • • Catabolisme des autres hexoses Catabolisme du glycogène Catabolisme des autres osides Catabolisme du glycérol Rôle amphibolique de la glycolyse • Comment retenir le catabolisme du glucose Structure des hexoses • • • Les hexoses sont des polyols à 6 carbones, portant sur le carbone 1 ou le carbone 2 une fonction aldéhyde ou cétone. Le carbone 5 est toujours (D). Les carbones 2 à 4 peuvent être D ou L, chaque structure définissant un nom de l’hexose. Principaux hexoses d’intérêt biologique CHO CHO H OH HO H HO H H OH HO H H OH H OH CH2OH Glucose H OH CH2OH Mannose CHO H HO HO H CH2OH OH H H OH CH2OH Galactose O HO H H H OH OH CH2OH Fructose • L’ose présent à concentration la plus élevée (5mM dans le plasma sanguin) est le glucose. Le mannose et le galactose sont ses épimères en 2 et 4. Le fructose s’obtient par transposition du glucose (échange des fonctions aldéhyde et cétone). • • Les hexoses existent essentiellement sous forme cyclique α ou β . Cependant, le catabolisme s’effectue essentiellement sous la forme linéaire, l’ose s’ouvrant pour réagir et se refermant éventuellement après. 2 Glycolyse Catabolisme du glucose (Glycolyse) Bilan en substrat - Localisation La glycolyse dégrade le glucose en 2 pyruvates en aérobiose, et 2 lactates en anaérobiose. H HO CHO OH COO- H H OH H OH 2 CO COOou 2 CHOH CH3 CH2OH Glucose CH3 Pyruvate Lactate La glycolyse est localisée dans le cytosol. Types de réactions simples prévisibles Aérobiose Anaérobiose Oxydation 2 0 Rupture de squelette 1 1 Condensation 0 0 NB : Il intervient des condensations compensées par des hydrolyses, et en anaérobiose, des oxydations compensées par des réductions. 3 H HO H H Vue d’ensemble de la glycolyse (1) H HO H H Les étapes irréversibles sont Indiquées en rouge (2) CHO Glucose OH H OH DHP OH (4) CH2OP O CH2OH CH2OH ATP Gluckonase ou Hexokinase ADP Aldolase Glycéraldéhyde-3P CHO OH CH2OP Isomérase + NAD (6) G3PDH NADH CHO OH (5) H H H OH G6P OH CH2OP COOP OH Glycérate1-3P CH2OP ADP Glyc.-3P kinase (7) ATP COO H OH Glycérate-3P - G6P isomérase CH2OP CH2OH Isomérase(8) O COOHO H Fructose-6P (F6P) H OP Glycérate-2P H OH CH2OH H OH Enolase (9) CH2OP H2O ATP COO Phosphofructokinase (3) Phosphoénolpyruvate ADP (PEP) OP CH2OP CH2 O ADP Pyruvate kinase(10) HO H ATP F1-6P H OH COOCOO(11) H OH Pyruvate H OH Lactate O CH2OP CH3 CH3 NADH NAD+ Lactate DH Catabolisme du glucose (Glycolyse) Grandes séquences La glycolyse peut être décomposées en 4 séries de chaînon de nature différentes intervenant successivement : 1) Le glucose se transforme en fructose phosphorylé sur ses carbones 1 et 6 (F1-6P) : H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH CH2OP O HO H H H OH OH CH2OP 2) Le F1-6P forme alors deux glycéraldhyde3P (G3P), ce qui implique une rupture de squelette : CH2OP O HO H H OH H OH CH2OP 3) Le G3P est oxydé en pyruvate CHOH COOC O CH2OP CH3 CHO 4) En anaérobiose, le pyruvate est réduit en lactate : COO- COO- C O CH3 CHOH CH3 CHO 2 CHOH CH2OP 4 Chaînon d’entrée (1) : Glucose G6P Type de réaction : Condensation, donc transfert H HO OH H H HO OH H Coenzyme : ATP ADP H OH H OH Nom de l’enzyme : H OH H OH Glucokinase (GK) ou hexokinase (HK) (1) Énergétique : Irréversible CHO CHO ATP ADP CH2OH Glucose CH2OP Glucose-6P (G6P) Commentaires : (1) Le transfert est simple. • Les kinases (K) sont les transférases transférant un groupe phosphate. • La GK est l’isoenzyme du foie, la HK celle du muscle. Leurs propriétés cinétiques sont différentes et adaptées au rôle physiologique de ces deux organes. NB : Il n’y a pas de transporteurs d’oses- P dans la membrane plasmique. La