Biochimie Métatabolique 2019-2020 PDF

BIOCHIMIE MÉTABOLIQUE 2019-2020 1 UMONS – Pr. AE DECLEVES  Plan de Cours CHAPITRE 0. Rappel - Contexte CHAPITRE 1. Les glucides importants sur le plan physiologique CHAPITRE 2. Glycolyse et oxydation du pyruva...

BIOCHIMIE MÉTABOLIQUE 2019-2020 1 UMONS – Pr. AE DECLEVES  Plan de Cours CHAPITRE 0. Rappel - Contexte CHAPITRE 1. Les glucides importants sur le plan physiologique CHAPITRE 2. Glycolyse et oxydation du pyruvate CHAPITRE 3. Le cycle du citrate CHAPITRE 4. La phosphorylation oxydative CHAPITRE 5. Métabolisme du glycogène CHAPITRE 6. Néoglucogenèse et contrôle de la glycémie CHAPITRE 7. Voie des pentoses phosphates et autres voies métaboliques CHAPITRE 8. Lipides importants sur le plan physiologique CHAPITRE 9. Oxydation des acides gras - cétogenèse CHAPITRE 10. Biosynthèse des acides gras CHAPITRE 11. Métabolisme des acylglycérols et des sphingolipides CHAPITRE 12. Synthèse, transport et excrétion du cholestérol CHAPITRE 13. Vue d’ensemble du métabolisme CHAPITRE 14. Métabolisme de l’azote 2  Plan de Cours CHAPITRE 15. Nucléotides et acides nucléiques CHAPITRE 16. Métabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques CHAPITRE 17. Structure et fonction des acides nucléiques CHAPITRE 18. Organisation, réplication et réparation de l’ADN CHAPITRE 19. Synthèse, maturation et métabolisme de l’ARN CHAPITRE 20. Synthèse protéique et code génétique CHAPITRE 21. Génie génétique 3  La phosphorylation oxydative ▪ Rappel sur la structure des membranes mitochondriales ▪ Conversion de l’énergie en ATP ▪ Flux d’électrons dans la chaîne respiratoire ▪ Synthèse d’ATP ▪ La chaîne respiratoire fournit la plus grande partie de l’énergie provenant du métabolisme ▪ Les agents découplant ▪ Systèmes de transport dans la membrane interne de la mitochondrie ▪ Régulation de l’OXPHOS ▪ Hypoxie et stress oxydant 4 ▪ Pathologies 4 VUE D’ENSEMBLE DU MÉTABOLISME 5 Biochemistry: concepts and connections. Ed. Pearson 4.1 RAPPEL: STRUCTURE DE LA MITOCHONDRIE librement laisse passer les molécules invagination pour augmenter ent le & ↳ perméable donc besoin de transporteur Micrographie électronique d’une Modèle de structure d’une mitochondrie. Membrane interne – imperméable entoure une matrice riche en protéine. mitochondrie montrant les crêtes L’espace intermembranaire = composition similaire au cytosol ©Biochimie – Pratt – deboeck superieur. ©Biochimie – Pratt – deboeck superieur. 6 4.1 Figure 13–1. + cardiolipine Enzymes: Adénylate kinase Créatine kinase Membrane externe = perméable à la plupart des métabolites Membrane interne 7 = perméabilité très sélective Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.2 II. CONVERSION DE L’ÉNERGIE ALIMENTAIRE EN ATP ➔ rôle de la chaîne respiratoire des mitochondries Synthèse d’ATP Figure 13–2. Oxydation des Équivalents Collectés par Enz de la denrées alimentaires réducteurs chaîne respiratoire pour réaction finale avec O2 et phosphorylation oxydative → ATP 8 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur rappel Tableau des potentiels redox : Prédiction du sens de transfert des e- ➔ de la molécule réduite d’une réaction → à la molécule oxydée d’une réaction située (au même niveau) ou plus bas dans le tableau (Forme oxydée / Forme réduite) (Réduction) E°’ < 0 = le couple rédox a moins d’affinité pour les e- = Il est réducteur E°’ > 0 = le couple rédox a plus d’affinité pour les e- = Il est oxydant 9 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.3 III. RÔLE DE TRANSPORTEURS D’ÉLECTRONS ▪ Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+ et NADP+) ▪ Les flavoprotéines: FAD et FMN ▪ Ubiquinone (Q) ▪ Groupes prosthétiques des cytochromes (hème – complexé au fer) ▪ Centres Fer-Soufre au niveau de certains complexes Figure 13–3. = Succinate déshydrogénase 10 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.3.1 III. RÔLE DE TRANSPORTEURS D’ÉLECTRONS ▪ Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+ et NADP+) Figure 13–3. 