FC n°1 - Métabolisme général cellulaire PDF

Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Bases moléculaires et cellulaires des pathologies Métabolisme général cellulaire Semaine n°3 24 / 09 / 2024 Heure de cours : 8h – 11h Professeur : Pr...

Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Bases moléculaires et cellulaires des pathologies Métabolisme général cellulaire Semaine n°3 24 / 09 / 2024 Heure de cours : 8h – 11h Professeur : Pr PIGNY Correcteur : HUT Héléna & NEUMANN Arwen Binôme : Eloi DERROUGH & Enguerrand DE RYCKER, Capucine SEMERIA & Oscar DELEGLISE et Mohammed CHIURKANI & Ayoub SIRAH Plan du cours I. Généralités A. Le catabolisme A. Métabolisme énergétique B. Fabrication des corps VI. Régulation du B. Concept de flexibilité cétoniques métabolisme cellulaire métabolique C. le coma acido-cétosique A. Critère d’une voie C. Cycle de Krebs D. L’aspect anabolique des métabolique D. Rendement énergétique acides gras B. équilibre entre les activités de l’oxydation des d’anabolisme et de co-enzymes V. La mitochondrie : catabolisme plateforme d’intégration des C. Rôle de l’AMPK II. Architecture du métabolismes métabolisme A. Métabolisme de VII. Altérations métaboliques A. La voie métabolique l’acétyl-coA : cycle de en conditions pathologiques Krebs A. Oncométabolisme : III. Métabolisme cellulaire du B. cycle de Krebs : voie métabolisme de la cellule glucose catabolique cancéreuse C. cycle de krebs : voie IV. Métabolisme cellulaire des anabolique acides gras D. réactions anaplérotiques 1  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Objectifs : Connaître l’architecture générale du métabolisme cellulaire en préambule à l’étude plus spécifique du métabolisme des G, L et P (MED2: Cours Dr V HUIN, Dr P BENLIAN) Comprendre le rôle central de la Mitochondrie dans le métabolisme énergétique Illustration d’une modification pathologique: reprogrammation métabolique de la cellule cancéreuse I. Généralités 2 grands types de réaction dans la bioénergétique cellulaire : Réactions anaboliques = réactions au cours desquelles on va consommer de l’énergie, cela va nous permettre de synthétiser des molécules complexes à partir de molécules simples. (Ex: Glucose —> Glucides complexes, Acides Aminés —> protéines) Réactions cataboliques = réaction qui vont libérer de l’énergie, et inversement à l’anabolisme, va oxyder des biomolécules complexes pour fournir des biomolécules plus simples. En général le système est fait de telle manière à ce qu’on ne va pas faire les deux en même temps, car ça serait un contresens économique. Soit on fait de l’anabolisme soit du catabolisme. A. Métabolisme énergétique L’ATP (Adénosine Triphosphate), source universelle de l’énergie, contient deux liaisons pyrophosphates, son hydrolyse va donc fournir de l’énergie en kcal/J. Les réactions anaboliques sont en général des réactions de consommation d’ATP, soit de réduction de substrats. Des co-enzymes d’oxydoréduction à l’état réduit, du type NADPH2(cofacteur majeur qui nous permet de synthétiser des acides gras comme la Fatty Acid Synthase, FAS) vont être nécessaires. Au contraire, les réactions de catabolisme vont produire de l’ATP lors de réactions d’oxydation des substrats. Il faudra un certain nombre de cofacteurs à l’état oxydé du type NAD+ / FAD qui vont donc prendre en charge un certain nombre d’ions hydrogène pour passer à l’état NADH2 =>NAD+ + H2 —>NADH2, Pour les réactions cataboliques, on a donc besoin de séquences de NAD+ qui sont capables de prendre en charge des hydrogènes et des ions. Ce sont les cofacteurs majeurs des réactions d’oxydation. 2  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Comment la cellule fait-elle pour ne pas faire les 2 types de réactions en même temps ? (3 solutions) Elle compartimente, c'est-à-dire qu’elle fait l’anabolisme et le catabolisme dans deux compartiments sub-cellulaires différents (réactions dans le cytosol et la mitochondrie). Elle utilise une hormone qui va réguler les deux de manière concertée (ex: insuline -> fait baisser la glycémie, elle va jouer sur des réactions d’anabolismes et de catabolismes de manière opposée). Elle utilise des voies métaboliques différentes Exemple : pour la consommation de glucose on va avoir la glycolyse qui va aboutir à l’Acétyl Co-A (réaction d’oxydation catabolique). On va être capable de reformer à partir d’un dérivé proche de l’Acétyl Co-A (réaction anabolisme). La cellule pour pas que les deux se déroulent en même temps, elle va utiliser une voie différente pour chacune des 2 réactions (enzymes différentes, …). Il y a certaines voies métaboliques qui vont être réservées à certains tissus particuliers. Exemple : élaboration des corps cétoniques, activé lorsque l’on est en état de jeûn prolongé, que dans les hépatocytes). Par contre il y a certaines voies métaboliques qui vont être ubiquitaires, elles seront utilisées par toutes les cellules Exemple : glycolyse : toutes nos cellules sont capables d’oxyder le