Chapitre 12 Métabolisme de la Cellule Humaine PDF

12 METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 1  Index  Définitions: métabolisme aérobie et anaérobie 04  Rapp...

12 METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 1  Index  Définitions: métabolisme aérobie et anaérobie 04  Rappel: Structure de la mitochondrie 05  Métabolisme du glucose 10  Métabolisme des lipides 35  Métabolisme des acides aminés 44  Inter-relation des voies métaboliques 47  Autres voies métaboliques 49  Application à la pratique clinique 51 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 2  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE 3 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Définition: métabolisme aérobie et anaérobie Le métabolisme désigne l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur des cellules. Pour que ces réactions aient lieu, la production d’énergie, stockée sous forme d’ATP, est un enjeu clé pour la survit de la cellule. En fonction des conditions, on peut distinguer 2 types de métabolisme: - Aérobie: les réactions nécéssitent la présence d’oxygène (O2) - Anaérobie: les réactions peuvent se produire en absence d’O2 4 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Définition: métabolisme aérobie et anaérobie La production d’énergie se déroule dans le cytosol, et utilise l’énergie dérivée de l’oxydation du glucose pour former de l’ATP. Ces réactions intracytosoliques peuvent se dérouler en conditions anaérobies, mais leur rendement en ATP est relativement faible. Une autre alternative plus efficace existe dans les cellules eucaryotes: la mitochondrie. Cet organite permet une production d’ATP 15 fois plus efficace que la glycolyse seule, mais les processus mitochondriaux nécessitent des conditions aérobies. 5 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Rappel: Structure de la mitochondrie 6 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Rappel: Structure de la mitochondrie Protéines de la membrane interne: ATP synthase - Protéine transmembranaire orientée vers la matrice mitochondriale - 15% des protéines totales mitochondriale - Convertit le gradient électrochimique des protons en énergie stockée dans des liaisons chimiques 7 (1) 7 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Rappel: Structure de la mitochondrie Protéines de la membrane interne: Protéines de transport des électrons FLAVOPROTÉINES Acceptent ou donnent deux CYTOCHROMES électron UBIQUINONES Acceptent ou donnent PROTÉINES DE Fe-S un électron NAD: nicotinamide adénine dinucléotide FAD: flavine adénine dinucléotide (4) 8 8 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Rappel: Structure de la mitochondrie Protéines de la membrane interne: Protéines de transport des électrons Enzymes d’oxydation des acides gras Transférases Catalysent le transfert de groupes fonctionnels d’une molécule donneur à une autre accepteur 9 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Glucose Métabolisme 1 Glycolyse du glucose 2 Oxydation du pyruvate Cycle de Krebs 3 Phosphorylation oxydative 4 (1) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 1. Glycolyse La glycolyse désigne un ensemble de réactions se déroulant dans le cytosol, elle peut donc avoir lieu autant en conditions aérobie et anaérobie. Elle permet l’oxydation du glucose en pyruvate. 12 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 2. Oxydation du pyruvate Les 2 pyruvates produits lors de la glycolyse entrent dans la mitochondrie et subissent une réaction chimique catalysée par la pyruvate déshydrogénase pour être oxydés en Acétyl-CoA. Cette réaction se déroule à l’intérieur de la mitochondrie, elle n’est possible qu’en condition aérobie. 13 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 3. Cycle de Krebs Les acétyl-CoA produits sont ensuite oxydés dans la matrice mitochondriale grâce aux réactions du cycle de Krebs (aussi appelé cycle de l’acide citrique). Ces différentes réactions permettent la production de NADH et FADH2. 15 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative 16 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative La chaîne de transport des électrons est composée de 4 complexes protéiques localisés sur la membrane interne mitochondriale. La fonction de la chaîne de transport des électrons est de créer un gradient électrochimique de protons (H+) nécessaire au fonctionnement de l’ATP synthase. 17 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative La phosphorylation oxydative est produite grâce à l’ATP synthase. Les H+ accumulés dans l’espace intermembranaire grâce à la chaîne de transport des électrons pase à travers le complexe protéique, générant de l’énergie qui sera stockée sous forme d’ATP. e- NADH 2,5 ATP e- FADH2 1,5 ATP 19 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative 20 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative Transport des électrons (à partir du NADH) (4) 21 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative Transport des électrons (à partir du NADH) + Matrice + + + + + NAD+ 2,5ATP + + + + 2,5ADP + + NADH + e e e e UQ Comp. III Comp.IV Comp. I e e e e e e Cit C + + + + + + + + + + + + + + + 22 Espace intermembranaire © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative Transport des électrons (à partir du FADH2) (4) 23 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative Transport des électrons (à partir du FADH2) Matrice + + + + + + FAD + 1,5ATP + + + 1,5ADP + + FADH2 + II e e e e UQ Comp. III Comp.IV e e e e e e Cit C + + + + + + + + + + + + + + + + + 24 Espace intermembranaire © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 4. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative ATP synthase e- NADH 2,5 ATP e- FADH2 1,5 ATP (1) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados (2) (11)  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 26 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose 27 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose En condition aérobie, toutes les étapes vues précédemment ont lieu. Mais que se passe-t-il lorsque les quantités d’O2 sont insuffisantes? 1. Glycolyse 2. Oxydation du pyruvate 3. Cycle de Krebs 4. Chaîne de transport des électrons et phosporylation oxydative 28 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Condition anaérobie La glycolyse est la seule étape qui se déroule en dehors de la mitochondrie, elle peut donc avoir lieu même en absence d’oxygène. En anaérobie, le pyruvate ne pénètre pas dans la mitochondrie: il subira un processus de fermentation au cours duquel il sera réduit en acide lactique. 29 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Condition anaérobie Toutes les réactions de la glycolyse et de la fermentation du pyruvate sont réversibles. En fonction des conditions physiologiques, l’acide lactique peut être réutilisé de deux manières: - Retransformé en pyruvate, puis en glucose dans le foie à travers du cycle de Cori. Glucose pyruvate acide lactique - Retransformé en pyruvate dans les muscles puis utilisé dans la mitochondrie si la concentration en O2 augmente. 30 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Voie de contrôle Dépendemment des conditions dans lesquelles se trouvent l’organisme, les besoins énergétiques et la quantité de glucose disponible subissent de grandes variations. Afin de toujours avoir de l’énergie à disposition, il est important de réguler le métabolisme du glucose à travers diverses voies de contrôle. Cette régulation se fera principalement grâce à des signalisations par voie endocrine. 31 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Voie de contrôle: période post-prandiale Lors de la période post-prandiale, soit pendant et après les repas, la glycémie augmente et provoque la sécrétion d’insuline par les cellules β des ilots de Langerhans du pancréas. Cette hormone provoque l’augmentation du nombre de transporteurs de glucose sur la membrane plasmique, notament les canaux GLUT4 des cellules musculaires, et permet ainsi une meilleur absorption du glucose. L’insuline stimule aussi la glycolyse et la glycogenèse (stockage du glucose sous forme de glycogène). 32 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Voie de contrôle: période de jeûne Lorsque la glycémie diminue, les cellules α du pancréas sécrètent du glucagon. Cette hormone stimule la glycogénolyse ainsi que la néoglucogenèse (surtout au niveau des cellules hépatiques), et inhibe la glycolyse. Action du glucacon sur les Libération du glucagon en hypoglycémie cellules hépatiques 33 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme du glucose Voie de contrôle: réponse au stress En situation de stress, 2 hormones sont sécrétées par les glandes surrénales et permettent l’augmentation de la disponibilité du glucose: - Adrénaline: stimule la glycogénolyse - Cortisol: stimule la néoglucogenèse L’augmentation de la disponibilité du glucose permet de stimuler la captation du glucose par les cellules, ainsi que la glycolyse et la production d’ATP. 34 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides Dans l’organisme, le stockage des lipides se fait généralement sous forme de triglycérides. Lorsque les cellules ont besoin de resynthétyser l’ATP, ces réserves sont mobilisées grâce à la lipolyse et les triglycérides sont dégradés en: - 1 glycérol - 3 chaînes d’acides gras 35 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides Glycérol Le glycérol obtenu grâce à la lipolyse est ensuite converti en glycéraldéhyde-3- phosphate, un intermédiaire de la glycolyse. Il rentre alors dans la glycolyse, et permet de la production de 2 ATP. Cependant, la conversion du glycérol nécessite la dégradation d’un ATP, le rendement net de son métabolisme est donc de 1 ATP, 2 NADH et 1 pyruvate. 36 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme Acide gras des acides gras Β-oxydation des ac. gras 1 Cycle de Krebs 2 Phosphorylation oxydative 3 (1) 37 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides 1. Β-oxydation des acides gras Les acides gras du cytosol sont transportés à la membrane interne mitochondriale grâce aux molécules de la famille des carnitines. Une fois à l’intérieur de la mitochondrie, ils seront dégradés pour former des acétyl-CoA, NADH et FADH2. 38 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides 2. Cycle de Krebs Acétyl-CoA Les acétyl-CoA produits sont ensuite oxydés dans la matrice mitochondriale grâce aux réactions du cycle de Krebs (aussi appelé cycle de l’acide citrique). Ces différentes réactions permettent la production de NADH et FADH2. 39 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides 3. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative 40 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides Condition anaérobie Acide gras L’ensemble des réactions permettant la resynthèse de l’ATP à partir des acides gras Β-oxydation des ac. gras 1 ont lieu à l’intérieur de la mitochondrie: 1. Β-oxydation des acides gras Cycle de Krebs 2 2. Cycle de Krebs 3. Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative (1) En anaérobie, aucun ATP n’est produit à partir Phosphorylation oxydative 3 des acides gras. Le glycérol permet de produire 1 ATP. 41 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 41  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides Voie de contrôle: période post-prandiale L’insuline libérée en période post-prandiale en réponse à l’augmentation de la glycémie a aussi pour effets: - d’inhiber la lipolyse, soit la dégradation des lipides - de stimuler la lipogenèse en augmentant l’activité des acetyl-CoA carboxylase, ce qui permet le stockage des acétyl-CoA sous forme d’acides gras et de triglycérides. 42 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des lipides Voie de contrôle: période de jeûne En période de jeûne, les réserves lipidiques sont mobilisées grâce à la lipase hormono-sensible. Cette hormone est activée par les catécholamine, la GH et le glucagon, soit dans des situations où l’organisme a besoin de mobiliser ses réserves pour produire de l’ATP. La lipase homono-sensible et le glucagon stimulent la lipolyse: les triglycérides sont alors dégradés en acides gras et glycérol qui seront utilisés pour la resynthèse d’ATP. 43 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des acides aminés Les acides aminés contenus dans les protéines peuvent être utilisés comme substrats dans la resynthèse d’ATP, mais leur utilisation reste relativement limitée comparée aux lipides et glucose. Les acides aminés sont dégradés par désamination: ils perdent leur groupe amine et sont transformés en acide cétonique. Le groupe amine est transformé en amoniaque qui sera converti en urée dans le foie. 44 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des acides aminés Les acides cétoniques obtenus grâce à la désamination sont ensuite converti en différents intermédiaires métaboliques: - Pyruvate - Acétyl-CoA - Intermédiaire du cycle de Krebs Le rendement des acides aminés dépend donc de l’acide aminé dégradé. 45 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Métabolisme des acides aminés Condition anaérobie Les réactions impliquant les intermédaires métaboliques produits par les acides cétoniques ont toutes lieux dans la mitochondrie. En absence d’oxygène, il n’y a donc pas de production d’ATP à travers cette voie. 46 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Inter-relation des voies métaboliques Relation entre glucose et lipides Le stockage du glucose dans les cellules a une capacité relativement limitée. Lors de la phase post-prandiale, le glucose est absorbé par les cellules, puis utilisé pour la resynthèse d’ATP ou stocké sous forme de glycogène. S’il y a une trop grande quantité de glucose, l’excédent sera alors converti en glycérol puis stocké sous forme de triglycérides. A l’inverse, lorsque le glucose vient à manquer, les triglycérides seront dégradés pour produire des acides gras et du glycérol. Ce dernier sera alors utilisé dans la glycolyse pour permettre la production d’ATP. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 47  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Inter-relation des voies métaboliques Relation entre glucose et acides aminés Après la désamination, les acides aminés sont transformés en acides cétoniques et entrent dans la mitochondrie. Dépendamment de l’acide aminé utilisé, l’acide cétonique produit peut être converti en intermédiaire de la glycolyse et être utilisé pour produire du glucose via la néoglucogenèse. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 48  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Autres voies métaboliques Métabolisme de la phosphocréatine La phosphocréatine est un nutriment présent dans les cellules permettant la resynthèse rapide d’ATP grâce à l’enzyme créatine kinase. Son rendement énergétique est de 1 ATP. Cependant, les concentrations intracellulaires de phosphocréatine sont très faibles, l’utilisation de cette voie est donc fortement limitée. 49 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Autres voies métaboliques Adénylate kinase L’adénylate kinase est une enzyme qu’on retrouve en grande quantité dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie. Bien que les processus mitochondriaux soient bloqués en condition anaérobie, cette enzyme catalyse la réaction suivante en absence d’oxygène: 6-8 nm AMP + ATP 2 ADP La quantité d’ATP produite est très faible, le rendement pour 2 ADP consomés est 1 ATP produit. 50 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  METABOLISME DE LA CELLULE HUMAINE Application à la pratique clinique Les différentes voies métaboliques interragissent au quotidien en fonction des besoin de la cellule. Dans le cas d’un exercice physique: - Plus le temps d’entraînement est long, plus le métabolisme aérobie est prédominant - Plus l’intensité de l’exercice est élevée, plus la voie des glucoses est favorisée Important: aucune voie métabolique n’est exclusive. Il y aura toujours plusieurs types de substrats utilisés en même temps. On parle uniquement de prédominance. 51 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados