Support de cours Biochimie Métabolique PDF

Support de cours Partie 2 Version du 24 Octobre 2022 Biochimie Métabolique Dans ce document, qui remplace la version provisoire du 29 septembre dernier, vous trouverez le support des cours concernant Le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire Le Métabolisme lipidique (synthèse, stockage des Acides gras et des Triglycérides) l'oxydation des Acides gras La Biosynthèse et le devenir des Corps cétoniques Le Métabolisme du Cholestérol Le Métabolisme des Protides et des Acides aminés Ce document sert de référence. Il est indispensable d'en prendre connaissance et de l'assimiler dans son ensemble préalablement aux cours /ED qui débuteront le 10 novembre 2022 Université Paris-Saclay 2022/2023 Chapitre 1: Concepts DFGSP2 – UE4 - Sciences biologiques 2 Biologie moléculaire – Enzymologie - BBCM et BIOCHIMIE MÉTABOLIQUE (CM 7 H + Dans les organismes vivants supérieurs, chaque cellule doit d’une part assurer sa propre survie et, d’autre part, accomplir des travaux en rela;on avec sa fonc;on propre. Ces phénomènes reposent sur l’existence de nombreuses voies métaboliques qui s’appuient elles-mêmes sur de nombreux systèmes enzyma;ques. 4 séances CM/ED + 3 ED ) Lipides Glucides Protéines Ces voies coopèrent pour assurer: 1- l’obtenVon d’énergie chimique en capturant l’énergie solaire ou en dégradant des nutriments riches en énergie, puisés dans l’environnement (alimenta;on). Cycle de Krebs Chaîne respiratoire (voies oxyda;ves) biosynthèses biosynthèses (anabolisme) Intégra;on du métabolisme [email protected] 2- la conversion des nutriments en « intermédiaires métaboliques » u;lisables par la cellule 3- la synthèse et la dégrada;on de molécules complexes nécessaires à la vie de la cellule Dans le cas du métabolisme de nos cellules, plusieurs remarques ini;ales peuvent être formulées: catabolisme Pr Jean François BENOIST de base / ObjecVfs -> Nos cellules puisent leur carbone dans les molécules organiques de notre environnement (hétérotrophie) et pas dans le CO2 atmosphérique comme le font les végétaux (autotrophie) Pr Philippe BILLIALD [email protected] enseignements dirigés: 3 séances [email protected] [email protected] 1 -> les réac;ons chimiques qui se déroulent au sein de chaque cellule se font à pression et température pra;quement constantes (isothermie) 2 Métabolisme - OrganisaVon générale Métabolisme - OrganisaVon générale à les voies cataboliques sont des voies oxyda;ves qui correspondent à celles où les molécules organiques de l’environnement sont dégradées en molécules plus pe;tes (glycolyse, βoxyda;on …). Ces voies libèrent de l’énergie (réac;ons exergoniques) qui peut être stockée sous forme d’ATP. Elles servent également à la réduc;on de transporteurs d’électrons (NAD+; FAD …) et le reste est perdu sous forme de chaleur. L’essen;el de l’énergie issue de ces voies cataboliques sera u;lisé, pour assurer des travaux chimiques (voies de synthèse réductrices), mécaniques (mouvement), biologiques (transport, sécré;on, croissance…). Ces voies produisent des déchets: CO2, H2O et NH3 à les voies anaboliques permeaent la synthèse de molécules complexes ou de macromolécules. Elles sont endergoniques et nécessitent un apport d’énergie (ATP, NADPH,H+) Déchets Catabolisme Sucres, Lipides, Protéines Produc;on d’Energie voies oxydaVves ADP + Pi NAD+ NADP+ CO2 H2O NH3 RégulaVon coordonnée ATP NADH NADPH Energie à la régulaVon coordonnée de toutes ces voies métaboliques (régula;on du métabolisme intermédiaire) s’eﬀectue: - au niveau de quelques enzymes seulement (enzymes régulatrices) - grâce à des signaux intracellulaires (produits par le métabolisme intermédiaire) - grâce à des signaux extracellulaires (perçus par des récepteurs et transmis au sein de la cellule par une cascade de transduc;on 3 Anabolisme / Travail Synthèse de macromolécules Contrac;on musculaire Transport ac;f Thermogenèse voies réductrices 4 L’ATP: Une monnaie d’échange dans la cellule L’Acétyl-CoA L’acétyl-CoA est le produit ﬁnal du catabolisme des lipides et des protéines. Il sera oxydé par le cycle de Krebs dans la mitochondrie avec réduc;on des coenzymes d’oxydoréduc;on NAD+ et FAD L’énergie libérée par les voies cataboliques (oxyda;ves) est « stockée » sous forme d’ATP. L’ATP est une monnaie d’échange à l’intéreur de la cellule qui apporte l’énergie nécessaire aux réac;ons de biosynthèse, à la contrac;on musculaire, au transport ac;f des ions. CH-CH3 5 H+, eH+ Etat nutriVonnel (réserves énergé;ques) NAD+ et FAD co-enzymes d’oxydo-réducVon eriboﬂavine Diapo 6 poly JFB Voie métabolique: FAD ADP Flavine-adénine-dinucléo;de (f. oxydée) souvent lié de façon covalente à l’enzyme ﬁxe 2 H sur le noyau diméthyl-6,7 isoalloxazine Où ? Quand ? 1 à 2h après le repas Phase intermédiaire 2 à 4h après le repas Jeûne précoce Jeûne physiologique 4 à 6h après le repas 8 à 16h après le repas Jeûne prolongé au delà de 16h Etat repos Eﬀort physique bref et intense (30 sec) Comment ? NAD+ à NADH, H+ Etat nourri « Filling » ou post-prandial AcVvité physique (solicita;on) FAD à FADH2 Nico;namide-adénine-dinucléo;de (f.oxydée) 6 ΔG°’ = -31,4 KJ.mol-1 Le NADH, H+ transporte les H du catabolisme pour produire de l’énergie. Il se réparMt dans la mitochondrie (60%) et le cytosol. Il ne traverse pas la mb interne. Rôle ≠ NADPH, H+ 7 Pourquoi ? Eﬀort physique prolongé -ex. jogging 30 min -ex. marathon >2h Apport d’O2 CoopéraVon des organes (Foie, Muscle, TA, cerveau, GR) : chacun ayant un rôle spéciﬁque 8 Phase Les voies cataboliques en 3 étapes 40 I II III IV V Exogenous Anabolisme (voies réductrices conso de NADPH, H+) 1- Dégrada;on des aliments et macromolécules cellulaires en composés simples conduisant à : l’ Acétyl-CoA 2- Oxyda;on de l’acétyl-CoA / O2 à co-enzymes d’oxydo-réducMon réduits NADH, H+ FADH2 3 - Phosphoryla;on oxyda;ve -ProducVon d’ATP u;le au renouvellement moléculaire, croissance etc… -Transports ac;fs -Mouvement, contrac;on musculaire ProducVon de déchets: CO2, NH3, H2O RégulaVon : Où, quand, comment, pourquoi ? 