glucose pour arriver à l’Acétyl Co-A. Cependant pour que tout fonctionne bien il faut que les cellules dialoguent entre elles, et c’est de ce dialogue que va naître un concept que l’on appelle l’homéostasie globale, en particulier lors du jeûn. B. Concept de flexibilité métabolique Cela veut dire qu’on est capable de passer d’un substrat énergétique à un autre en fonction des apports de la cellule. Cellules NON flexibles: - Les hématies utilisent que le glucose => 0 flexibilité. (+++) Cellules flexibles: - Les neurones utilisent principalement le glucose mais peuvent aussi utiliser les corps cétoniques et le lactate. - La cellule musculaire au travail est la plus flexible, elle est capable d’utiliser le glucose, les acides gras, les corps cétoniques C. Cycle de Krebs = cycle de l’acide citrique 3  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY La glycolyse a lieu dans le cytosol et va aboutir au pyruvate. Le pyruvate va entrer dans la mitochondrie et va être transformé en Acétyl-CoA qui va lui, tourner le cycle de Krebs. C’est une voie qui va produire pas mal d’ATP, mais aussi pas mal de coenzymes d’oxydoréduction = NADH2. Dans le cycle de Krebs il n’y a que des oxydations, on va donc avoir besoin de NAD+. Ces coenzymes d’oxydoréduction (NADH2), vont ensuite être réoxydés au cours d’une réaction de phosphorylation au niveau des complexes mitochondriaux. C’est aussi au cours de cette réaction de phosphorylation que l’on va créer la grande majorité de l’ATP. On ne va pas utiliser uniquement le glucose comme substrat énergétique. On peut changer en fonction de notre apport alimentaire et de nos réserves, avec par exemple des acides gras. L’oxydation des acides gras va aboutir au même dérivé, l’Acétyl-CoA, ce qui veut dire que cet Acétyl-CoA sera de nouveau pris en charge par le cycle de Krebs. Le cycle de Krebs est donc une plateforme centrale et partagée pour le métabolisme énergétique. Qu’on oxyde du glucose ou des acides gras à des fins énergétiques, on va aboutir obligatoirement sur l’Acétyl-CoA et de ce fait, faire tourner le cycle de Krebs pour générer de l’énergie sous forme d’ATP. Enfin, les derniers substrats que l’on peut utiliser sont les acides aminés. Exemple : fonte musculaire chez les patients : le patient va dégrader ses protéines en acides aminés et il va les utiliser à des fins énergétiques. La protéine la plus abondante au niveau du sang est la glutamine, elle va aussi se connecter au cycle de Krebs. Résumé : Ce qu’illustre ce schéma ci-dessus est que quelque soit le substrat énergétique qui sera utilisé, cela aboutira à cette plateforme énergétique commune qu’est le Cycle de Krebs, au cours duquel sera produit un grand nombre de coenzymes à l’état réduit du type NADH2 puisque ce sont des réactions d’oxydation, et c’est à partir de la réoxydation des ces coenzymes que de l’ATP sera généré dans la phosphorylation oxydative. (Remarque du prof: Résumé de niveau terminal, en le verra en détail plus tard) Ce schéma résume cette fameuse réaction d’oxydoréduction, (pour ceux qui ne sont pas très friendly avec la chimie organique). 4  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Dans les réactions cataboliques, le substrat, ici AH2, va être oxydé, il va donc perdre ses hydrogènes pour devenir A. Ces hydrogènes vont être captés par les fameux coenzymes à l’état oxydé : NAD+ ou FAD, qui vont capter les électrons et les hydrogènes, pour passer d’un état oxydé à un état réduit, NADH2 (NADH+H+) et FADH2 : c’est ce qu’il se passe au cours du cycle de Krebs. Dans l’étape suivante, la phosphorylation, on va faire l’inverse. Ces coenzymes à l’état réduit vont être réoxydées, donc vont forcément libérer des hydrogènes et libérer des électrons et c’est à partir de l’énergie libérée par la création des protons que l’on va générer de l’ATP. D. Rendement énergétique de l’oxydation des co-enzymes Calcul : il y a une équivalence énergétique. La l’énergie fournie va dépendre de la réoxydation des coenzymes. On peut donc admettre qu’il y a une équivalence entre l’oxydation d’une molécule de NADH2 et d’ATP et une équivalence entre la réaction d’oxydation du FADH2 avec l’ATP. La réoxydation d’une molécule de NADH2 donnera 2,5 ATP et 1,5 ATP pour une molécule de FADH2. Exemple : Si on sait que l’oxydation d’une molécule de glucose libère 10 molécules de NADH2, cela donnera 25 molécules d’ATP. Ces coenzymes d’oxydoréduction, NAD(Nicotine Adénine Dinucléotide) et FAD(Flavine Adénine Dinucléotide) proviennent de vitamines, d’où l'intérêt d’avoir une alimentation équilibrée pour avoir une bonne quantité de ces coenzymes. Bilan énergétique de l’oxydation du glucose : La 1ère étape de l’oxydation d’une molécule de glucose est la glycolyse dans le cytosol. Elle va se dérouler dans des conditions anaérobie (en absence d’oxygène, donc privilégiée lors d’hypoxie -> ex: cellules cancéreuses). Le glucose est un hexose : il a 6 atomes de carbone. La glycolyse va aboutir à un élément très important : acide alpha cétonique, le pyruvate, qui possède 3 carbones. Une molécule de glucose donne 2 molécules de pyruvate. La glycolyse, pour 1 molécule de pyruvate fournit 1 équivalent ATP de manière directe et 1 équivalent de NADH2, ce sera donc le double dans ce cas. 5  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY La suite de l’oxydation du glucose va se dérouler dans la mitochondrie. C’est une réaction aérobie (en présence d’oxygène), il va donc falloir faire entrer le pyruvate dans la mitochondrie. On fait appel à des transporteurs qu’on détaillera tout à l’heure. Dans la mitochondrie on trouve une enzyme très importante : la pyruvate déshydrogénase (PDH). C’est une enzyme qui va oxyder le pyruvate en Acétyl-CoA, et va faire cette réaction en fournissant un équivalent NADH2. L’Acétyl Co-A va rentrer dans le cycle de Krebs et va libérer 1ATP, 1FADH2 et 3NADH2. Il y aura 2 tours du cycle de Krebs car on a 2 pyruvate. Donc au total l’oxydation du glucose va produire directement 4ATP, 10NADH2 et 2FADH2. 10 NADH2 —> x 2,5 ATP = 25 ATP 2 FADH2 —> x 1,5 ATP = 3 ATP Possible question d’examen : Est ce que l’oxydation d’une molécule de glucose produit directement beaucoup d’ATP ? Non, elle produit directement peu de molécules d’ATP : 4. En revanche, 28 sont produites indirectement. QCM : Réponses : - FAUX : il n’y pas plus inflexible que les hématies - VRAI - FAUX : dans la mitochondrie - VRAI - FAUX : coenzyme utilisée dans des réactions anaboliques, donc pas associée aux déshydrogénases (cataboliques) 6  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY II. Architecture du métabolisme A. La voie métabolique La voie métabolique est un enchaînement de réaction biochimique où le produit de la première réaction va être le substrat de la deuxième réaction, et où chaque réaction est catalysée par une enzyme différente. Ce qui va donner le tempo de la voie métabolique est l’enzyme la plus lente de la réaction. Elle va créer un bouchon à son niveau. Une voie métabolique peut être de plusieurs formes : linéaire, avec un point de bifurcations, ou encore peut être un cycle où le premier substrat est régénéré à la fin de la réaction. Les points de bifurcations sont des moments dans une réaction où le substrat va pouvoir partir dans 2 réactions différentes. Ils donnent naissance à la plasticité métabolique = la capacité à orienter un substrat vers des voies métaboliques différentes afin d’accompagner un changement d'état cellulaire. La glycolyse : La première étape est de phosphoryler le glucose en glucose-6-phosphate (G6P) grâce à une kinase : l’hexokinase. Il va alors devenir hydrophile ce qui va le piéger dans la cellule. En continuant, la voie de la glycolyse produit du pyruvate qui permet à son tour de produire de l’ATP. Le glucose-6-phosphate est un point de bifurcation et peut donc être orienté vers une autre réaction. La voie des pentoses phosphates : Cette voie à un double intérêt. Elle fait intervenir une autre enzyme, la glucose 6 phosphate déshydrogénase (G6PD), qui transforme le G6P en 6-phosphogluconolactone. Après une succession de réactions chimiques, on peut transformer ce dérivé en ribose 5 phosphate, contenu dans l’ADN ou l’ARN. Donc à partir du G6P on peut synthétiser des nucléotides. Les G6PD vont intervenir surtout dans les étapes de prolifération cellulaire. 7  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Le deuxième intérêt de cette voie est d’élaborer du NADPH2 utilisé dans des réactions anaboliques, notamment dans la synthèse de molécules d’acide gras de la membrane cellulaire. À partir de la voie des pentoses phosphates il y a tout ce dont les cellules ont besoin pour faire de la division et de la prolifération cellulaire. Le G6P permet donc de faire de la bioénergie cellulaire, de la prolifération cellulaire et de la biomasse. Les cellules cancérigènes vont donc être très avides de glucose car elles vont l’utiliser pour proliférer et pour créer de la bioénergie. La balance de la plasticité du G6P va être dépendante de la situation du métabolisme, Exemple: si pénurie d’ATP alors le G6P va être synthétiser en pyruvate. La flexibilité métabolique: = possibilité de changer de substrat en fonction des conditions. Le substrat cellulaire principal est le glucose. Dans des situations où il n’y pas de glucose et quand il faut quand même synthétiser de la bioénergie on peut utiliser par exemple: - les acides gras - l'alanine qui contient 3 carbone comme le pyruvate - Les enzymes amino transférase comme l’ALAT ou l’ASAT qui transforment les acides aminés en un acide α-cétonique = le pyruvate. Sans glucose, le cycle de Krebs peut tout de même tourner en dégradant des protéines. III. Métabolisme cellulaire du Glucose Les voies métaboliques du glucose, soit cataboliques (glycolyse) ou anaboliques (néoglucogenèse), permettent par exemple de synthétiser du glucose quand les cellules neuronales sont en déficit. La glycolyse se fait dans toutes les cellules, dans leur