CHMI 3226 F Biochimie II

CHMI 3226 F
Biochimie II - Métabolisme
Semaine du 27 septembre
Structure et métabolisme des glucides
3. Cycle de l’acide citrique
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
1
Destin du pyruvate
•
En présence d’oxygène, le
pyruvate issu de la gycolyse est
dirigé vers le cycle de l’acide
citrique;
•
Chez les bactéries: dans le
cytosol;
•
Chez les animaux: dans la
mitochondrie;
•
Avant d’entrer dans le cycle de
l’acide citrique, le pyruvate doit:
– 1. entrer dans la mitochondrie (si
chez les animaux)
– 2. être converti en acétyl-CoA par
la pyruvate déshydrogénase;
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
2
Entrée du pyruvate dans la
mitochondrie
• Traverse la membane externe via la porine, une
protéine laissant passer les petites molécules (< 10,000
Da);
• Traverse la membrane interne via la pyruvate
translocase, qui pompe un proton (H+) dans la matrice
pour chaque pyruvate.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
3
Pyruvate déshydrogénase
• Protéine géante:
– 5 MDa chez E. coli
– 9 MDa chez les mammifères
• Composée de plusieurs copies de 3 sous unités:
– E1: pyruvate deshydrogénase;
– E2: dihydrolipoamide acétyltransférase;
– E3: dihydrolipoamide déshydrogénase
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
4
Pyruvate déshydrogénase
• Structure:
– Cœur de 24 sousunités E2 (a),
recouvertes de 12
dimères E1 (bleu) et 6
dimères E3 (jaune)
– Cette structure permet
de canaliser le
substrat et les cofacteurs parmi les 3
enzymes;
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
5
Pyruvate déshydrogénase
• Co-facteurs:
– NAD+
– Coenzyme-A (CoASH)
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
• Groupes prosthétiques:
– FAD (flavine adénine
dinucléotide)
– Pyrophosphate de
thiamine
– lipoamide
Biochimie II – A2010
6
Coenzyme-A (CoA)
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
7
Flavine adénine dinucléotide
(FAD)
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
8
Pyruvate déshydrogénase
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
9
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
10
Cycle de l’acide citrique
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
11
Cycle de l’acide citrique
• Pour chaque molécule d’acétylCoA entrant dans le cycle de
l’acide citrique:
Acétyl-CoA
– Production de 2 CO2
– Génération de plusieurs molécules
riches en énergie:
• 1 ATP/GTP
• 3 NADH:
– chaque NADH donne 2.5 ATP
• 1 QH2(ubiquinone):
CO2
CO2
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
– Chaque QH2 donne 1.5 ATP
• Regénération de l’oxaloacétate
• Aussi: il faut au moins 2 cycles
avant que les carbones d’une
molécule d’acétyl-CoA soient
transformés en CO2.
Biochimie II – A2010
12
Cycle de l’acide citrique
• Il faut faire au moins 2
tours du cycle avant
que l’un des carbones
de l’acétyl-CoA ne
soit éliminé en CO2.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
13
Le cycle du citrate est un point de convergence
de plusieurs réactions métaboliques
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
14
http://www.tcd.ie/Biochemistry/IUBMB-Nicholson/gif/01.html
Première étape:
Formation du citrate
• Implique la condensation de l’acétyl-CoA avec
l’oxoloacétate;
• Catalysée par la citrate synthase
• Réaction irréversible: commet les carbones de
l’acétyl-CoA à continuer dans le cycle.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
15
Deuxième étape:
Conversion du citrate en isocitrate
• Implique l’isomérisation du citrate: un groupe OH est
déplacé du C3 au C2 de l’isocitrate. Ceci facilitera la
réaction d’oxydo-réduction de l’étape enzymatique
suivante.