11 Lehninger fig 14-15 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.3.2 ▪ Les flavoprotéines: FAD (flavine adénine dinucléotide) et FMN (flavine mononucléotide) = constituants des complexes I et II Figure 13–3. Savoirque entret Noyau Intermédiaire une isoalloxazine oxydé = semiquinone -exea réduit = radical libre [ Figure 12–2. = si un seul électron accepté I 12 Transfert d’électron Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.3.3 ▪ Ubiquinone (Q) Figure 13–3. 13 Lehninger fig 19-2 4.3.4 ▪ Groupes prosthétiques des cytochromes (hème – complexé au fer) = constituants des complexes III et IV et cytochromes c Figure 13–3. 14 Biochimie de Pratt – Ed. Deboeck Superieur 4.3.5 ▪ Centres Fer-Soufre au niveau de certains complexes = constituants des complexes I, II et III Lehninger fig 19-5 La plus simple avec un Centre 2Fe-2S Centre 4Fe-4S atome Fe lié à quatre cystéines. 15 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4 III. VUE D’ENSEMBLE DU FLUX D’ÉLECTRONS DANS LA CHAÎNE RESPIRATOIRE ➔ 4 complexes protéiques dans mb interne Figure 13–3. Navettes & Navettes gen co-enzyme Q Cytochrome c = mobiles ou ubiquinone Flux d’électrons le long de la chaîne Complexés 1,3,4 sont des pompes à protons -> les ramènes vers la membrane interne Il faut de l’énergie pour permettre se passage de protons car contre le gradient de concentration 16 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur  Les complexes de la chaîne mitochondriale ! https://www.youtube.com/watch?v=rdF3mnyS1p0 17 4.4 III. FLUX D’ÉLECTRONS DANS LA CHAÎNE RESPIRATOIRE ➔ 4 complexes protéiques dans mb interne 1 18 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4.1 Complexe I NADH:ubiquinone -m oxydoréductase reduire l'ubiquinone le substrat Pompe à proton oxydé "NADH + H+ Complexe I catalyse le transfert d’électrons: du NADH → FMN → centres Fe-S ➔ coenzyme Q NADH + Q + 5H +matrice → NAD + QH2 + 4H+espace intermb 19 Lehninger fig 19-9 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4.2 Complexe II Succinate déshydrogénase Lehninger fig 19-8 Complexe II – formation du FADH2 lors de la conversion du succinate en fumarate (cycle du citrate) 20 Transfert d’e du FADH2 → centres Fe-S ➔ coenzyme Q 4.4.2 Complexe II Succinate déshydrogénase Lehninger fig 19-8 ➔ Le cycle Q couple le transfert d’électrons et le transport de protons dans le complexe III 21 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4.2 Le coenzyme Q = 3 formes ▪ Quinone = forme oxydée ▪ Quinol = forme réduite ▪ Semiquinone = forme intermédiaire (forme radicalaire) → Transitoire Il faut éviter l’embouteillage Le coenzyme Q réduit (QH2 ) transporte 2 électrons mais les cytochromes c transportent 1 seul électron D’où re-oxydation de QH2 est couplée à la réduction de 2 molécules de cytochrome c dans le Cycle de Q 22 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.4.3 Complexe III Coenzyme Q-cytochrome c oxydoréductase Les électrons passent de QH2 au cytochrome c via le Complexe III. 4H+ "S , Lehninger fig 19-11 : QH2 + 2Cyt coxydé + 2H+matrice → Q + 2Cyt créduit + 4H+espace intermb 23 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4.3 Complexe III Coenzyme Q-cytochrome c oxydoréductase 1 ➔ Rôle des cytochromes c1, bL, bH + protéine Fe-S (de Rieske, 2 His) dans le transfert des e- = une protéine « centre Fer-S » inhabituelle où les atomes de fer sont liés aux résidus de deux 2 histidines plutôt que des cystéines wikipedia 24 4.4.3 LE CYCLE Q Hydrophobes → dans membrane Hydrophile → hors membrane Figure 13–6. Opausalemiradicalive Le cycle Q. Lors de l’oxydation de QH2 en Q, un électron est cédé au cyt c via une protéine de Rieske Fe-S et cyt c1 et le second est cédé à Q pour former la semiquinone via cyt bL et cyt bH, alors que 2H+ sont libérés dans l’espace intermembranaire. Un processus similaire a lieu alors avec un deuxième QH2 mais dans ce cas, le deuxième électron est donné à la semiquinone pour la réduire en QH2, 2H+ sont alors capturés à partir de la matrice (cyt, cytochrome ; Fe-S, protéine à fersoufre ; Q, coenzyme Q ou ubiquinone). 25 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.4.4 Complexe IV Cytochrome c oxydase ➔ L’oxygène moléculaire est réduit en H2O par le complexe IV 4Cyt créduit + O2 + 8H+matrice → 4Cyt coxydé + 2H2O + 4H+espace intermb e Complexe IV catalyse le transfert d’électrons: à CuA → hème a → hème a3 → CuB → O2 Protons expulsés de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire ou anihilés par formation de H2O 26 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.4.5 BILAN Flux des électrons et des protons Lehninger fig 19-15 27 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.5 IV. SYNTHÈSE D’ATP Le transport des électrons par la chaîne respiratoire crée un gradient de protons → synthèse d’ATP par la phosphorylation oxydative Théorie chimio-osmotique de Peter Mitchell (1961) ➔ force motrice du gradient de protons due à différence de potentiel électrochimique entre les 2 faces de la membrane interne 28 4.5 Accepte les protons pour activer la F0 = moteur rotatif générateur d’ATP Complexes I, III et IV = pompes à protons → protons s’accumulent dans espace intermembranaire Retour à travers le canal à protons de l’ATP synthase: permet la libération de l’ATP synthétisé 29 Biochimie de Pratt – Ed. Deboeck Superieur 4.5.1 Le complexe mitochondrial de l’ATP synthase = moteur rotatif Figure 13–8. F1 matrice F0 extérieur Canal pour protons et crédamse 30 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.5.1 Dans la matrice mitochondriale: 3 dimères αβ forment la partie sphérique F1 = activité catalytique ADP + Pi → ATP Dans la membrane interne mitochondriale: les sous-unités forment un disque F0 = contient un canal pour les protons Le flux de protons à travers F0: 2 protons passent ->. On fait une rotation d’un tiers de tours entraîne sa rotation d’1/3 de tour = moteur moléculaire changement de conformation des dimères αβ de F1 E 1 → libère ATP Sous unité catalytique 2 → lie ADP + Pi 3 → synthétise ATP et le garde lié 31 4.5.1 sous-unité 1 Le flux de protons à travers F0: entraîne sa rotation d’1/3 de tour = moteur moléculaire changement de conformation des dimères αβ de F1 1 → libère ATP 2 → lie ADP + Pi 3 → synthétise ATP et le garde lié Lehninger fig 19-24 p = espace intermembranaire 32 N = matrice mitochondriale Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.5.1 Le complexe mitochondrial de l’ATP synthase = moteur rotatif ↑ https://youtu.be/3y1dO4nNaKY 33 4.5.1 Le complexe mitochondrial de l’ATP synthase = moteur rotatif https://youtu.be/lOgea89L1UY 34 4.6.1 V. LA CHAÎNE RESPIRATOIRE FOURNIT LA PLUS GRANDE PARTIE DE L’ÉNERGIE PROVENANT