cytosol et en condition anaérobie. Le bilan énergétique de la glycolyse : 1ère étape: - phosphorylation du glucose en G6P nécessitant 1 ATP 2ème étape: - isomérisation ne nécessitent pas d’ATP 3ème étape: 8  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY - phosphorylation pour passer à une molécule biphosphate. Cela consomme à nouveau 1ATP 4ème étape: - la molécule est coupé en 2 pour obtenir 2 molécules de trioses phosphate 5ème étape: - transformation du triose en phosphoénolpyruvate, génère 2 ATP. 6ème étape: - transformation du phosphoénolpyruvate en pyruvate grâce à la pyruvate kinase et génère 2 ATP => Soit 2 ATP utilisés et 4 ATP produits au final. Finalement avant le cycle de KREBS il n’y a que 2 ATP produits car 2 en sont consommés et 4 en sont produits. Comme les cellules cancéreuses ne font pas la cycle de KREBS, elles vont devoir hyper consommer le glucose pour pouvoir produire de l'énergie. La néoglucogenèse : Elle se fait dans des situations de carences en glucose. C’est une réaction anabolique où du glucose va être synthétisé grâce au pyruvate qui lui, provient du lactate (la molécule qui donne des crampes quand il s’accumule dans les muscles). NB: Le lactate n’est pas la seule source de glucose possible, on peut également utiliser les acides gras, les protéines et les corps cétoniques. - La transformation du lactate en pyruvate se fait grâce à la lacticodéshydrogénase (LDH). - Le pyruvate carboxylase, que l’on retrouve dans la mitochondrie, ajoute un CO2 sur le pyruvate, ce qui donne de l’oxaloacétate. - L'oxaloacétate va sortir de la mitochondrie de manière indirecte (détail après) - L’oxaloacétate va être transformé en phosphoénolpyruvate par l’enzyme phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) 9  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY À chaque fois que la réaction est réversible, on remonte en sens inverse. Pour permettre la libération du glucose, il faut enlever le groupement phosphate, car le glucose-6-phosphate est hydrophile et donc ne sort pas. Cette réaction est catalysée par une phosphatase localisée uniquement dans le RE. La néoglucogenèse nécessite la coopération de 3 compartiments sub-cellulaires différents: - le cytosol - la mitochondrie - le RE Problème : La membrane mitochondriale n’est perméable qu’à très peu de dérivés. PERMÉABLE IMPERMÉABLE - Pyruvate - Oxaloacétate - ATP/ADP - Acétyl-coA - Malate - coenzymes : NADH2 et NAD+ - Citrate Cependant, l’oxaloacétate va devoir sortir de la mitochondrie pour régénérer le phosphoenolpyruvate. Astuce pour contourner ce problème: Pour la sortie et l'entrée dans la mitochondrie, certains systèmes de transport sont nécessaires pour contourner la perméabilité. 10  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Utilisation des systèmes de navettes ( = “ shuttle” pour les anglo saxons ) qui permettent d'échanger des composés imperméables à la mitochondrie par des composés pour lesquels la membrane est perméable. Si la membrane n’est pas perméable à l'oxaloacétate, elle est perméable au malate (qui ressemble beaucoup à l'oxaloacétate). Il y a donc un passage entre l'oxaloacétate vers le malate catalysé par la malate-déshydrogénase (MDH) à l’intérieur de la mitochondrie. Le malate peut alors sortir car la membrane est perméable à ce composé. On régénère ensuite, à partir du malate, l’oxaloacétate dans le cytosol par la malate-déhydrogénase (MDH). En résumé : On a vu 2 voies différentes qui impliquent le glucose : - La voie catabolique : la glycolyse : qui permet d’aller du glucose au pyruvate. Elle produit de l’ATP - La voie anabolique : la néoglucogenèse : qui permet à partir du lactate de régénérer du glucose. Elle consomme de l'énergie, 6 équivalent ATP Ces 2 réactions ne peuvent pas avoir lieu en même temps, c’est un non sens économique. Comme nous l’avons vu dans la partie 1 de ce cours, une hormone peut intervenir pour réguler de manière concertée les 2 phénomènes. L’insuline va accélérer la voie catabolique, accélérer la consommation cellulaire du glucose, la glycolyse. Au contraire elle va mettre un frein sur la néoglucogenèse, et empêcher l'élaboration de nouvelles molécules du glucose ( sa fonction principale est de faire baisser la quantité de glucose dans le sang ) Questions: Quelle voie métabolique mettons en œuvre en post-prandial (juste après le repas) ? Quelle est l’enzyme qui travaille ? La glycolyse = le pyruvate déshydrogénase est mis en jeu, car en post-prandial on a un afflux de substrat énergétique qu’on transforme en ATP. En situation de jeûn ( pendant la nuit ), quelle enzyme fait-on travailler ? La pyruvate-carboxylase travaille pour la néoglucogenèse car nous avons besoin de resynthétiser du glucose. L’insuline active ou inhibe la pyruvate-déshydrogénase ? L’insuline est activatrice de la pyruvate-déshydrogénase 11  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY QCM: Réponses : A. FAUX : La membrane mitochondriale n’est pas perméable à