Energétique tissulaire et cellulaire

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