phosphorylation du glucose et des intermédiaires de la glycolyse les empêche de ressortir de la cellule. Ceci augmente l’efficacité de la glycolyse. Chaînon 2 : G6P F6P (Transposition) CHO CH2OH H HO OH H HO H OH H H OH CH2OP G6P H O H OH OH CH2OP Fructose-6P (F6P) Type de réaction : Double tautomérie cétoénolique (1) Coenzyme : Aucun Nom de l’enzyme : G6P,F6P isomérase (1) Énergétique : Réversible Commentaires : 1) Nouveau type de réaction simple : la tautomérie cétoénolique. (Voir diapositive suivante) 2) La réaction est une isomérisation mais ce n’est pas un type de réaction. 5 La tautomérie cétoénolique • On appelle tautomérie cétoénolique, la réaction d’isomérisation d’un aldéhyde ou d’une cétone située en α d’un groupe CH, par déplacement de celui-ci. H C C C C C C OH C O OH O H H Aldéhyde Enol Enol Cétone La réaction est très endergonique (∆ ∆G’°>>0 ), donc très déplacée vers la gauche. H C Les réactions de tautomérie sont très rapides et n’ont pas besoin d’être catalysées. Elles s’effectuent donc toujours de façon couplée avec la réaction correspondant au chaînon précédent. F6P) Mécanisme de transposition d’oses ou d’oses-P (ex ; G6P Fixé sur l'enzyme CHO H HO CH2OH CHOH OH O OH H HO H HO H OH H OH H H OH H OH H CH2OP G6P CH2OP L’ènediol se formant entre les carbones 1 et 2 du GP est le même que celui se formant à partir du F6P. H OH OH La fixation du G6P sur l’isomérase stabilise l’ènediol, ce qui permet la transposition. CH2OP F6P Ene diol Chaînon 3 : F6P F1-6P CH2OH HO H H CH2OP O ATP ADP H HO OH H OH CH2OP Fructose-6 (F6P) H O H OH OH CH2OP Type de réaction : Condensation, donc transfert Coenzyme : ATP ADP Nom de l’enzyme : Phosphofructokinase Énergétique : Irréversible Fructose-1-6P (F16P) Commentaires : 1. Réaction analogue au chaînon 1 (G G6P). 6 Chaînon 4 : F16P G3P + DHP CH2OP O HO H H OH H OH CH2OP F16P Dihdroxyacétone-P Type de réaction : Rupture de squelette (RS) (1) (DHP) CH2OP Coenzyme : Aucun C O Nom de l’enzyme : Aldolase CH2OH CHO Énergétique : Réversible (2) CHOH CH2OP Glycéraldéhyde-3P (G3P) Commentaires : (1) Cette RS s’effectue au niveau d’une fonction alcool (DF 1) qui devient cétone (DF 2). Elle est non red-ox Une RS de ce type est dite rétroaldolisation. L’inverse est une aldolisation (Voir diapositive suivante) (2) Les rétroaldolisations sont impossibles dans les conditions standard, mais réversibles in vivo L’aldolisation - rétroaldolisation • On appelle en chimie « aldolisation », la réaction de synthèse de squelette effectuant entre deux aldéhydes portant en α un hydrogène mobile : OH C C O H H • + C C O H H C C C C O H H H Cette définition est généralisée en biochimie à la synthèse de squelette par addition d’un aldéhyde ou d’une cétone sur un CH mobile. (La réaction inverse est la rétroaldolisation) OH OH C O +H C R C C R H H H mobile Fonction polarisante • C O +H C R H C C C O H H H mobile Fonction polarisante Faux L’aldolisation / rétroaldolisation est réversible in vivo. 7 Chaînon 5 : DHP G3P (1) CH2OP C O CH2OH CHO CHOH CH2OP DHP G3P Type de réaction : Double tautomérie Coenzyme : Aucun Nom de l’enzyme : Isomérase Énergétique : Réversible Commentaires : 1. Cette réaction est analogue au chaînon (2) (G6P F6P) Chaînon 6 : G3P Glycérate-1-3P O H C CHOH CH2OP G3P NADH + H+ NAD+ PO43- O C O CHOH O P O O Type de réaction : Oxydation + Condensation (1) Coenzyme : NAD+ NADH Nom de l’enzyme : Déshydrogénase Énergétique : Réversible (2) CH2OP Glycérate-1-3P Commentaires : (1) Dans cette réaction couplée, l’oxydation fournit l’énergie à la condensation : G3P + NAD+Glyc.-3P +NADH ∆G'°<0 Glyc.-3P + P Glyc.