l’oxaloacétate, il faut passer par un intermédiaire : le malate B. FAUX : réactive irréversible C. VRAI : D. VRAI : E. FAUX : réaction anabolique => nécessité de l’ATP IV- Métabolisme cellulaire des acides gras Mécanisme similaire à celui du métabolisme du glucose vu précédemment : On a une voie catabolique à des fins bioénergétiques. Elle est appelée β-Oxydation des acides gras et aboutit à la production de l'acétyl-coenzyme A ( même intermédiaire que celui généré par la glycolyse). La β-Oxydation a lieu dans la mitochondrie, et par conséquent, se déroule en présence d’oxygène. On peut faire de la biosynthèse d'acides gras. Cela nécessite du NADPH2 (forme réduite du coenzyme) et fait appel à la fatty acid synthase. C’est une réaction anabolique qui est donc coûteuse en énergie. A. Le catabolisme = β-oxydation des acides gras Il a lieu dans la mitochondrie et aboutit à la acetyl coenzyme A qui va se brancher sur le cycle de Krebs. L'entrée de certains acides gras dans la mitochondrie nécessite une modification et des transporteurs CPT ( carnitine palmitoyltransferase). Différents CPT sont présents : CPT1 et CPT2. NB: Les compléments alimentaires sont enrichis en carnitine, ce qui favorise l'entrée d’acides gras dans la mitochondrie pour qu’ils soient oxydés. Rappel: Les acides gras sont des dérivés avec de longues chaînes carbonées qui se terminent par un COOH. On les désigne par la longueur de leur chaîne. 12  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Les AG sont dans le cytosol et la β-oxydation a lieu dans la mitochondrie. Processus détaillé du passage de l’AG du cytosol à la mitochondrie: 1. Activation des AG en les transformant en des dérivés acyl-coA. Cette activation est coûteuse en énergie. On grille les 2 liaisons phosphodiesters de l’ATP, on passe donc de l’ATP à l’AMP 2. L’AG activé se rapproche de CPT1, exprimé sur la membrane externe de la mitochondrie. Un échange est mis en place. On forme un dérivé acyl-carnitine, en greffant la carnitine sur le dérivé acyl ( complexation à la carnitine). Cela permet de faire rentrer l’AG à l'intérieur de la mitochondrie 3. Une fois l’AG à l'intérieur de la mitochondrie, CPT2 se débarrasse de la carnitine et régénère le dérivé acyl coA Couplage à la carnitine nécessaire uniquement pour les AG qui ont entre 6 et 22 carbones dans leur chaîne carbonée. Les petits AG ( 22C) ne sont pas pris en charge pas la mitochondrie mais pas le peroxysome. Une fois l’AG transloqué, il est pris en charge par une enzyme, l’acyl-coA-déshydrogénase. La déshydrogénase coupe la chaîne carbonée pour libérer une molécule d'acétyl coA. À chaque tour, la déshydrogénase libère une molécule d'acétyl coA et génère un substrat de chaîne carbonée n-2. En parallèle une molécule de NADH2 et de FADH2 sont libérées. Exemple : pour un AG avec une chaîne carboné de 16 C, après l’action de la déshydrogénase on passe a une chaine carboné de 14C, ainsi de suite.. Exercice: Quel est le rendement énergétique de la β-oxydation de l’acide palmitique ? Réponse sur Moodle Pratique commerciale : stage de purification à 1500€ 1. Consommation de GLYCOGÈNE jusqu’à épuisement du stock 2. Consommation de GRAISSES Lipolyse : = brûler des graisses - Hydrolyse des triglycérides en acides gras 13  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY - β-oxydation des AG pour générer de l’ATP à partir du cycle de KREBS - Jeûn prolongé = lipolyse +++ => libération d’une grande quantité d’acétyl-CoA - Insuline = inhibiteur de la lipolyse Problématique de ce jeûn: on libère beaucoup d’acétyl-coA mais une trop grosse quantité n’est pas prise en charge par le cycle de Krebs car la consommation d’Acétyl-CoA est dépendante de la concentration en oxaloacétate (si jeûne trop prolongé) B. Fabrication des corps cétoniques Voie de secours : formation, à partir de l’acétyl-CoA, de corps cétoniques Remarque: les corps cétoniques sont formés uniquement dans les hépatocytes Situation pratique: Au lit sans manger pendant quelques jours→ haleine pomme rainette, d’acétone car production de corps cétoniques. Corps cétonique = dérivé formé à partir de 2 molécules d’acétyl-CoA (2C) → 4C en tout Procédé: 2 acétyl-CoA → 1 acétoacétate→ acétone OU β-hydroxybutyrate - β-hydroxybutyrate : obtenu à partir de la réduction de la fonction cétonique de l’acétoacétate en fonction alcool - Acétone: obtenu après que l’acétoacétate se soit débarrassée d’un CO2 qui a lui-même été aspiré dans l’air ambiant Remarque: β-hydroxybutyrate et acétoacétate restent dans la circulation sanguine et pourront donc être utilisés comme substrats énergétiques (pour les neurones par exemple). Or, formation des corps cétoniques s’accompagne de la formation d’ions H+ libérés dans le sang → diminution du pH ce qui entraîne un risque d’acidose métabolique Situations d’excès d’acétyl-CoA libéré: - Beaucoup de glycolyse - Jeûn prolongé - Sujet diabétique insulino-dépendant (type 1) C. Le coma acido-cétosique Le corps rentre en acidose suite à une