9 30 Glc used g/h Homéostasie du Glc Les 5 phases 20 Glycogen 10 Phase Guconeogenesis Origine du Glc sanguin Tissus u2lisateurs de Glc Source majeure d’Energie pour le cerveau I Exogène Tous Glc II -Glycogène -GNG hépa2que Tous sauf Foie. Muscle et TA à vitesse réduite. Glc III -GNG hépa2que -Glycogène Tous sauf Foie. Glc Muscle et TA à vitesse intermédiaire. IV -GNG hépa2que & rénal Cerveau, GR et rein. Très peu muscle Glc, CC V -GNG hépa2que & rénal Cerveau ralen2, GR et rein. CC, Glc GNG: Gluconéogenèse CC: corps cétoniques TA: Tissu adipeux 10 Comprendre les besoins et la foncVon de chaque organe Exemple : Le Muscle et ses Sources d’Energie (ATP) au Cours d’un Exercice Physique Glycolyse aérobie Glycolyse anaérobie β-oxyda;on des AG ATP: environ 100g. Un homme au repos en consomme 40kg / 24h !!!! réserves limitées, autres sources énergé;ques, coopéra;on entre muscle, foie et TA 11 12 Pour Mémoire Détail du cycle et formules des intermédiaires Chapitre 2: METABOLISME OXYDATIF 1- Cycle de l’acide citrique (Cycle de KREBS) (Cycle des Acides tricarboxyliques) Prix Nobel Médecine 2- La Chaîne Respiratoire (PhosphorylaVon oxydaVve) 1953 découverte du cycle de l’urée et du cycle de l’acide citrique 3- L’Oxygène N’est Pas Toujours un Ami Quelques minutes de révision haps://youtu.be/JPCs5pn7UNI Catabolisme oxydaVf, aérobie du groupement acétyl sous forme acVve d’acétyl-CoA 14 13 Le Cycle de KREBS Généralités C’est quoi? Catabolisme oxydaVf aérobie du gpt acétyl (Acétyl CoA) enlèvement de H+ et transfert --> NADH, H+ et FADH2 Pourquoi? voie Amphibolique hydrolyse de la l. Moester très exergonique Besoin d’oxygène - Il est source d’énergie (GTP). Il produit aussi du NADH,H+ et FADH2 qui seront réoxydés par la chaîne respiratoire pour la synthèse d’ATP. -Des intermédiaires du cycle sont des points d’arrivée du catabolisme (cataplérose) (acides aminés glucoformateurs, AG à (2n+1) carbones). -D’autres intermédiaires sont le point de départ de voies de synthèses (anaplérose) (acides aminé, porphyrines, nucléo;des). Où et quand? Dans la mitochondrie de toutes les cellules donc, jamais dans le Globule Rouge Fonc;onne toujours, mais au ralen;t si défaut d’apport d’O2 couplé à la chaîne respiratoire, il apporte 90% de l’énergie cellulaire il est commun à tous les organismes aérobies 15 16 Glucose 1- Le Cycle de KREBS cert. acides aminés 1-1 Généralités: Ce cycle, également appelé cycle des acides tricarboxyliques ou cycle de l’acide citrique est le point central vers lequel convergent les groupements acétyle (sous la forme d’acétyl-CoA) issus du catabolisme des glucides, des lipides et des protéines pour y subir un catabolisme oxydaVf aérobie (voir dia suivante). et aussi au niveau des intermédiaires du cycle > 2 Isocitrate (C6) CO2 NADH,H+ > Succinyl-CoA (C4) GTP ATP NADH,H+ chaîne respiratoire (O2) 2 ATP > > 4 5 > 3 ATP CO2 2-oxo-glutarate (C5) (C4) Succinate FADH2 > 3 6 > C’est la raison pour laquelle le globule rouge (GR) est incapable d’assurer ce cycle, incapable d’u;liser la glycolyse aérobie, la β-oxyda;on des acides gras ou encore d’u;liser les corps cétoniques. La seule source énergéVque du GR est la glycolyse anaérobie. Revoir cours de PASS / LAS Citrate (C6) 7 NADH,H+ 17 1 (C4) Fumarate l’acétyl-CoA substrat de ce cycle est l’intermédiaire vers lequel converge le catabolisme oxyda;f des glucides, des lipides (acides gras et corps cétoniques) et des protéines. Toutes les enzymes du cycle de Krebs sont localisée dans la mitochondrie cellulaire. matrice mitochondriale 8 (C4) Malate aérobie: exclusivement en présence d’O2, même si celui-ci ne par;cipe pas directement aux réac;ons du cycle. L’O2 permeara la réoxyda;on des co-enzymes réduits (NADH, H+ et FADH2) via la chaîne respiratoire. Couplé à la chaîne respiratoire mitochondriale, le cycle de Krebs fournit 90% de l’énergie cellulaire Acétyl-CoA (C4) Oxaloacétate oxydaNf: par enlèvement d’atomes d’hydrogène et transfert sur le NAD+ et le FAD AG & Corps cétoniques Pyruvate 3 ATP Pour Mémoire: - Le cycle comprend 8 réacVons. Couplé à la chaîne respiratoire, le bilan est 12 ATP par Acétyl-CoA oxydé (voir ﬁgure) Bilan énergéVque du cycle de Krebs couplé à la chaîne respiratoire - l’acétyl-CoA qui entre dans le cycle est totalement oxydé en CO2 (déchet). L’oxaloacétate doit être régénéré en ﬁn de cycle. 1 Acétyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O - 4 des 8 réac;ons sont des réac;ons d’oxyda;on dont l’énergie est conservée dans les coenzymes réduits (NADH, H+ et FADH2) qui seront ensuite réoxydés par la chaîne respiratoire avec produc;on d’ATP. - Les premières réacVons du cycle (rx 1, 3 et 4) sont irréversibles et conduisent à l’oxyda;on totale du groupement acétyle. Elles sont l’objet de régulaVons et entraînent le cycle - la réac;on 5 est la seule à produire directement un nucléoside triphosphate (GTP), équivalent de l’ATP - les réac;ons 6, 7 et 8 sont réversibles, elles permeaent de régénérer l’OA. - Certains intermédiaires peuvent être interconnectés avec d’autres voies. Le cycle de Krebs est une voie amphibolique (diapo 24) - dans des situa;ons de forte demande énergé;que où bien lorsque des intermédiaires du cycle sont soustraits à des;na;on de voies de synthèses (Krebs = voie amphibolique), l’OA pourra ne pas être régénéré en totalité et venir à manquer. Il devra alors être resynthé;sé 19 à par;r de réac;ons dites anapléroVques. Rx 1 3,4,8 6 5 5 3 ATP 18 1, 7 A la ﬁn du cycle: -L’OA de départ est régénéré, -L’acétyl-CoA est « brûlé » en CO2 2 CO2 + 3 NADH, H+ + 1 FADH2 + 1 GTP + CoA-SH - Forma;on d’une liaison P riche en énergie (1 GTP) - Elimina;on de 2 C (acétyl-CoA brûlé) avec régénéra;on de l’OA - Forma;on transitoire de 4 coenzymes réduits 3 NADH,H+ et 1 FADH2 Les coenzymes réduits entreront dans la chaîne respiratoire pour être réoxydés et cela s’accompagnera de la formaMon de 11 ATP supplémentaires. Bilan: En aérobiose, le cycle apporte l’équivalent de 12 ATP par molécule d’acétyl-CoA oxydée Bilan atomique: Les 2 C éliminés proviennent de l’Acétyl-CoA. 20 1- Le Cycle de KREBS 1- Le Cycle de KREBS 1-2 Origine des Substrats 1-2-1 Acétyl-CoA 1-3 Rôles Le cycle de Krebs joue un double rôle: principalement source énergéVque mais aussi source d’intermédiaires des voies de biosynthèse. Selon les condiVons métaboliques, quatre origines sont possibles - Glucidique : la glycolyse catabolyse les hexoses en pyruvate suscep;ble d’être transformé en acétyl-CoA dans la mitochondrie par la pyruvate déshydrogénase (PDH) point de régulaVon majeur. - Lipidique: - la β-oxyda;on des acides gras (AG) issus de l’hydrolyse des triglycérides (TG) conduit à la forma;on d’acétyl-CoA. - Protéique: le catabolisme de la plupart des AA d’origine alimentaire ou musculaire rejoint le pyruvate ou l’acétyl-CoA lui-même. Certains AA sont directement catabolisés en intermédiaires du cycle. - les corps cétoniques synthé;sés dans le foie en période de jeûne à par;r des AG et des acides aminés (AA) cétoformateurs donnent, dans les ;ssus extrahépa;ques, de l’acétylCoA (cétolyse) qui entre dans le cycle de Krebs. 