-13P ∆G'°>0 (2) L’oxydation seule serait irréversible, mais l’énergie libérée est utilisée pour la condensation. 8 Chaînon 7 : Glyc-1-3P Glyc-3P ADP ATP COOCOOP CHOH CHOH CH2OP CH2OP Glycérate-1-3P Glycérate-3P Type de réaction : Simple transfert (1) Coenzyme : ADP ATP Nom de l’enzyme : Kinase Énergétique : Réversible Commentaires : 1. Finalement, les chaînons 6 et 7 transforment l’énergie d’oxydation du 3P en énergie d’hydrolyse, stockée dans l’ATP. Chaînon 8 : Glyc-3P Glyc-2P COOCHOH CH2OP Glycérate-3P COOCHOP CH2OH Type de réaction : Simple transfert (1) Coenzyme : Aucun Nom de l’enzyme : Isomérase ou Mutase (2) Glycérate-2P Énergétique : Réversible (3) Commentaires : (1) Il y a hydrolyse du P porté par le carbone 3 et condensation d’un P sur le carbone 2. Il s’agit bien d’un transfert ayant un (et même 2 intermédiaires communs), donc d’un simple transfert. (2) La réaction est une isomérisation, mais ce n’est pas un type de réaction (Nous avons vu des isomérisations par double tautomérie et par hydrolyse condensation. Il y en a aussi par oxydoréduction. (3) Évident, les formules de glyc.P et du Glyc-2P étant très voisines. 9 Chaînon 9 : Glyc-2P PEP H2O COOCHOP CH2OH Glycérate-2P - COO COP CH2 COO C O CH3 Déshydratation (1) Coenzyme : Aucun Nom de l’enzyme : Déshydratase Phosphoénolpyruvate (PEP) Commentaires : Type de réaction : Énergétique : Réversible - Pyruvate (1) Cette déshydratation synthétise une fonction énol qui ne peut pas se transformer en cétone en raison de la présence du phosphate condensé. Chaînon 10 : PEP Pyruvate COO COP CH2 PEP - ADP ATP COO- Type de réaction : Simple transfert + Tautomérie C O CH3 Coenzyme : ADP ATP Nom de l’enzyme : Kinase Pyruvate Énergétique : Réactions équivalentes COOAu transfert : COP Irréversible (∆G’°=-30 kJ) (1) COOCOH + P ∆G'°< 0 Hydrolyse CH2 CH2 - 60 kJ PEP PEP - COO COH COO- C O Tautomérie CH3 Pyruvate PEP ∆G'°< 0 CH2 ATP ADP + P Condensation ∆G'°= + 30 kJ (1) Le PEP contient à la fois l’énergie de condensation de P et celle de tautomérie, l’énol étant instable, donc riche en énergie (60 kJ soit l’énergie de 2 ATP). 10 Chaînon 11 : Pyruvate Lactate (anaérobiose) - NADH NAD+ COO COO C O CHOH CH3 CH3 Pyruvate Lactate Type de réaction : Réduction (1) Coenzyme : NADH NAD+ Nom de l’enzyme : Déshydrogénase Énergétique : Réversible (2) Commentaires : (1) Les réactions de réduction s’effectuent en général en utilisant le NADPH (Voir chapitres chaînons métaboliques et anabolismes). Cette réduction au NADH est donc une exception. (2) Cette réaction réversible intervient en sens inverse dans le catabolisme aérobie du lactate. Bilans de la glycolyse Bilan en anaérobiose Glucose + 2 ADP + 2 P -----> 2 lactate + 2 ATP • NB : Il y a 4 ATP formés et deux consommés. (Ne pas oublier qu’après la fourche de la glycolyse, les réactions écrites portent sur ½ glucose) Bilan en aérobiose Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P ----> 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP Bilan en ATP compte tenu de la chaîne respiratoire (aérobiose) Coenzymes formés pendant le déroulement du métabolisme ATP formés au cours de leur régénération NADH 2 6 FADH2 0 0 ATP 2 2 Total 8 11 Voie des hexoses-monophosphate (HMP) LES GRANDES VOIES CATABOLIQUES Catabolisme énergétique Triglycérides Glycogène ou Amidon Acides gras + Glycérol Voie desHMP HMP (Partie Voie des (Partie 1) 1) Glucose Glycolyse Glycolyse Pentoses 5P Voie des HMP (Partie 2) Catabolisme De Lynen Pyruvate CO 2 AcétylCoA Cycle de Krebs CO 2 CO 2 12 Glucose 6P CHO H OH HO H H OH H OH CH2OP Voie des hexosesmonophosphate (HMP): détail Gluconate 6P COOH