quantité excessive de corps cétoniques. Il révèle le diabète de type 1. Le diabète insulino-dépendant fait basculer le corps en état d’acidose car corps cétoniques en excès 14  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Insuline = inhibiteur de la lipolyse. Or, les patients qui subissent de comas acido-cétosiques sont carencés en insuline, ce qui a pour conséquences de lever l’inhibition de lipolyse par l’insuline. Conséquences : - Forte libération d’acides gras suite à l’activation de la lipolyse - β-oxydation des acides gras - Formation d’acétyl-CoA en excès qui n’est donc pas pris en charge par le cycle de Krebs et entraîne donc la formation de corps cétoniques en excès → Le corps rentre donc en acidose métabolique suite à la libération de corps cétoniques Marqueurs de production des corps cétoniques: - Coma acido-cétosique - Test d’urine Cas: - physiologique : production de corps cétoniques par le tissu adipeux en période de jeûn - pathologique : production de corps cétoniques chez le sujet insulino-dépendant D. L’aspect anabolique des acides gras La synthèse des AG est permise grâce à la présence d’acétyl-coA. Elle a lieu dans le cytosol, lieu de production de l’acétyl-coA Problématique: l'Acétyl-CoA ne peut pas passer la membrane mitochondriale Solution: formation du citrate à 6C dans la mitochondrie. Il est perméable à la membrane et peut ainsi passer de la mitochondrie vers le cytosol. Enzyme retrouvée dans le cytosol: citrate lyase → Lyase= Enzyme qui coupe des liaisons carbone-carbone La lyase va couper le citrate et va donner naissance à une molécule d'oxaloacétate qui sera couplée à une molécule d’acétyl-coA en C2 Réaction : citrate + citrate lyase —> oxaloacétate + Acétyl-CoA On a besoin de deux dérivés pour former un acide gras : Acétyl-CoA (C2) + Malonyl-coA (C3) COMMENT ? L’acétyl-coA carboxylase permet la production de malonyl-CoA En résumé : pour élaborer nouveaux acides gras, on a besoin d’acétyl-CoA produit à partir du citrate + Malonyl-CoA produit à partir de l’Acétyl-CoA Les deux dérivés vont ensuite se fixer sur 2 poches autour de la FAS (fatty acyl synthase) BUT: ce mécanisme d’ajout des carbones 2 par 2 permet ainsi d’obtenir des acides gras à longue chaîne La biosynthèse d’un acide se fait grâce à la FAS dans le cytosol à partir du Malonyl-CoA et d’Acétyl-CoA 15  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY → On ne peut donc pas faire d’anabolisme et de catabolisme en même temps car le malonyl-CoA est un inhibiteur de CPT1, donc il empêche l’entrée de nouveaux acides gras dans la mitochondrie. QCM: Réponses : A. VRAI : On libère une acétyl-coA à 2C par tour -> 8tours x 2C = 16C B. VRAI C. FAUX: Les petits (6C)rentrent tous seuls, pas besoin de carnitine pour rentrer D. VRAI : malonyl-coA s’insère afin de réadditionner 2C à chaque tour E. FAUX : malonyl-coA est inhibiteur de la β-oxydation V. La mitochondrie : Plate-forme d’intégration des métabolismes A. Métabolisme de l’acétyl-CoA : Cycle de Krebs ou Cycle de l’acide citrique Le cycle de Krebs, également appelé cycle de l’acide citrique ou cycle de l’acide tricarboxylique, est essentiel pour la production 16  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY d’énergie dans la cellule. Ce cycle, qui se déroule dans la matrice mitochondriale, ne se limite pas à la production d’ATP (adénosine triphosphate), mais offre aussi des précurseurs importants pour d’autres voies métaboliques. L’essentiel de l’ATP est produit dans la mitochondrie Le Cycle de Krebs et la Phosphorylation oxydative constituent les voies finales communes de l’oxydation des L/P/G (métabolisme intermédiaire). Il se déroule dans des conditions aérobies. Voie Amphibolique : à la fois catabolique (dégradation pour la production d’énergie) & anabolique (synthèse de molécules). Par exemple, il peut servir à la synthèse des acides gras et des acides aminés. La régénération des acides gras à partir du cycle de Krebs illustre l’aspect anabolique de ce processus. D’un point de vue bioénergétique, le cycle de Krebs est fondamental pour la production d’équivalents réduits comme le NADH et le FADH2. B. Cycle de Krebs : voie catabolique L’objectif du cycle de Krebs est la prise en charge de l'acétyl-CoA qui, dans le cadre du métabolisme du glucose, est généré par la pyruvate déshydrogénase à partir du pyruvate. Le point de départ du cycle de Krebs est donc l’Acétyl-CoA, c’est également la voie commune du métabolisme du glucose, des lipides, des protéines. Toutes les biomolécules se dirigent vers le cycle de Krebs : les acides gras via la bêta oxydation Les glucides en générant du pyruvate, via la glycolyse Certains acides aminés comme l’alanine, qui est transformée en pyruvate grâce à l’ALAT. L’acétyl-CoA comporte 2 carbones et va être condensé sur une molécule d’oxaloacétate pour former le citrate (6 carbones). Cette réaction est catalysée par une enzyme : la citrate synthase. Le citrate va être isomérisé par l’aconitase en isocitrate. Lorsqu’on a fait un tour du cycle de Krebs, on obtient la production : 1 équivalent « ATP », 3 NADH2 et 1 FADH2. 