1-2-2 Oxaloacétate 1-3-1 Source énergéVque - Pour foncVonner les coenzymes d’oxydo-réducVon réduits (NADH, H+ et FADH2) au cours du cycle devront ensuite être réoxydés via la chaîne respiratoire. L’O2 ne par;cipe donc pas directement au cycle de Krebs mais sa présence est obligatoire car il intervient dans la chaîne respiratoire laquelle est nécessaire pour régénérer le pool de NAD+ et du FAD nonréduits mitochondrial. - La vitesse d’oxydaVon de l’acétyl-CoA dans le cycle de Krebs dépend : 1) de la concentra;on en acétylCoA; 2) de l’accumula;on des produits énergé;ques (NADH,H+, fonc;onnement de la chaine respiratoire) et ATP (niveau énergé;que de la cellule) 3) de l’accumula;on des produits intermédiaires du cycle. A l’état basal, l’OA est régénéré en ﬁn de cycle. S’il vient à manquer (forte demande énergé;que ou détournement des intermédiaires du cycle à des ﬁns de synthèse), d’autres voies permeaent de le resynthé;ser (diapos 37 à 39). 21 1- Le Cycle de KREBS 1-3 Rôles 1-3-2 Source d’Intermédiaires des Voies de Biosynthèses (anaplérose) Le cycle de Krebs est une plaque tournante du métabolisme intermédiaire (dia 20). On parle de voie amphibolique (par;cipe au catabolisme et à l’anabolisme de diﬀérents substrats). Il peut donc, en fonc;on de l’état métabolique et des besoins de la cellule, y avoir des « fuites », avec, comme conséquence, une régénéra;on incomplète de l’OA de départ: 22 Le cycle de Krebs est un cycle amphibolique (à la fois catapléroVque et anapléroVque) AcétylCoA -Gluconéogenèse (Foie) -Synthèse d’AA: D, N, M, T, K, I OA le citrate, s’il est synthé;sé en excès, peut être exporté dans le cytosol et u;lisé pour synthé;ser des AG ou des stérols, en apportant des unités Acétyl-CoA et du NADPH, H+ L’α-CétoGlutarate: peut être transaminé en Glu et conver; en dehors de la mitochondrie en AA (biosynthèse). En par;culier au niveau des ;ssus nerveux, il donne des neurotransmeaeurs Glu et GABBA L’OA peut être transaminé en Asp précurseur de l’Asn, et des pyrimidines. OA ne peut pas sor;r de la mitochondrie mais il peut être transformé en malate pour entrer dans la gluconéogenèse hépa;que en situa;on de jeune Le Malate: exporté vers le cytosol, (réoxydé en OA et conver;t en PEP) point de départ de la gluconéogenèse hépa;que, en situa;on de jeune Le Succinyl CoA : point de départ à la synthèse de l’hème dans les ré;culocytes 23 CoA Gluconéo -genèse (Foie) Malate Citrate Synthèse des AG et des stérols Krebs α-Cétoglutarate Succinyl CoA Synthèse des AA E, Q, P, R Neurotransmeaeurs Synthèse de l’hème 24 1- Le Cycle de KREBS 1-4 RégulaVon du cycle de Krebs: Pour être ac;f, le cycle de Krebs nécessite un apport d’O2. Son ac;vité dépendra également de la disponibilité de ses substrats et de la régulaVon allostérique des réacVons irréversibles de début de cycle comme nous le détaillons ci-après. 1-4-1 Disponibilité en Substrats 1-4-1-1 Apport en Acétyl CoA 1-4-1-2 Recharge en Oxaloacétate 1-4-1-3 RégénéraVon de NAD+ et FAD 1-4-2 Eﬀecteurs Allostériques 1-4-2-1 Citrate synthase (rx 1) 1-4-2-2 Isocitrate Déshydrogénase (IDH) (rx 3) 1-4-2-3 α-Cétoglutarate Déshydrogénase (rx4) 25 26 1-4 RégulaVon du cycle de Krebs: 1-4-1 Disponibilité en Substrats 1-4-1-1 Apport en Acétyl-CoA L’acétyl-CoA entrant dans le cycle de Krebs a 4 origines possibles en fonc;on de l’état énergé;que et nutri;onnel (voir ﬁgure). a) Glucidique: En situaMon normale où les réserves de glycogène musculaire et hépa;que sont sa;sfaites, le Pyruvate, issue de la glycolyse pénètre dans la mitochondrie a l’aide d’un transporteur spéciﬁque. Il est transformé en acétyl-CoA par la Pyruvate déshydrogénase (PDH), enzyme clée de la régula;on. Ceae réac;on est IRREVERSIBLE (les animaux sont donc incapables de conver;r l’acétyl-CoA en Glc). Ceae étape est la voie métabolique prépondérante du pyruvate et elle est soumis à une régulaVon essenVelle. Si le régime est hyperglucidique: l’excès d’acétyl-CoA provenant du pyruvate entrera dans la synthèse des AG (les glucides peuvent être transformés en AG, mais l’inverse n’est pas vrai). b) La β-oxydaVon des AG issus de l’hydrolyse des TG produit de l’acétyl-CoA. Le contrôle se fait au niveau de l’entrée des AG dans la mitochondrie avant la β-oxyda;on. Dans presque tous les ;ssus (essen;ellement Foie, muscle et cœur), mais jamais dans les ;ssus glucodépendants (Globule rouge, qui ne possède pas de mitochondrie ou le cerveau dans lequel les AG ne pénètrent pas). Les AG sont la source énergé;que préféren;elle de certains organes (cœur) (muscle au repos). c) Les AA (jamais stockés). Ils proviennent du catabolisme des protéines alimentaires (régulier, mais faible) ou musculaires (période de jeûne prolongé). Certains conduisent au pyruvate ou à l’acétyl-CoA. D’autres donnent des intermédiaires du cycle. d) Les Corps cétoniques dans des situa;ons de Jeûne prolongé: Le glucose devenu rare est alors réservé aux organes glucodépendants. Les CC synthé;sés par le foie à par;r des AG et des AA cétoformateurs sont transportés et catabolisés dans les ;ssus EXTRA hépa;ques. 27 i- Acétyl CoA est un Carrefour Métabolique 4 origines en foncVon de l’état nutriVonnel TG Glucose cert. acides aminés Glycérol + Acides Gras Pyruvate PDH Acétyl-CoA Oxaloacétate (D,N) Fumarate (D,F, Y) succinyl-CoA (I, M, T, V) α Cétoglutarate (R, E, Q, H, P) Corps cétoniques dans les Nssus extra-hépaNques en période de jeûne En période de jeûne A l’état nourri 28 i-i FormaVon de l’acétyl CoA à parVr du Pyruvate Une réacVon