OH HO H H OH H OH CH 2OP NADP + CH2OH O F6P HO H H OH H OH CH2OP Les intermédiaires de la glycolyse son encadrés NADPH CO2 CH2OH O H OH H OH CH2OP NADP + NADPH Ribose 5P CHO H OH H OH H OH CH2OP CHO H Ribulose 5P Xylulose 5P CH2OH O HO H H OH CH2OP CHO OH H CH 2OP OH CH2OP H H CHO OH OH CH 2OP HO H H H CH2OH O H OH OH OH CH2OP Sédoheptulose 7P Erythrose 4P • Il ne vous ai pas demandé de retenir le détail de ce métabolisme. Voie des hexoses-monophosphate (HMP) • La voie de HMP, dite aussi shunt des pentoses-phosphate est une variante du début de la glycolyse qui transforme un glucose-6P en un glycéraldéhyde-3P e 3 CO2 en formant intermédiairement des pentoses-P • Ce métabolisme nécessite 6 oxydations assurées par le NADP+ H HO H H CHO OH H OH OH CH2OP CHO CHOH CH2OP + 3 CO2 6 NADP+ 6 NADPH • Il est localisée dans le cytosol 13 Voie des Hexoses Monophosphates Bilan en substrat H HO 3 H H CHO OH H OH OH CH2 OP CHO 3 CO2 + CHOH + CH2 OP 2 Glycéraldéhyde-3P Glucose-6P CH2 OH O HO H H OH H OH CH2 OP Fructose-6P Voie des hexoses-monophosphate (HMP) suite • Ce métabolisme se décompose en 2 parties : – La première assure l’oxydation irréversible de 3 moles de glucose-6P en 3 moles de pentose-5P et 3 CO2 – Dans la deuxième, réversible, des réactions couplées de rupture synthèse de squelette transforment les 3 pentoses-5P en un glycéraldéhyde-3P et deux fructose-6P qui régénèrent deux glucose-6P. Glucose-6P x2 x3 CO2 Pentose 5P x3 x1 Glycéraldéhyde-3P Suite de la glycolyse • Rôle de la voie des HMP – La voie des HMP permet à la fois l’anabolisme et le catabolisme des pentoses – Elle assure la régénération des NADPH consommés au cours des anabolismes. (Elle intervient pour environ 30% de la consommation du glucose dans les organes à fort rôle anabolique, comme le foie, mais pas dans le muscle qui n’effectue pas d’anabolisme.) 14 PHASE 1 Oxydative PHASE 2 Non oxydative Voie des Hexoses Monophosphates (phase oxydative) PHASE 1: Synthèse du Ribulose 5P H HO H H CHO OH H OH OH CH2 OP 4e CH2 OH O H OH + CO2 H OH CH2 OP Formation des pentoses-P par oxydation et réactions de rupture de squelette carboné Deux (trois) oxydations et une rupture de squelette Irréversible 15 Voie des Hexoses Monophosphates PHASE 1: Synthèse du ribulose 5P CHO OH H OH OH CH2OP Glucose 6P H HO H H NADP + G6P déshydrogénase NADPH NADP + Gluconate 6P désydrogénase NADPH - COO OH O H OH H OH CH2OP H - H HO H H COO OH H Gluconate 6P OH OH CH2OP CO 2 CH2OH O Ribulose 5P H OH H OH CH2OP PHASE 1 Oxydative PHASE 2 Non oxydative 16 Synthèse du ribose 5P et du xylose 5P Transposition du ribulose 5P en ribose 5P (isomérisations) CH 2OH O H OH H OH CH 2OP CHOH OH H OH H OH CH 2OP CHO H OH H OH H OH CH2OP Ribulose 5P Ribose 5P Epimérisation du ribulose 5P en xylulose 5P CH 2OH O H OH H OH CH 2OP CH 2OH OH OH H OH CH 2OP CH 2OH O HO H H OH CH 2OP Xylulose 5P Ribulose 5P Glucose 6P CHO H OH HO H H OH H OH CH 2OP Gluconate 6P COOH OH HO H H OH H OH CH2OP NADP + CH 2OH O F6P HO H H OH H OH CH 2OP NADPH CH 2OH O CO2 H OH H OH CH 2OP NADP + NADPH Ribose 5P CHO H OH H OH H OH CH2OP CHO H Ribulose 5P Xylulose 5P CH 2OH O HO H H OH CH 2OP CHO OH H CH 2OP OH CH 2OP H H CHO OH OH CH 2OP HO H H H CH 2OH O H OH OH OH CH 2OP Sédoheptulose 7P Erythrose 4P 17 PHASE 1 Oxydative PHASE 2 Non oxydative Deuxième partie de la voie des HMP (phase non oxydative) Phase non oxydative Réactions réversibles Phase d’interconversion des sucres Transformation de 3 moles d’oses 5P en un glycéraldéhyde 3P et deux fructose-P. Utilisation de 2 type de réactions: Transcétolisation : transfert d’un groupe de 2 carbones