Biologie cellulaire 101-SNE-RE : Introduction au métabolisme (PDF)

Biologie cellulaire 101-SNE-RE Introduction au métabolisme 8.2 Les variations de l’énergie libre dans une réaction indiquent si la réaction a lieu spontanément 8.3 L’ATP perm...

Biologie cellulaire 101-SNE-RE Introduction au métabolisme 8.2 Les variations de l’énergie libre dans une réaction indiquent si la réaction a lieu spontanément 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les réactions exergoniques aux réactions endergoniques 8.4 Les enzymes accélèrent les réactions métaboliques en abaissant les barrières énergétiques 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme N.Patenaude, Automne 2024 Introduction au métabolisme Métabolisme : ensemble des réactions biochimiques d’un organisme (voies suivies par les milliers de réactions qui se produisent dans la cellule) → Rôle : gérer les ressources énergétiques et matérielles de la cellule. Carte routière Métabolisme d’une cellule Introduction au métabolisme L’organisation de la chimie de la vie en voies métabolique Enzyme spécifique pour chaque réaction Voie métabolique : séquence d’étapes (réactions) où une molécule de départ est transformée en un produit. Voies cataboliques : molécules complexes dégradées en molécules simples → libération d’énergie Ex. La respiration cellulaire : en présence de O2, le glucose est décomposé en CO 2 et H2O Voies anaboliques : molécules simples assemblées en molécules complexes → consommation d’énergie Ex. Synthèse d’une protéine à partir d’acides aminés L’énergie libérée par les réactions cataboliques peut être emmagasinée, puis servir aux réactions anaboliques. 8.2 Les variations d’énergie libre dans une réaction indiquent si la réaction a lieu spontanément Les réactions exergoniques et endergoniques dans le métabolisme Processus exergonique = spontané (libère de l’énergie et réduit donc l’énergie du système) Processus endergonique = non spontané (ne libère pas de l’énergie, nécessite de l’énergie) 8.2 Les variations d’énergie libre dans une réaction indiquent si la réaction a lieu spontanément Les réactions exergoniques et endergoniques dans le métabolisme Exemple : respiration cellulaire C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + É Si on part avec 1 mol de glucose (180 g), 2 870 kJ d’énergie sont libérés pour produire du travail (pouvant être utilisée dans une autre réaction) (réaction exergonique) Exemple : synthèse du glucose É+ 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 Pour assembler 1 mol de glucose (180g), 2 870 kJ d’énergie sont nécessaire (réaction endergonique) 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les rx exergoniques aux rx endergoniques La structure et l’hydrolyse de l’ATP (adénosine tri-phosphate) ATP = principale source d’énergie permettant à la cellule de produire du travail 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les rx exergoniques aux rx endergoniques La structure et l’hydrolyse de l’ATP (adénosine tri-phosphate) ATP = principale source d’énergie permettant à la cellule de produire du travail Couplage d’énergie : utilise l’énergie dégagée par une réaction exergonique pour déclencher une réaction endergonique, en grande partie grâce à l’ATP. 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les rx exergoniques aux rx endergoniques Comment l’hydrolyse de l’ATP produit du travail Trois sortes de travail fait dans la cellule : 1) Chimique : déclenchement de rx endergoniques (non spontanée) Ex. synthèse de polymères à partir de monomères 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les rx exergoniques aux rx endergoniques Comment l’hydrolyse de l’ATP produit du travail Trois sortes de travail fait dans la cellule : 2) Transport : transport transmembranaire actif 3) Mécanique : déplacement ou déformation de la cellule. Déplacement de vésicules et autres composantes. 8.3 L’ATP permet le travail cellulaire en couplant les rx exergoniques aux rx endergoniques La régénération de l’ATP 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques Même si une réaction est spontanée (exergonique), elle ne se produit ni rapidement ni instantanément. Il faut attendre plusieurs années. Enzyme : macromolécule agissant comme catalyseur (augmente la vitesse d’une Il faut attendre réaction), sans être lui-même modifié. quelques secondes. 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La barrière de l’énergie d’activation Une rx chimique implique : 1) la rupture des liaisons présentes dans les réactifs 2) la formation de nouvelles liaisons des produits Pour se transformer, le réactif de départ doit être déformé pour devenir instable. Cet état d’instabilité peut être généré avec un apport d’énergie. Analogie de l’anneau de métal d’un porte-clés 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La barrière de l’énergie d’activation Pour se transformer, le réactif de départ doit être déformé pour devenir instable. Cet état d’instabilité peut être généré avec un apport d’énergie. Au plan chimique, cette énergie est nécessaire afin que les réactifs dépassent un certain seuil énergétique, à partir duquel la réaction pourra démarrer. Analogie d’une roche en haut d’une colline Une fois ce seuil atteint (où les réactifs ont reçu assez d’énergie pour briser leurs liaisons), les réactifs atteignent un état de transition. → Énergie d’activation (« ÉA ») : énergie requise pour déclencher une réaction 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La spécificité des enzymes pour leurs substrats Nom des enzymes (en règle générale) Substrat* Complexe enzyme-substrat : L’enzyme se lie à son substrat et le convertit (par action catalytique) en produit(s). -ase : Substance avec une action enzymatique * Ou, plus rarement, l’action effectuée par l’enzyme (ex. invertase, polymérase, etc.) Substrat : Produits : Réactif sur lequel Molécules engendrées une enzyme agit. suite à l’action de l’enzyme 