irréversible hautement régulée i-i FormaVon de l’acétyl CoA à parVr du Pyruvate Une réacVon irréversible hautement régulée L’entrée d’Acétyl-CoA d’origine glucidique (Pyruvate) est étroitement contrôlée. La réac;on catalysée par la pyruvate déshydrogénase (PDH) joue un rôle capital (diapo voisine) Un système de transport spéciﬁque permet le passage du pyruvate dans la mitochondrie, puis un complexe pluri-enzyma;que majeur : le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) situé dans la matrice mitochondriale permet la décarboxyla;on oxyda;ve irréversible du pyruvate en Acétyl-CoA CeÇe réacVon est irréversible. Elle catalyse le passage irréversible des glucides vers la producVon d’énergie et/ou les lipides. C’est un point de régulaVon majeur. La structure de la PDH est par;culière. On parle de complexe enzymaVque: 60 sous-unités (SU) de trois types (E1, E2, E3) et 5 coenzymes dont 3 sont ﬁxes, c’est à dire, liés à l’enzyme et deux mobiles. La PDH est présente dans toutes les cellules ayant des mitochondries (pas le GR), par;culièrement au niveau du foie et des muscles squeleÉques et cardiaque. 29 Rx irréversible Complexe enzyma;que: Pyruvate déshydrogénase Enzymes mitochondriale Coenzyme(s) Pyruvate DH (E1) TPP Dihydrolipoyl transacétylase (E2) Acide lipoique, CoA 24 Dihydrolipoyl DH (E3) FAD, 12 Pour Mémoire: La réac;on est une décarboxyla;on oxyda;ve réalisée sur le complexe mul;enzyma;que en 5 étapes sans libéraVon des produits intermédiaires: 1) nb de SU / complexe 24 NAD 30 Schémas explica;fs Complexe Pyruvate Déshydrogénase Pyruvate + TPP --E1--> hydroxyéthyl-TPP + CO2 Ici, E1 (sous-unité pyruvate déshydrogénase) catalyse la décarboxyla;on du pyruvate. L’acétaldéhyde formé se combine au coenzyme thiamine pyrophosphate (TPP). E1: SU pyruvate DH 24 E2: SU dihydrolipoyl transacétylase 24 E3: SU dihydrolipoyl déshydrogénase 12 2) hydroxyéthyl-TPP + lipoamide --E1--> TPP + acétyl-lipoamide Ici, transfert de l’hydroxyéthyl sur l’acide lipoïque , coenzyme ﬁxé sur l’enzyme par une fonc;on amide avec l’εNH2 d’un résidu de lysine de l’enzyme E2 (dihydrolipoyl transacétylase) diamètre: 30nm Mr 5 106 Da 3) acétyllipoamide + CoA-SH --E2--> Dihydrolipoamide + acétylCoA le gpt acétyl est transféré de l’acétyl-lipoamide au CoA pour former l’acétyl-CoA La liaison thioester riche en énergie est conservée. Observa;on au microscope électronique HS déﬁcit d’apport en thiamine 4) dihydro-lipoamide + FAD --E3--> lipoamide + FADH2 Ici la forme oxydée du lipoamide est régénérée (S-S). Le FAD est le cofacteur de E3 (Dihydrolipoyl Déshydrogénase) et va capter les équivalents réducteurs (FADH2) 5) Le FADH2 est réoxydé en FAD par le NAD+ qui lui même est réduit en NADH, H+ 1 NADH, H+ est ainsi libéré (équivalent à 3ATP après traitement par la chaîne respiratoire), L’acétyl-CoA est dirigé soit vers le cycle de Krebs, soit vers la biosynthèse des AG 31 32 L’acVvité du complexe PDH est soumise à une double régulaVon Double RégulaVon de l’acVvité du complexe PDH 1) Rétrocontrôle rapide par les produits (diapos voisines) NADH, H+ inhibe E3 Acétyl-CoA inhibe E2 Ce rétrocontrôle est rapide (quelques msec/sec). Il signiﬁe que les produits sont en excès par rapport à la capacité de la chaîne respiratoire à produire de l’ATP. Remarque: l’Acétyl-CoA provenant de la β-oxyda;on des AG aura le même eﬀet pour permeare d’épargner le Glc et de l’orienter vers d’autres voies. 2) InhibiVon par phosphorylaVon réversible de résidus Ser de la SU E1 (diapo 32) E1 coexiste sous deux formes interconver;bles: l’une non-phosphorylée ac;ve, présente à l’état nourri l’autre phosphorylée, inac;ve, présente en situa;on de jeûne 1- InhibiVon allostérique par les deux produits (« Feed back » ou Rétrocontrôle) Acétyl-CoA inhibe E2 NADH, H+ inhibe La phosphorylaVon (inacVvaVon) est catalysée par une pyruvate déshydrogénase kinase spéciﬁque (PDH kinase) soumise à un contrôle allostérique. Pyruvate àL’ATP, le NADH,H+ et l’acétyl-CoA sont, en tant que témoin de l’ac;vité de la β-oxyda;on des AG en période de jeûne, acVvateurs de la PDH kinase (donc phosphoryla;on de la PDH et son inac;va;on) - Au jeûne, l’enzyme est phosphorylée et donc INACTIVE Les produits de la réac;on sont des ac;vateurs allostériques de la PDH kinase qui inac;vent le complexe PDH. Les substrats comme le Pyruvate, témoin de l’ac;vité de la glycolyse, sont des inhibiteurs de la PDH kinase (donc ac;vateur de la PDH). Notes: La PDH n’est pas soumise à un contrôle hormonal via l’AMPc car l’AMPc ne peut entrer dans la mitochondrie. 35 La pyruvate carboxylase et la pyruvate déshydrogénase sont toujours régulée en opposi;on - NADH, H+ 34 Double RégulaVon de l’acVvité du complexe PDH 2- Contrôle par modiﬁcaVon covalente de la sous-unité E1 : - La déphosphoryla;on de E1 (ac;va;on) est catalysée par une phosphatase également associée à E1 et dépendante de Mg++ et Ca++ Au niveau du muscle squeleÄque: La libé de Ca++ lors de la contrac;on ac;ve la phosphatase. En même temps le Pyruvate et l’ADP main;ennent la PDH kinase inac;ve. Au niveau du muscle cardiaque: L’u;lisa;on des AG (60%) est préférée au Glc (30%). Mais, lors d’un exercice modéré, Les catécholamines (Adrénaline) ac;vent, via récepteur α-adrénergique (voie phospha;dyl inositol), la libéra;on de Ca++ et ac;vent la phosphatase. Au niv des ;ssus capable de synthé;ser des AG (foie & TA): L’enzyme est sous contrôle hormonale: L’insuline qui signale l’état nourri s;mule la déphosphoryla;on de E1 et ac;ve la PDH (synthèse d’AG à par;r du Glc et lipogenèse). Acétyl-CoA CO2 NAD + Récapitula;f (bien retenir et comprendre!) Le complexe PDH est un verrou qui est levé par l’alimenta;on sous contrôle d’une kinase et d’une phosphatase elles même régulées. «Point of No Return» - CoA-SH àA l’opposé, le pyruvate, en tant que témoin de l’ac;vité de la glycolyse, est inhibiteur de la PDH kinase La déphosphorylaVon de E1 (acVvaVon de la PDH) est catalysée par la PDH phosphatase, ac;vée dans les muscle par le Ca++ (contrac;on musculaire) et dans le Vssu adipeux par 33 l’insuline (signal hormonal) Intérêt de la double régulaVon de la PDH: E3 PDH (E1) Acétyl-CoA, NADH, ATP + Inactive Jeûne -- Pi PC Phosphatase + Ca2+ + Mg2+ ADP PDH Kinase CoA-SH, NAD+ , ADP Pyruvate PDH kinase ATP Pi PDH (E1) Active -- OH nourri forme déphosphorylée PC et PDH toujours régulées en opposi;on Où, quand, comment, pourquoi ? - Muscle squeleÄque (Ca++) - Cœur (Adrénaline, R.