Transaldolisation: transfert d’un groupe de 3 carbones 18 Description de la deuxième partie Glycéraldéhyde 3P Fructose 6P C5 C3 C6 C5 C7 C4 Ribose 5P Sédoheptulose 7P Xylulose 5P Fructose 6P C6 Erythrose 4P C3 C5 Xylulose 5P Glycéraldéhyde 3P Suite d’une transcétolisation, d’une transaldolisation et d’une transcétolisation C5 + C5 C3 + C7 (Transcétolisation) C3 + C7 C6 + C4 (Transaldolisation) C5 + C4 C6 + C3 (Transcétolisation) 3 C5 2 C6 + 1 C3 BILAN La phase 2 connecte la voie des pentoses à la glycolyse 19 Catabolismes des autres Osides Catabolisme des autres hexoses (Mannose, Galactose) • Après avoir été phosphorylés, le mannose et le galactose sont isomérisés en G6P par inversion de configuration des carbones respectivement 2 et 4. •Les inversions de configuration d’un carbone sp3 s’effectuent toujours en enlevant un hydrogène, ce qui le rend sp2. •Il devient ainsi plan. L’hydrogène est alors fixé de l’autre côté de la molécule, ce qui inverse la configuration : H Plan X X Z Y H Carbone sp3 Y X Z Carbone sp2 Z H Y Carbone sp3 •Dans le cas du mannose, ce mécanisme s’effectue par une double tautomérie cétoénolique Fixé sur l'enzyme H HO H H CHO OH H OH OH CH2OP G6P CHOH HO HO OH H HO H OH H H H OH CH2OP CHO H H OH OH CH2OP Mannose-6P Enediol 20 Catabolismes du glycogène Le glycogène est un poly α glucose qui constitue la principale réserve d’ose animale. CH2OH CH2OH O O Ramification O O CH2 CH2OH CH2OH CH2OH O ..... O O O O O O Chaine linéaire Dégradation • Les chaînes linéaires α1-4 du glycogène sont dégradées par la glycogène phosphorylase qui libère du glucose 1P. Cette réaction est de simple transfert. Le glucose 1P est ensuite transformé en glucose 6P par une isomérase. Glycogène phosphorylase (Transférase) P CH2OH O CH2OH O CH2OH O O O Gluc O Gluc Gluc Gluc CH2OHP O Glycolyse G6P G6P,G1P isomérase • Une autre enzyme hydrolyse les liaisons 1-6. Autres osides Les diosides sont en général dégradés par hydrolyse. L’amidon est dégradé par hydrolyse et phosphorylation (mécanisme complexe et mal connu). Catabolismes du glycérol Le glycérol provenant des lipides est transformé en dihydroxyacétone P. NAD+ NADH CH2OH CH2OH CHOH CO CH2OP CH2OP DH Kinase ATP ADP CH2OH CHOH CH2OH 21 Rôle amphibolique de la glycolyse • Le glucose (libre ou condensé) est la source principale de carbone des organismes animaux. C’est la réserve de carbone chez les plantes. • Toutes les molécules que sait construire un organisme peuvent être obtenues en utilisant le glucose pour construire le squelette carboné. • Les intermédiaires de la glycolyse peuvent servir de précurseur pour construire un substrat. • Par exemple le glycérol est construit à partir de la dihydroxyacétone-P, l’alanine à partir du pyruvate • L’utilisation d’un catabolisme comme tout ou partie d’un anabolisme est dit « Rôle amphibolique du catabolisme » Comment retenir le catabolisme du glucose Les points clés du catabolisme du glucose sont les suivants : •Transformation du glucose en fructose 1-6P par action de deux kinases et d'une isomérase ; •Transformation du fructose 1-6P en deux glycéraldéhydes 3P par rétroaldolisation et isomérisation ; •Oxydation du glycéraldéhyde 3P en 3P glycérate par action d'une déshydrogénase phosphorylante et d'une kinase produisant de l'ATP ; •Transformation du 3P glycérate en phosphoénolpyruvate (PEP) par transfert du phosphate sur le carbone 2 puis déshydratation ; •Transformation du PEP en pyruvate avec production d'ATP puis, éventuellement, réduction en lactate. Il est utile de retenir de plus que seules les réactions catalysées par les kinases sont irréversibles. 22