17  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Précurseur de nucléotides : À partir du lactate, il est possible de former des bases puriques et pyrimidiques. Ces bases puriques et pyrimidiques sont ensuite réassemblées pour produire des nucléotides nécessaires à la division cellulaire. Ainsi, à partir du cycle de Krebs, on peut reformer des nucléotides indispensables à la multiplication des cellules. C. Cycle de Krebs : voie anabolique 1. Formation des acides gras à partir du citrate Le citrate peut sortir de la mitochondrie pour se retrouver dans le cytosol. Il génère alors de l'acétyl-CoA pour ensuite synthétiser à nouveau des acides gras (toujours dans le cytosol). Même en évitant de manger des lipides ou en adoptant un régime exclusivement glucidique, la cellule synthétisera toujours des acides gras à partir du cycle de Krebs et de sa voie anabolique. 2. Formation des acides aminées à partir de 2 intermédiaires Si le corps a besoin d’acides aminés (en situation de carence par exemple), ces derniers peuvent aussi se connecter au cycle de Krebs. Ils se connectent à deux endroits : Via l’aspartate à partir de l’oxaloacétate (4C) Via l’acide glutamique à partir de l’alpha-cétoglutarate (5C) Ces deux réactions de resynthèse d’acides aminés nécessitent des enzymes (décrites au cours précèdent) qui sont les transaminases, dosées pour évaluer la fonction hépatique. 3. Formation du glucose à partir de l’oxaloacétate Pour élaborer du glucose, la cellule nécessite un premier intermédiaire qui est l’oxaloacétate. Rappel : L’oxaloacétate est formé à partir du pyruvate par la pyruvate carboxylase (bien distincte de la pyruvate déshydrogénase). Le glucose peut également être obtenu à partir d’acides aminés puisque : L’aspartate peut devenir oxaloacétate, puis glucose (néoglucogenèse) 18  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY L’acide glutamique peut devenir alpha-cétoglutarate puis oxaloacétate et glucose (néoglucogenèse) L’alanine se connecte au pyruvate, devient oxaloacétate puis glucose (néoglucogenèse) D. Réactions anaplérotiques La vitesse du cycle de Krebs dépend de la disponibilité des différents intermédiaires, notamment de l’oxaloacétate. Si des intermédiaires métaboliques du CK sont consommés par d’autres voies, il faut réalimenter le cycle sinon il risque de s’arrêter. Les substrats qui réalimentent le CK proviennent de réactions dites anaplérotiques. Par exemple, la glutamine est un acide aminé en grande concentration dans le sang. Elle peut être transformée en glutamate, puis en α-cétoglutarate, alimentant ainsi le cycle de Krebs. 1. Phosphorylation oxydative (OXPHOS) La dernière étape majeure du métabolisme énergétique est la phosphorylation oxydative. Ce processus se déroule dans la membrane interne de la mitochondrie (IMM) en conditions aérobies. L’oxydation des coenzymes réduits (NADH et FADH2), produits durant le cycle de Krebs, permet la libération d’électrons et de protons qui vont traverser une chaîne de transport d’électrons. Cette chaîne est composée de plusieurs complexes enzymatiques. Réduction de l’oxygène : Les électrons libérés par les coenzymes sont transférés à travers plusieurs complexes de la chaîne respiratoire mitochondriale, et à la fin du processus, ils se Formation d’un gradient de protons : Les électrons parcourent plusieurs complexes, et cette circulation permet de pomper des protons (H+) à travers la membrane interne de la mitochondrie, créant un gradient de concentration de protons dans l’espace intermembranaire. 2. Chaîne respiratoire mitochondriale et production d’ATP La chaîne respiratoire est constituée de cinq complexes protéiques (numérotés I à V), et chaque complexe a un rôle distinct dans la production d’ATP. Complexe I : Le NADH entre dans la chaîne au niveau du complexe I où il est oxydé en NAD+. Les électrons sont libérés et commencent leur voyage à travers la chaîne. 19  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY Complexe II : Le FADH2 se lie directement au complexe II et cède ses électrons pour régénérer le FAD. Les électrons du FADH2 n’ont pas autant de potentiel énergétique que ceux du NADH, ce qui signifie qu’ils génèrent moins d’ATP. Transport d’électrons : Les électrons traversent le complexe III puis le complexe IV. Au niveau du complexe IV, les électrons se combinent avec l’oxygène pour former de l’eau (H2O). Gradient de protons : Au cours du transfert des électrons, des protons sont pompés à travers les complexes I, III et IV dans l’espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. Complexe V (ATP Synthase) : Ce gradient de protons, appelé force proton-motrice, est utilisé par l’ATP synthase (complexe V) pour générer de l’ATP à partir d’ADP. Le passage des protons à travers l’ATP synthase permet la synthèse d’ATP. Le NADH génère plus d’ATP que le FADH2, car il entre dans