• Catalysée par l’aconitase
• Réaction stéréospécifique: seul l’isomère 2R3S est
formé.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
16
Le mode d’action du poison à rat
COOHS-CoA
COO-
CH2F
Fluoroacétate
(poison à rat)
S-CoA
HS-CoA
Citrate
synthase
C=O
CH2F
CH-F
HO-C-COOOxaloacétate
CH2
COOFluorocitrate
• Le fluoroacétate est l’ingrédient principal du poison à rat;
• Il est facilement incorporé dans les premières étapes du cycle de
l’acide citrique, formant le fluorocitrate;
• Le fluorocitrate est un puissant inhibiteur de l’aconitase, empêchant
la progression du cycle du citrate et diminuant considérablement la
quantité d’énergie pouvant être produite par le catabolisme du
glucose, d’où son effet toxique pour la cellule.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
17
Troisième étape:
De l’isocitrate en a-cétoglutarate
•
•
•
•
Réaction d’oxydo-réduction;
Catalysée par l’isocitrate déshydrogénase;
Réaction métaboliquement irréversible;
Conduit à l’élimination d’un CO2 et la production d’un
NADH.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
18
Quatrième étape:
Conversion de l’a-cétoglutarate en
succinyl-CoA
• Réaction d’oxydo-réduction (similaire à celle catalysée
par la pyruvate déshydrogénase);
• Catalysée par l’a-cétoglutarate déshydrogénase
• Conduit à l’élimination d’un CO2 et la production d’un
NADH.
H+
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
19
Cinquième étape:
Conversion du succinyl-CoA en
succinate
• Réaction de phosphorylation au niveau du substrat
• Catalysée par la succinyl-CoA synthétase
• Conduit à la production d’un GTP, lui-même converti en
ATP via la nucléotide diphosphate kinase
COOCH2
CH2
GDP, Pi
S-CoA
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
CH2
GTP
Nucléotide
diphosphate
kinase
C=O
Succinyl-CoA
HS-CoA
Succinyl-CoA
synthétase
ATP
COO-
ADP
Biochimie II – A2010
CH2
COOSuccinate
20
Cinquième étape:
Conversion du succinyl-CoA en succinate
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
21
Sixième étape:
Conversion du succinate en fumarate
• Réaction d’oxydo-réduction;
• Catalysée par la succinate deshydrogénase (enzyme
associée à la membrane interne de la mitochondrie);
• Conduit au transfert (via le FAD) de deux électrons à
l’ubiquinone (Q), qui sera réduite (QH2);
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
22
Septième étape:
Conversion du fumarate en malate
• Réaction d’hydratation catalysée par la
fumarase;
• Addition stéréospécifique d’eau en trans sur la
liaison double du fumarate;
• Seulement le L-malate est produit.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
23
Huitième étape:
Conversion du malate en oxaloacétate
• Réaction d’oxydo-réduction catalysée par la
malate déshydrogénase;
• Produit un NADH.
• Conduit à la regénération de l’oxaloacétate, prêt
à initier un second tour du cycle;
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
24
Bilan énergétique partiel
1 NADH = 2.5 ATP
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
1 QH2 = 1.5 ATP
25
Importance physiologique
• Deux types de fibres musculaires
squelettique sont retrouvées:
– Fibres lentes (type I):
• P. ex: muscles responsables de la
posture, du battement des ailes
(muscles rouge)
• Contraction lente
• Ne se fatiguent pas rapidement
• Possèdent beaucoup de
mitochondries
• Catabolise le glucose surtout par
le cycle du citrate.
– Fibres rapides (type II)
•
•
•
•
•
P.ex: biceps (muscles blanc)
Contraction rapide
Se fatiguent rapidement
Possèdent peu de mitochondries
Catabolisme du glucose surtout
par glycolyse
• Fatigue musculaire: production de
lactate par fermentation du
pyruvate.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
26
Importance physiologique
Type I
Type I
Type II
Type II
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
27
Régulation du cycle du citrate
Citrate
synthétase
- ATP
- Succinyl-CoA, NADH
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
28
Pyruvate déshydrogénase
1. Régulation par les réactifs
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
29
Pyruvate déshydrogénase
2. Régulation par phosphorylation
Dichloroacétate (DCA)
Contraction
musculaire
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
30
Isocitrate déshydrogénase
• Chez les mammifères et bactéries: régulation
allostérique seulement:
– Inhibition: NADH
– Activation: Ca+2 (e.g. contraction musculaire), ADP
• Chez E. coli: régulation par phosphorylation:
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
31
Réactions anaplérotiques
• Réactions permettant de fournir des intermédiaires du
cycle du citrate à partir d’autres métabolites:
– Pyruvate carboxylase: importante chez les mammifères;
– PEP carboxylase: chez les bactéries et les plantes.