DU MÉTABOLISME NADH Oxydation via complexes I, III, IV: · 2,5 moles d’ATP formées par 0,5 mole de O2 consommée Succinate ou 3-phosphoglycérate Oxydation via complexes II, III, IV: 1,5 moles d’ATP formées par 0,5 mole de O2 consommée 90% des phosphates à haute E provenant de l’oxydation complète du glucose sont obtenus par l’oxydation phosphorylante 35 4.7.1 VI. LES AGENTS DÉCOUPLANTS Découplage de la chaîne respiratoire · mitochondrial Permettent de maintenir un gradient -> on veut produire de la chaleur Besoin en ATP ↓ dans la cellule mais la ré-oxydation des coenzymes continuent d’où le gradient de H+ est élevé. Le retour des H+ dans la matrice par un autre moyen que le composant F0 de l’ATP synthase permet au transport des e- de la chaîne respiratoire de se maintenir. ➔ Mais pas de production d’ATP car pas de passage des H+ par la pompe DONC la ∑ d’ATP est découplée du transport des e- ➔ par des agents découplant 36 4.7.1 1. Découplage et thermogenèse (production de chaleur) Où? Tissu adipeux brun (bcp de mitochondries) Comment? Canal transmembranaire à H+ (UCP: uncoupled protein ou thermogénine) dans mb internes Qui? Animaux hibernant Nouveau-nés humains Autres animaux et hô plus faible mais permet de maintenir la t° corporelle 37 4.7.1 La thermogénine est une protéine découplante Lehninger fig 19-30 38 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.7.2 2. Autres agents découplant Figure 13–7. Les ionophores détruisent le gradient de protons: ils découplent l’oxydation (le flux d’électron) de la phosphorylation (ATP synthase) Rôle : perturber l’activité de l’ATP synthase 39 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.7.3 3. Sites d’inhibition de la chaîne respiratoire par des médicaments et des réactifs chimiques Figure 13–9. Arrêt total invibireuples Transporteurs en amont du point d’interruption restent à l’état réduit Transporteurs en aval du point d’interruption sont oxydés 40 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8 VII. SYSTÈMES DE TRANSPORT DANS LA MEMBRANE INTERNE DE LA MITOCHONDRIE Figure 13–10. Matrice Ne laisse passer que des petites molécules non chargées: H2O, CO2, NH3, acides COOH ➔ Systèmes symport ou antiport 1 = transporteur du phosphate 2 = symport du pyruvate 3 = transporteur des dicarboxylates 4 = transporteur des tricarboxylates 5 = transporteur de l’α-cétoglutarate 6 = transporteur des nucléotides de l’adénine. Le N-éthylmaléimide, l’hydroxycinnamate et l’atractyloside inhibent (–) les systèmes indiqués. Il existe aussi (bien que n’apparaissant pas dans la figure) les systèmes de transport du glutamate/aspartate, de la glutamine, de l’ornithine, des acides aminés neutres et de la carnitine. 41 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8.1 ➔ Combinaison du transport des phosphates (1) et des nucléotides adényliques (2) dans la synthèse de l’ATP transporteur des nucléotides de l’adénine Gradient de protons Symport H+/Pi équivalent à l’antiport Pi/OH– Lehninger fig 19-26 42 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.8.2 ➔ Navette du glycérolphosphate (cerveau, muscle lisse) pour le transport des équivalents réducteurs du cytosol à la mitochondrie Matrice Figure 13–12. produit en continu par glycéraldéhyde 3-phosphate 1,5 moles d’ATP formées déshydrogénase (glycolyse); par 0,5 mole de O2 ne peut entrer dans la mitochondrie consommée 43 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8.3 ➔ Navette du malate pour le transport des équivalents réducteurs du cytosol à la mitochondrie 1: Transporteur de l’α-cétoglutarate Matrice oxidation reduction O Treacong Vasengagecomplet ↳ transporteur anticorps tuertie antarate en Figure 13–13. 