la chaîne respiratoire plus tôt (au complexe I) et contribue donc à pomper plus de protons dans l’espace intermembranaire. Le NADH produit environ 2,5 molécules d’ATP, tandis que le FADH2 en produit environ 1,5. Quizz 4 1. La chaîne respiratoire mitochondriale comporte 5 complexes 2. L’Aspartate peut servir de précurseur du Glucose via le CK 3. L’acétyl-CoA en excès peut servir à la biosynthèse des corps cétoniques 4. L’ATP est formé au niveau du complexe IV grâce à l’énergie du gradient de protons 5. A chaque tour du CK est produit de manière directe un équivalent ATP VI. Régulation du métabolisme cellulaire Régulation par l’AMPK et équilibre énergétique : L’AMPK (AMP-activated protein kinase) est une enzyme qui détecte l’état énergétique de la cellule et régule l’utilisation des ressources. Lorsque les niveaux d’ATP sont bas, l’AMPK est activée et stimule les voies cataboliques comme la glycolyse et la β-oxydation des acides gras. Elle inhibe également les voies anaboliques, notamment via l’inhibition du mTORC1, un complexe qui stimule la synthèse des protéines et des lipides dans des conditions favorables à la prolifération cellulaire. L’AMPK agit comme un capteur de la charge énergétique cellulaire. Si les réserves d’ATP sont basses, elle active des mécanismes pour rétablir ces niveaux et empêche la cellule de proliférer avant que l’énergie ne soit suffisante. VII. Altérations métaboliques en conditions pathologiques 20  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY A. OncoMétabolisme : métabolisme de la cellule cancéreuse Reprogrammation métabolique des cellules cancéreuses Les cellules cancéreuses sont connues pour leur reprogrammation métabolique, un phénomène qui leur permet de proliférer dans des conditions défavorables. Effet Warburg : Même en présence d’oxygène, les cellules cancéreuses privilégient la glycolyse, un processus appelé « glycolyse aérobie » ou effet Warburg. Cela conduit à la production de Production de lactate : Le pyruvate, produit par la glycolyse, est converti en lactate par l’enzyme lactate déshydrogénase (LDH) dans les cellules cancéreuses. Cette conversion régénère le NAD+, qui est nécessaire pour maintenir la glycolyse active. Rôle des mitochondries : Contrairement à ce qui était initialement pensé, les mitochondries des cellules cancéreuses ne sont pas défectueuses. Elles sont fonctionnelles mais sous-utilisées, car les cellules cancéreuses se concentrent principalement sur la glycolyse pour générer rapidement de l’énergie. Certaines tumeurs spécifiques, comme les glioblastomes et certaines leucémies, peuvent présenter des mutations dans les enzymes du cycle de Krebs, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement mitochondrial. Cependant, dans la plupart des cancers, les mitochondries restent fonctionnelles mais sont mises de côté. Utilisation clinique de la reprogrammation métabolique L’effet Warburg est exploité en clinique pour le diagnostic et le traitement des cancers. L’imagerie par TEP (tomographie par émission de positons) utilise du glucose marqué pour détecter les cellules cancéreuses qui consomment intensivement du glucose. Ce phénomène est utilisé pour localiser les tumeurs et évaluer leur activité. Mitochondries sans défaut dans les cellules cancéreuses / simplement mis de coté Or dans certains cas tels que les leucémies surrénales, on retrouve des anomalies d’enzymes au niveau du cycle de Krebs. Mais dans le cas général la mitochondrie reste fonctionnelle EFFET WARBOURG est utilisé notamment en imagerie médicales par le glucose 18F marqué Glycolyse : mécanisme ubiquitaire , de ce fait les recherches sur l’inhibition des cellules cancéreuses seulement est difficile Une autre piste de recherche consiste à se pencher sur la rétroaction négative du lactate qui 21  Ronéosaure 2024/2025 BMCP – Métabolisme général cellulaire Professeur PIGNY s’accumulent , car on sait que si on arrive à accumuler le lactate il arrive à arrêter la glycolyse QCM : A. L’effet Warburg désigne la glycolyse aérobie B. Dans une cellule cancéreuse, les mitochondries sont souvent dysfonctionnelles en ce qui concerne le métabolisme énergétique C. Dans une cellule cancéreuse, l’action de la LDH a pour objectif de régénérer du NAD+ D. La glycolyse est difficilement « druggable » puisque utilisée par tous les types cellulaires E. Dans une cellule cancéreuse, la consommation importante de Glucose permet de soutenir la biosynthèse de nucléotides Réponses: 1. VRAI :L’effet Warburg désigne la glycolyse aérobie 2. FAUX :Dans une cellule cancéreuse, les mitochondries sont souvent dysfonctionnelles en ce qui concerne le métabolisme énergétique 3. VRAI: Dans une cellule cancéreuse, l’action de la LDH a pour objectif de régénérer du NAD+ 4. VRAI: La glycolyse est difficilement « druggable » puisque utilisée par tous les types cellulaires 5. VRAI :Dans une cellule cancéreuse, la consommation importante de Glucose permet de soutenir la biosynthèse de nucléotides 22