Pyruvate + CO2 + ATP + H2O
Pyruvate
carboxylase
Oxaloacetate + ADP + Pi
Phosphoenolpyruvate + HCO3E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Oxaloacetate + Pi
Biochimie II – A2010
PEP
carboxylase
32
Réactions anaplérotiques
• La glutamine est l’acide aminé le plus abondant dans le
sang;
• Source importante d’énergie chez les cellules
cancéreuses (plus que le glucose)
Glutamine + H2O
Glutaminase
NAD+
Glutamate + NH4+
Glutamate
déshydrogénase
Glutamate + H2O +
a-cétoglutarate + NADH + NH4+
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
33
Effet Warburg
• Observé par Otto Warburg au début du 20ième siècle;
– Contrairement aux cellules normales, les cellules
cancéreuses ont une glycolyse très active, mais ne
métabolisent que très peu le glucose via le cycle du citrate, et
ce même en conditions aérobiques.
• Les carbones du glucose sont principalement dirigés vers la
synthèse d’acides aminés et de lipides, qui sont en grande
demande chez des cellules qui prolifèrent activement. De
grandes quantités de lactate sont aussi produites (pourquoi?).
• La glutamine en a-cétoglutarate par les réactions anaplérotiques,
permet de soutenir le cycle du citrate. Ceci fourni de l’ATP et
d’autres métabolites/co-facteurs nécessaires pour la synthèse
d’acides aminés et de lipides.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
34
Effet Warburg
Lactate
GLUCOSE
2 ADP
2 ATP + 2 Pi 2 NAD+ 2 NADH
Glucose-6 PO4
2G3P
LDH
2 Pyruvate
4 ADP 4 ATP
Pentose-PO4
Pathway
NADP+
Transaminase
Ala
NADPH NADP+
Ser/Cys/Gly
Acetyl-CoA
Fatty acids
Glutamine
NADPH
Citrate
Ribose
Isocitrate
Oxaloacetate
+
NH4+ NH4
Glutaminase
1 FADH
Malate
ATP
NAD+
FAD+
NADH
FADH
3 NADH
1 GTP
Fumarate
Succinyl-CoA
Succinate
Glutamate
2-oxoglutarate
Glutamate
dehydrogenase
Effet Warburg
•
L’effet Warburg est à la base de la tomographie par émission de positron
(PET scan):
– les cellules cancéreuses incorporent beaucoup de 18F-déoxyglucose.
Ce dernier ne complète pas la glycolyse car il ne possède pas de
groupe OH sur le carbone 2.
– Les cellules cancéreuses accumuleront donc beaucoup de 18Fdéoxyglucose, et seront facilement détectées par PET.
18F-déoxyglucose
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
36
Cycle du glyoxalate
• Version modifiée du cycle du citrate;
• Permet la production de glucose à partir
d’acétyl-CoA;
• Présent seulement chez les bactéries,
levures et plantes;
• Source principale de glucose dans les
graines.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
37
Cycle du glyoxalate
Isocitrate lyase
Malate synthase
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
38
Cycle du glyoxalate
1. chez les bactéries et levures
•
Deux réactions permettent à
l’acétyl-CoA de contourner
partiellement le cycle du citrate:
– Isocitrate lyase: donne du
glyoxalate et du succinate à partir
de l’isocitrate;
– Malate synthase: synthétise du
malate à partir du glyoxalate et de
l’acétyl-CoA.
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
•
Donc: les carbones de deux
molécules l’acétyl-CoA ne sont
pas perdus en CO2, mais
incorporés dans la production
nette de malate, un composé à 4
carbones;
•
Le malate est ensuite acheminé
vers la voie de synthèse du
glucose;
Biochimie II – A2010
39
Cycle du glyoxalate
2. dans les plantes
E.R. Gauthier, Ph.D. Université
Laurentienne
Biochimie II – A2010
•
Les plantes possèdent une
organelle cellulaire spéciale, le
glyoxysome, où se produit le
cycle du glyoxalate;
•
Cycle particulièrement important
dans les graines en germination;
•
les huiles des graines sont
dégradées pour produire l’acétylCoA;
•
L’acétyl-CoA est ensuite utilisé
par le cycle du glyoxalate pour
produire le malate, qui est
ensuite converti en glucose dans
le cytosol;
•
Le succinate est acheminé dans
la mitochondrie pour être inclus
dans le cycle de l’acide citrique,
produisant de l’oxaloacétate.
40