α adré.) - Foie et TA (insuline) Et le cerveau ? Et le GR ? 1-4-1-2 Recharge en Oxaloacétate (OA) La Recharge en Oxaloacétate (OA) passe par A l’état basal, l’OA régénéré en ﬁn de cycle suﬃt à entretenir le cycle, mais parfois … Outre son rôle énergé;que, le cycle de Krebs (voie amphibolique) par;cipe également aux voies de synthèse ou de dégrada;on de diﬀérents substrats. Certains intermédiaires du cycle (citrate, malate, OA) vont alors être détournés du cycle, en sor;r et passer dans le cytosol: PDH PC On parle de cataplérose. La Pyruvate Carboxylase (PC) (enzyme à Bio;ne) Ceae réac;on de carboxyla;on du pyruvate en OA est catalysée par la pyruvate carboxylase mitochondriale (rx de la gluconéogenèse). ATP Elle a lieu au niveau du foie et des reins. Il faudra alors recharger le Cycle de Krebs en OA (rx anapléroVques) purine Au niveau du foie, elle compense l’eﬄux important des intermédiaires du cycle (OA, malate) quand la gluconéogenèse est ac;ve. Anaplérose Il existe des voies anapléroVques pour recharger le cycle en OA La PC est ac;vée par l’acétyl-CoA qui provient de la β-oxydaVon, le même acétyl-CoA agissant comme inhibiteur allostérique de de PDH et ac;vateur de sa kinase (PDH kinase) 37 La recharge en OA (Pyruvate carboxylase) intervient dans plusieurs voies métaboliques dont les principales sont: 38 1-4-1-3 RégénéraVon du NAD+ et du FAD C’est le Contrôle Respiratoire - Krebs est obligatoirement couplé à la chaîne respiratoire (1)La néoglucogenèse à par;r de l’Alanine (Ala) et de lactate (2)La dégradaVon de certains acides aminés, en par;culier au niveau des muscles lors d’une ac;vité d’intensité moyenne et de longue durée (3)RéacVon de carboxylaVon du pyruvate en malate par l’enzyme malique cytosolique. C’est une voie mineure dans le foie. Leur rôle est moins important que celui de la Pyruvate carboxylase La régénéraVon du NAD+ et du FAD est indispensable pour que le cycle se perpétue, CeÇe régénéraVon se fera grâce à la chaîne respiratoire qui foncVonne si l’apport en O2 est suﬃsant. 39 Le cycle de Krebs est donc dépendant de la vitesse de synthèse de l’ATP, elle même dépendante de la disponibilité de ADP, Pi, de l’apport d’O2 40 1-4 RégulaVon du cycle de Krebs: 1-4-2 Eﬀecteurs allostériques 1-4-2-1 Citrate Synthase (CS) (première réacVon du cycle) CeÇe Enzyme est régulée 1-4 RégulaVon du cycle de Krebs: 1-4-2 Eﬀecteurs allostériques 1-4-2-2 Isocitrate Déshydrogénase (IDH) (troisième réacVon du cycle) ΔG’°= -31,5 kJ.mol-1 ΔG’ < 0 CO2 acVvée par la disponibilité des 2 substrats la concentra;on en OA mitochondrial est limitante ( [OA] < KM ) ralenVe par NADH,H+ (témoin DH décarboxylaMon du niveau énergé;que élevé) 2-oxo glutarate CoA Décarboxyla;on oxyda;ve très exergonique étape limitante Enzyme régulée par les témoins du niveau énergé;que de la cellule: ralenVe par ATP, NADH,H+ 41 1-4 RégulaVon du cycle de Krebs: 1-4-2 Eﬀecteurs allostériques 1-4-2-3 α Cétoglutarate Déshydrogénase (αCGDH) (quatrième réacVon du cycle) acVvaVon allostérique par AMP, ADP (et Ca2+) 42 Points essenNels à retenir ici: Le Cycle de Krebs, c’est à dire l’oxydaVon de l’acétyl-CoA foncVonne essenVellement pour produire de l’ATP en relaVon directe avec la consommaVon en O2 et la réoxydaVon du NADH,H+ et du FADH2 Le cycle de Krebs est régulé pour coordonner la produc;on du NADH, H+ aux besoins en énergie des ;ssus. àAu niveau du cycle proprement dit: Seules sont régulées les 3 réacVons exergoniques: Citrate synthase, Seconde Décarboxyla;on l’Isocitrate déshydrogénase (IDH) et l’α-cétoglutarate DH. àTrois mécanismes de régulaVons sont importants très exergonique autre étape limitante inhibée par ATP, GTP, NADH,H+, succinyl CoA (produit de la rx) acVvaVon allostérique par ADP, NAD+ et Ca2+ Ca2+: s;mula;on à des conc. qui ini;ent la contrac;on musculaire et qui ac;vent la glycogène phosphorylase b 43 La disponibilité en substrats: La vitesse de forma;on du citrate dépend des concentra;ons en acétyl-CoA et en OA qui, dans les mitochondries, ne sont pas saturantes. A ce niveau, le rôle de la PDH est capital. L’inhibiVon par les produits accumulés: L’accumula;on de succinyl-CoA inhibe l’ α-cétoglutarate DH et la citrate synthase Le citrate inhibe la citrate synthase La modulaVon allostérique: -L’ATP et le NADH,H+ se comportent comme des inhibiteurs allostériques la citrate synthase et l’IDH. -L’ADP et le Ca++ sont des ac;vateurs allostériques de certaines enzymes et notamment de 44 l’IDH et de l’α-cétoglutarate DH. 2- La Chaîne Respiratoire (PhosphorylaVon OxydaVve) 2-1 Généralités La chaîne respiratoire mitochondriale a pour objec;f de régénérer le NAD+ et le FAD nécessaires au bon fonc;onnement du cycle de Krebs et de ;rer l’énergie contenue dans les formes réduites (NADH,H+ et FADH2) pour produire de l’ATP. Le couplage des deux processus (oxydo-réduc;on et phosphoryla;on de l’ADP) est un couplage chimioosmoVque et non pas un couplage chimique conven;onel. Conversion de l’énergie dans la mitochondrie oxydaMon phosphorylante Ce couplage chimioosmo;que correspond schéma;quement à une rx chimique exergonique qui, via une chaine d’oxydo-réduc;on, conduit à la forma;on d’une force protomotrice. Ceae force protomotrice est ensuite mise à proﬁt pour apporter l’énergie à une réac;on thermodynamiquement défavorable (phosphoryla;on de l’ADP en ATP) La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques localisés dans la membrane interne des mitochondries (imperméable). La synthèse de ces complexes a une double origine géné;que: ADN nucléaire et ADN mitochondrial. 