2: Transporteur Glu-Asp (symport Glu + protons) 44 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8.3.1 Dans le cytosol: malate déshydrogénase réduction Peut entrer: porte les équivalents réducteurs donnés par le NADH Ne peuvent pas traverser la membrane interne de la mitochondrie 45 4.8.3.2 Dans la matrice mitochondriale: malate déshydrogénase oxydation Ne peuvent pas traverser la membrane interne de la mitochondrie 46 4.8.3.3 Dans la matrice mitochondriale: aspartate transaminase Acides Peut sortir α-aminés Acides α-cétoniques Peut sortir Ne peut pas passer la membrane interne de la mitochondrie 47 4.8.3.4 Dans le cytosol: aspartate transaminase Peut entrer Acides α-aminés Réaction inverse Acides α-cétoniques 48 4.8.3 ➔ Navette du malate pour le transport des équivalents réducteurs du cytosol à la mitochondrie 1: Transporteur de l’α-cétoglutarate Matrice Figure 13–13. 2: Transporteur Glu-Asp (symport Glu + protons) 49 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8.4 ➔ Navette de la créatine phosphate des muscles cardiaques et squelettiques Figure 13–14. Transport rapide de P à haute E de la matrice mitochondriale au cytosol: série de créatine kinases (CK) ➔ Pour les tissus à besoins rapides 50 Biochimie de Harper – Ed. Deboeck Superieur 4.8.4 ➔transport rapide de phosphate à haute énergie de la matrice mitochondriale au cytosol. Cka = créatine kinase impliquée lors de grands besoins d’ATP Ex. contraction musculaire CKc = créatine kinase maintenant l’équilibre entre la créatine, la créatine phosphate et l’ATP/ADP CKg = créatine kinase couplant la glycolyse à la synthèse de la créatine phosphate CKm = créatine kinase mitochondriale assurant la production de la créatine phosphate à partir de l’ATP formé lors de la phosphorylation oxydative P = protéine de type porine de la membrane mitochondriale ext. 51 4.9 VIII. Régulation de l’OXPHOS dépend de la demande en énergie Voies métaboliques productrices d’ATP Lehninger fig 19-31 52 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.10 IX. HYPOXIE ET STRESS OXYDANT favorise la glycolyse anaérobique ➔ Rôle d’une protéine = Hypoxia- inducible factor (HIF-1) O 53 Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 4.10 Production des espèces réactives de l’oxygène (ROS - Reactive Oxygen Species) dans la mitochondrie > - peroxide d'Hydrogendéfenses antioxydantes mitochondriales X 54 4.11 VII. CLINIQUE Myopathie mitochondriale néonatale d’évolution fatale avec dysfonctionnement rénal = déficit des oxydoréductases de la chaîne respiratoire Myopathies mitochondriales de type MELAS (Encéphalopathie, acidose lactique et accident vasculaire cérébral) Pathologie héréditaire = déficit complexe I ou IV Mutations dans l’ADN mitochondrial -> transmission maternelle 55  Concepts Importants Chaine respiratoire mitochondriale et phosphorylation oxydative Production ATP Réoxydation des coenzymes réduites Au cours de la réoxydation des coenzymes, on procède à un mouvement d’électrons et d’énergie libre lors de la phosphorylation oxydative. Synthèse d’ATP est entrainée par l’énergie libre provenant des réactions d’oxydoréduction (des complexes I, III et IV). Note: Les ē des composés réduits proviennent de diverses voies métaboliques, (ex. glycolyse ou encore cycle du citrate) et sont transférés aux complexes de la chaine respiratoire mt jusqu’à l’accepteur final qui est à l’oxygène. 56 Biochimie de Pratt – Ed. Deboeck Superieur