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La spécificité des enzymes pour leurs substrats La reconnaissance du substrat dépend de la forme et la composition du site actif, Une enzyme est un catalyseur très lesquelles sont dictées par la séquence spécifique pour son substrat, même d’acides aminés de l’enzyme. parmi des composés très apparentés. Substrat Site actif La forme du site actif de l’enzyme correspond à la Enzyme forme du substrat 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La spécificité des enzymes pour leurs substrats La conformation du site actif n’est pas figée : Changements allostériques : Le site actif peut apparaître ou disparaître selon la conformation générale de l’enzyme Ajustement induit : Une fois que le substrat se lie au site actif, l’interaction ainsi formée altère légèrement l’enzyme et « le site actif épouse encore mieux le contour du substrat ». 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La catalyse dans le site actif d’une enzyme Cycle très rapide : +1000 molécules de substrat par seconde (par molécule d’enzyme) Les enzymes sont réutilisables Ainsi, même de petites quantités d’enzymes peuvent grandement affecter le fonctionnement de la cellule. 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La catalyse dans le site actif d’une enzyme Vitesse de conversion : dépend de la concentration initiale du substrat. pour l’accélérer, on peut augmenter la quantité de substrat. S’il y a trop de substrat et que tous les sites actifs des enzymes deviennent occupés = enzyme saturée Pour augmenter la vitesse en contexte de saturation, il faut donc produire plus d’enzyme. 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques La catalyse dans le site actif d’une enzyme Mécanismes pour abaisser l’énergie d’activation d’une réaction : 1. Le site actif sert de gabarit pour rapprocher les substrat (si 2 ou +) et les orienter correctement pour favoriser la réaction. 2. Lors de l’ajustement induit, l’enzyme déforme les réactifs et ils deviennent plus instables (plus proche de leur état de transition). 3. Le site actif offre un environnement chimique plus propice à une réaction particulière (acide, polaire, non polaire…) 4. Le site actif participe directement à la réaction chimique. Il y a alors formation de liaisons covalentes de courte durée. Toutefois, des étapes subséquentes ramènent l’enzyme à son état original. 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques Les effets des conditions locales sur l’activité d’une enzyme Les effets de la température et du pH La vitesse de réaction augmente avec la To au Le pH affecte l’état d’ionisation des acides début, mais chute ensuite rapidement aminés de l’enzyme, et donc sa structure (dénaturation de l’enzyme). tridimensionnelle. 8.4 Les enzymes accélèrent les rx métaboliques en abaissant les barrières énergétiques Les effets des conditions locales sur l’activité d’une enzyme Les cofacteurs Cofacteurs : substances non protéiques requise par l’enzyme pour accomplir leur fonction catalytique (ex. minéraux) Coenzyme : un cofacteur qui est une molécule organique (ex. vitamines) Les inhibiteurs enzymatiques Inhibiteur compétitif : prend la place du substrat au site actif de l’enzyme Inhibiteur non compétitif : lie à un site autre (site allostérique) que le site actif, induisant ainsi un changement de conformation de l’enzyme Ex. drogues, médicaments, toxines… 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme Plusieurs voies métaboliques aboutissent en carrefour. 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme Plusieurs voies métaboliques aboutissent en carrefour. Si toutes les voies métaboliques fonctionnaient en même temps --> chaos chimique La cellule détermine le moment et l’endroit où ses enzymes sont actives. Ex. Pepsine sécrétée inactive par les cellules gastriques sous forme de pepsinogène, devient active uniquement dans la lumière de l’estomac La cellule coordonne l’activité enzymatique en: activant ou inhibant les gènes qui codent pour les enzymes spécifiques régulant l’activité des enzymes existantes (beaucoup plus rapide) 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme Régulation allostérique des enzymes : activateurs et inhibiteurs La régulation allostérique est un mécanisme par lequel l’activité d’une enzyme est modifiée par la liaison d’une molécule régulatrice à un site distinct du site actif. La molécule régulatrice peut être un activateur ou un inhibiteur, modifiant ainsi la conformation de l’enzyme. Lorsque l’activateur se lie, il stabilise la forme active de l’enzyme, augmentant son activité. À l’inverse, un inhibiteur stabilise la forme inactive de l’enzyme, réduisant son activité. Ce mécanisme permet une régulation fine et rapide des voies métaboliques en réponse aux besoins cellulaires. 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme Régulation allostérique des enzymes : coopérativité La coopérativité se produit lorsque la liaison d’un ligand à un site allostérique d’une enzyme augmente l’affinité des autres sites pour ce même ligand. Ce phénomène est souvent observé dans les enzymes multimériques, où la liaison d’un substrat à une sous- unité facilite la liaison aux autres sous-unités. La coopérativité permet une réponse plus sensible et régulée aux variations de concentration des ligands, optimisant ainsi l’efficacité enzymatique. 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme La rétro-inhibition Liaison spécifique du substrat à l’enzyme 1 Rétro-inhibition par liaison du produit final sur le site allostérique de l’enzyme 1 8.5 La régulation de l’activité enzymatique contribue à la régulation du métabolisme L’organisation spécifique des enzymes dans une cellule Certaines enzymes se retrouvent à des endroits fixes dans la cellule, d’autres se trouvent en solution à l’intérieur d’organites. Exemples : catalase dans les péroxysomes ATP synthase dans les mitochondries