2-2 la Chaîne d’Oxydo-RéducVon O2 + 4H+ + 4e à 2 H20 2-3 La PhosphorylaVon ADP + Pi à ATP + H20 La chaîne respiratoire permet la forma;on d’eau et d’ATP à par;r de l’H des molécules énergé;ques, d’ADP et de l’O2 46 45 L’essenNel à retenir sur la chaîne respiratoire C’est quoi? Couplage chimio-osmoVque de la régénéra;on du NAD+ et du FAD avec la synthèse d’ATP (Peter Mitchell Prix Nobel 1978) Pourquoi? Les réac;ons d’oxyda;on du catabolisme ont enlevé aux substrats des hydrogènes (protons et électrons) qui ont été collectés par les coenzymes d’oxydoréduc;on NAD+ et FAD. Les informaVons qui suivent sur la chaîne respiratoire sont des rappels du cours de PASS / LAS sur: -le fonc;onnement de la chaîne respiratoire et le couplage chimio-osmo;que de la chaîne d’oxydo-réduc;on à la phosphoryla;on -NADH,H+ et FADH2 doivent maintenant être réoxydés pour que les voies cataboliques se poursuivent (cycle de Krebs). -Chaque NADH,H+ réoxydé conduit à la forma;on de 3 ATP. -Chaque FADH2 réoxydé conduit à la forma;on de 2 ATP Où et quand? A8enMon -Des anomalies de ceae chaîne respiratoire à l’origine de maladies géné;ques existent. Des inhibiteurs de la chaîne respiratoire ont également été décrits. -Une réduc;on par;elle de l’O2 peut conduire à la produc;on d’espèces réac;ves de l’oxygène aux eﬀets délétères. Au niveau de la membrane interne des mitochondries et toujours, si apport d’oxygène. Jamais dans le GR !! Les ques;ons évoquées dans les diapos 45 à 56 ne sont pas directement impliquées dans la régula;on du métabolisme, objet de ce cours. à l’origine des coenzymes réduits: - Le FADH2 est produit localement dans la mitochondrie (1 pool). - Pour le NADH,H+, il y a 2 sources. L’une cytoplasmique qui u;lisera un système de naveaes pour entrer dans la mitochondrie (cours glucides). L’autre source est mitochondriale (β oxyda;on, PDH, cycle de Krebs). Ces points seront approfondis dans d’autres enseignements au cours de vos études 47 48 2-2 la Chaîne d’Oxydo-RéducVon (Complexes I à IV) La chaîne respiratoire assure le transport des électrons des co-enzymes réduits et FADH2) à l’oxygène. 2-2 la Chaîne d’Oxydo-RéducVon (Complexes I à IV) (NADH,H+ Schéma;sée sur la diapo suivante, elle est essen;ellement cons;tuée: 4 2 4 -de 4 gros complexes plurienzymaVques ﬁxes (I, II, III, IV) *formés de plusieurs protéines enchâssées dans la membrane interne de la mitochondrie (le complexe II étant sur la face matricielle) * liés à des groupements prosthé;ques d’oxydoréduc;on (FAD, FMN, protéines à centre Fer-Soufre et cytochromes) - de deux transporteurs mobiles d’électrons * coenzyme Q (également désigné CoQ ou ubiquinone UQ), longue chaine isoprénïque hydrophobe mobile au sein de la phase lipidique membranaire entre les complexes I ou II et le complexe III *cytochrome c plus hydrophile et mobile, tourné vers l’espace intermembranaire, entre les complexes III et IV On ne connaît pas avec cer;tude le nombre exacte de protons pompés par chaque complexe. Les valeurs habituellement retenues sont les suivantes: 4 H+ pour le complexe I, 2 H+ pour le complexe III et 4 H+ pour le complexe IV, soit au total 10 H+ par couple d’électrons parcourant la chaîne (6 H+ pour le FADH2 qui n’entre pas au niveau du complexe I mais au niveau du complexe II) 49 V RéoxydaVon d’un NADH, H+ à gradient de 10 H+ à 3 ATP RéoxydaVon d’un FADH2 à gradient de 6 H+ à 2 ATP 50 - Un premier couplage de nature chimio-osmoVque couple l’oxyda;on du NADH (∆G0, nécessité d’un travail osmo;que). L’élément de couplage est une chaîne de transport des électrons organisée en complexes enzyma;ques respiratoires transmembranaires qui vont réagir entre eux suivant un ordre qui correspond à une augmenta;on de poten;el rédox. Les e- à haute énergie issus des hydrogènes du NADH,H+ et du FADH2 dévalent alors ceae chaîne dans la mb interne. Au cours de leur passage d’un transporteur au suivant, ils perdent de leur énergie qui est u;lisée pour transporter de façon ac;ve des protons (H+) à travers la mb interne, depuis la matrice vers l’espace inter-membranaire (∆G>0, nécessité d’un travail osmo;que). Ceci crée une diﬀérence de poten;el électrochimique de protons également appelé « gradient de protons » (élevé dans l’espace inter-membranaire, faible dans la matrice). - Puis, un couplage osmochimique associe la diﬀusion spontanée (reﬂux) des protons de l’espace intermembranaire vers la matrice à la phosphoryla;on de l’ADP en ATP. L’élément de couplage est le complexe (ATP synthase ou complexe V) localisé dans la mb interne (diapo 45 et 46). 51 52 2-3 La PhosphorylaVon l’ATP synthase (Complexe V) 2-3 La PhosphorylaVon l’ATP synthase (Complexe V) L’énergie osmo;que (gradient de protons) est ensuite conver;e en énergie chimique (phosphoryla;on de l’ADP). Le site de ceae phosphoryla;on est l’ATP synthase (complexe V) qui, pour fonc;onner dans le sens de la phosphoryla;on, a besoin d’un apport d’énergie. Cet apport d’énergie est fourni par le retour de 3 protons. Deux de ces protons pénètrent dans la matrice via le canal à protons F0 de l’ATP synthase alors que l’entrée du troisièmes est couplée à l’entrée d’un Pi (H2PO4-) via une Pi translocase. Le complexe F1 de l’ATP synthase catalyse la phosphoryla;on de l’ADP en ATP mitochondrial qui sera exporté vers le cytosol grâce à une ADP-ATP translocase en échange d’un ADP cytosolique. Ainsi, le [ATP] / [ADP] [Pi] est maintenu dix fois plus élevé côté espace inter-membranaire. La structure de l’ATP synthase, comme celles des complexes I à IV, a été décrite en PACES. L’ATP synthase est cons;tuée de deux éléments: F1: qui porte l’ac;vité cataly;que, comprends 5 chaînes polypep;diques α3β3γδε. Seules les 3 sous unités β par;cipent à la catalyse F0 (;ge): sensible à l’oligomycine. Elle cons;tue le canal à protons L’ATP synthase a besoin d’un apport d’Energie. -ATP et ADP ne diﬀusent pas librement. 2-4 InhibiVons de la Chaîne Respiratoire et ses conséquences Il existe un certain nombre de composés suscep;bles de perturber la chaîne respiratoire en agissant soit comme inhibiteur de la chaîne de transport d’e- (inhibiteur de la chaîne d’oxydoréduc;on) soit comme inhibiteurs de la phosphorylaVon (Complexe V) Les inhibiteurs de la phosphorylaVon (diapo suivante) sont: - soit des agents découplants qui dissipent ar;ﬁciellement le gradient de protons en formant un canal dans la membrane interne et favorise le retour des protons indépendamment de l’ATP synthase et de la Pi translocase -Soit des inhibiteurs spéciﬁques de l’acVvité de l’ATP synthase ou de l’ATP translocase. Remarque: Chez la plupart des mammifères, il existe un type de Tissu adipeux, appelé la Graisse Brune (riche en cytochromes) ou le catabolisme oxyda;f n’a pas pour but de produire de l’énergie mais de la chaleur nécessaire au main;en de la température corporelle. La membrane interne de la mitochondrie de ces cellules con;ent une protéine (Thermogénine), canal à protons sans complexe V, qui favorise le retour des protons avec dissipa;on de l’énergie (chaleur). Rôle: Thermogenèse des nouveaux nés. La Thermogénine est ac;vée par des AG libérés de TG en réponse à des signaux hormonaux (β-adrénergiques) Autres inhibiteurs naturels: Les hormones thyroïdiennes (énergie libérée également sous forme de chaleur) La chaîne respiratoire fait intervenir de nombreuses protéines ou complexes protéiques dont les gènes correspondant, qu’ils soient d’origine mitochondriale ou nucléaire, peuvent porter des muta;ons à l’origine de dysfonc;onnements dans la phosphoryla;on oxyda;ve, diminu;on de créa;on d’énergie et augmenta;on de la produc;on de formes réac;ves de 55 l’oxygène Translocase -[ATP] / [ADP] [Pi] dix fois plus élevé côté espace inter-mb -les ﬂux d’ATP et d’ADP sont couplés. ATP Synthase L’entrée d’un Pi dans la matrice est couplée au retour d’un proton BILAN: 53 Matrice ADP-ATP NADH (10 H+ transférés) --> 3 ATP FADH2 (6 H+ transférés) --> 2 ATP Pi Translocase 54 2-4 InhibiVons de la Chaîne Respiratoire et ses conséquences Inh. du Transport d’e (Complexe I à IV) Complexe I (NADH-Q oxydoréductase): Roténone (plante tropicale), Barbituriques, Halothane Complexe II (Succinate-Q réductase): Ac. Malonique Inh. de la phosphorylaVon (Complexe V) Agents découplants: Empêchent le retour des H+ par le canal du complexe V naturels: Thermogénine (TA brun) chimiques: 2,4 dinitrophénol ionophoreux: valinomycine, gramicidine Complexe III (Q-cyt C oxydoréductase): An;mycine (produit à parMr de Inhibiteurs Non- Découplants: bactéries) agissant sur ATP-synthase: Oligomycine Complexe IV (cyt C oxydase): agissant sur ATP-translocase: Atractyloside CO, cyanure, azide de sodium H2S Maladies mitochondriales Muta;on dans les gènes mitochondriaux ou nucléaires --> Dysfonc;onnement dans la phosphoryla;on oxyda;ve avec diminuVon de créaVon d’énergie et augmentaVon de la producVon des formes réacVves de l’oxygène. 56 Organes les plus vulnérables: Muscle, SN et cœur. 3- L’O2 n’est pas toujours un Ami 3-1 L’oxygène est indispensable à la vie. C’est aussi un poison ! 1- Dans la chaîne respiratoire, l’O2 subit une réducVon totale: Accepte directement 4 e à H2O Mitochondrie Source de vie cellulaire 2- mais il peut aussi y avoir des Accepteurs intermédiaires d’e (ex: O2 + 1 e à O2°- ) donnant naissance à des espèces réacVves de l’oxygène (ERO) radicalaires qui portent un e célibataire (nonapparié et très réacVf) sur leur couche externe (O2°- , OH°) ou non-radicalaire (H2O2). Très réac;fs, les ERO vont exercer des eﬀets délétères sur des molécules (lipides, protéines, acides nucléiques) qu’ils endommagent (les sucres sont plus résistants). Il y a un transfert d’evers ces molécules, des réac;ons en chaîne et une oxyda;on déﬁni;ve) Cyt c Oxydase (Complexe IV) O2 + 4H+ + 4e- ----------------------------------------> 2 H2O RéducVon quasi-instantanée de l’O2 au cours de la respiraVon sans états réduits intermédiaires Mais, il y a des imperfecNons: 2 à 5 % de l’O2 peut subir une succession de réducNons monoélectroniques - Le métabolisme cellulaire normal produit des ERO en conVnue, mais le plus souvent en faibles quan;tés (2% à 5% de la chaine respiratoire qui cons;tuent 98% des ERO). Le rôle physiologique de ceae producVon basale reste mal connu mais elle pourrait aussi avoir quelques eﬀets bénéﬁques. Certains par;ciperaient aux processus de signalisa;on cellulaire. Par ailleurs, dans les phagocytes, les ERO détruisent les par;cules ingérées (bactéries …) Pour luÇer contre les ERO excédentaires, nous disposons: - de systèmes de défense anVoxydant qui neutralisent les ERO excédentaires. - de systèmes de répara;on ou d’élimina;on des molécules endommagées. Un excès de producVon ou un déséquilibre sont à l’origine d’un Stress oxydant à dégâts irréversibles. Bcp de pathologies aigues ou chroniques seraient associées aux ERO: Athérosclérose, diabète sucré, cancer, M inﬂammatoires, Alzheimer, synd. ischémie-reperfusion. Quelques réacVons de réducVon monoélectronique et leurs conséquences O2 + 1 e O2°- radical superoxyde O2°- O2°- + O2°- SOD + °NO ---> ONOO- (anion superoxyde) peroxynitrites toxiques O2 + H202 peroxyde d’hydrogène ERO non-radicalaire Rx de Fenton H202 + Fe2+ Radical hydroxyle °OH O H (le plus réac;f, 1 e célibataire) délétère vis à vis des matériaux biologiques °OH + Fe3+ + -OH - arrache un e: °OH + Fe2+ à Fe3+ + -OH - arrache un atome d’H d’un substrat organique RH: °OH + RH à R° + H2O - se greﬀe sur une double liaison: °OH + > C = C < à >°C-C< + H20 58 57 59 3-2 Eﬀets délétères des Espèces RéacVves de l’Oxygène (ERO) AÇaque des Matériaux Biologiques Les lipides, principalement les AG polyinsaturés (AGPI) membranaires sont la cible privilégiée de OH° qui arrache un H sur les C situés entre 2 =, pour former un radical diène conjugué (1). 2- réarrangement des = puis rencontre de O2 et forma;on d’un radical peroxyle 3- Le radical peroxyle peut ac;ver à son tour un AGPI ou retour d’un H et donner un hydroperoxyde (R-OOH) ≠ O=C-OH C’est la PEROXYDATION LIPIDIQUE: début d’une cascade de réac;ons : le radical peroxyle se transforme en peroxyde au contact d’un autre AG qui forme un nouveau radical diène conjugué. 4- Les hydroperoxydes pourront ensuite con;nuer à se fragmenter en aldéhydes, acides et alcanes, éliminés par voie pulmonaires (vola;ls). La peroxyda;on lipidique est considérée comme normale quand elle reste contrôlée par des enzymes: Elle devient pathologique quand elle se propage aux molécules voisines, donne naissance à des pontages entre molécules ou à de nouvelles molécules. Les protéines (1)Les protéines les plus sensibles sont celles qui comportent un gpt sulfydryle (SH) (beaucoup d’enzyme). (2)Modiﬁca;ons d’acides aminés (agression modérée) et conjugaison. (3)(1&2) Protéines oxydées deviennent hydrophobes: -> amas associés aux lipides (;ssus âgés). (3) GlycaVon non-enzymaVque des protéines (habituellement dans hyperglycémie, diabète mal équilibré, rx de Maillard) et glycoxyda;on (glyca;on + oxyda;on) (AGE pour Advanced glycaVon end products). Ne peuvent être ni détruite ni libérées et s’accumulent dans la cellule. Vieillissement accéléré des ;ssus Les acides nucléiques Coupures de l’ADN ou muta;ons 60 1-1 Rappel structure des AG Chapitre 3: METABOLISME LIPIDIQUES (A) C n : x Δm,n,o cis n. commun et symbole Lipides EnergéVques: n. systéma;que Synthèse, Stockage et UVlisaVon des Acides Gras et Triglycérides Acide octadécadiénoïque Acide n-octadécadiénoïque Le n signale le caractère linéaire du squele8e carboné Quelques AG importants C16:0 Ac. palmiVque C18:0 Ac. stéarique AG saturés les plus répandus C12:0 Ac. laurique C14:0 Ac. myris;que Les lipides sont déﬁnis sur la base d’un critère physique commun: Peu ou pas solubles dans l’eau , Solubles dans les solvants organiques C20:0 Ac. dosocanoïque C16:1∆9 Ac. palmitoléique ω7 C18:1∆9 Ac. oléique ω9 AG essenVels C18:2∆9,12 Ac. linoléique 2ω6 Pour la classiﬁcaVon, se référer au cours de PASS (Paris-Saclay) C20:4∆5,8,11,14 Ac. arachidonique 4ω6 61 1- Rappels Selon leur nature, les lipides de l’organisme assurent diﬀérentes fonc;ons. Isolant électrique: les lipides membranaires réalisent l’isola;on électrique électrique des cellules et permeaent la cons;tu;on d’un poten;el électrique membranaire. Isolant mécanique et thermique: les graisses corporelles (TG), par exemple au niveau sous cutané. Précurseur: Certains lipides sont les précurseurs de molécules biologiquement ac;ves (cholestérol, hormones stéroïdes, Vitamines ADEK, messagers (IP3 et DAG, céramide) et modulateurs cellulaires (eicosanoïdes) C18:3∆9,12,15 Ac. linolénique 3ω3 1- Rappels 1-2 Structure et rôle énergéVque des TG gpt acyle 62 très énergéMques et très insolubles ADIPOCYTES Les lipides sont aussi des composés énergéVques. C’est cet aspect qui nous intéresse dans ce cours Les triglycérides essen;ellement stockés au niveau du Vssus adipeux (TA) sont la source d’acides gras (AG) dont l’oxyda;on complète en CO2 et H2O est très exergonique Ces TG consVtuent habituellement 10% du poids d’un adulte mais les AG qu’ils con;ennent représentent 90% des réserves énergé;ques de l’organisme. Les AG sont des molécules très réduites. Si l’équivalent de l’ énergie qu’ils représentent était stocké sous forme de sucre le poids d’un individu serait augmenté de plus de 20 Kg Les réserves énergé;que de l’organisme sont indiquées dans la dia suivante: Les réserves sous forme de Sucre & de Glycogène sont assez limitées mais elles sont facilement mobilisables: 150g/foie 300g/muscle: Remarque: Seuls le Foie, le TA et les cellules intes;nales sont capables de synthé;ser et redistribuer les TG. Les autres cellules le font pour leurs besoins propres L’u;lisa;on des Acides aminés (AA) à des ﬁns énergé;ques n’est pas habituel sauf en situaVon de jeune prolongé 63 Valeurs des réserves énergéVques moyenne d’un homme de 70kg (à Vtre indicaVf) Foie: 150 g Muscle: 300 g TA: Glycérol 1kg AG 7 kg 1g = 4kCal 1g = 9 kCal 64 2- Transport, Mise en Réserve et Devenir des AG Chez tous les mammifères, c’est le Statut Alimentaire qui régule le Transport, la mise en Réserve et l’UVlisaVon des Acides Gras 3 situaVons physiologiques Stratégie En période nourrie les AG sont mis en réserve sous forme de triglycérides (TG) essen;ellement au niveau du TA. Foie et TA peuvent les synthé;ser à par;r du Glc en excès. En période de jeûne physiologique, les TG du TA sont hydrolysés, et les produits (AG et glycérol) redistribués pour être source énergé;que. En période de jeûne prolongé, le Foie conver;ra les AG en corps cétoniques qui seront redistribués à de nombreux ;ssus comme source énergé;que. Transport 3 situaVons GesVon coordonnée - SpécialisaVon des Organes TA, Foie, Muscle, Cœur, Cerveau qui fait quoi ? - ComparVmentaVon cellulaire - Voies de régulaVon - Synthèse et dégrada;on coordonnées Insolubles dans l’eau, TG et AG doivent être transportés sous forme des lipoprotéines (chylomicrons, LDL, HDL …) ou liés à des protéines (albumine) selon leur origine 2-1 Devenir des Lipides en Période nourrie 65 « Filling » 1- TG d’origine alimentaire (intes;n) sont digérés dans l’estomac et l’intes;n par des lipases gastriques et pancréa;ques à2-MonoAcyl-Glycérol + AG, absorbés par les cellules épithéliales intes;nales. Ils sont ensuite empaquetés dans des Chylomicrons (lipoprotéines riches en TG) qui les transportent vers les organes u;lisateurs. 66 (2) Foie (1) IntesVn Acétyl CoA AG TG aliment Krebs TG 2- Si, en parallèle, il y a un excès d’apport de sucres ou d’AA, le Foie transforme cet excès en AG puis TG. Ces TG seront empaquetés dans des VLDL et libéré dans la circula;on. 3- Les TG des Chylomicrons et des VLDL seront acheminés vers les cellules endothéliales des ;ssus cibles (TA, muscle) (reconnaissance par ApoC-II) pour subir une hydrolyse par une Lipoprotéine Lipase (LPL). Glc et autres mol. énergéVques En période nourrie (Filling) Chylomicrons VLDL Triglycérides (TG) dans les chylomicrons et VLDL Sang Diﬀérentes isoenzymes de LPL sont exprimées au niveau du TA, du muscle cardiaque et du muscle squeleÉque. Au niveau du TA, les produits issus de l’hydrolyse par la LPL sont essen;ellement réassemblés en TG et mis en réserve. Au niveau du muscle, ils sont uVlisés à des ﬁns énergéVques et faiblement stockés en TG. Le Foie capte les résidus de chylomicrons débarrassés d’une grande par;e des TG. En cas de régime hyperglucidique et de réserves en glycogène sa;sfaites, il synthé;se, comme indiqué en (2), des AG à par;r des glucides. 67 AG Oxyda;on Energie (3) Muscles et coeur AG TG réserve (3) Tissu adipeux 68 2-2 Devenir des Lipides En période de jeûne (MobilisaVon = Lipolyse): En situa;on de jeûne, l’organisme puise dans ses réserves énergé;ques (réserves de TG dans le TA). Le signal est d’origine hormonal: Adrénaline et secondairement Glucagon. 1- C’est la mobilisaVon des TG de réserve (TA) comme source énergé;que, communément appelée Lipolyse est déclenchée par une Triglycéride Lipase intracellulaire Hormono-sensible (TLHS) (détaillé dans les diapos 93-95) Lipides en Période de Jeûne : Lipolyse & MobilisaVon Cerveau Acétyl CoA (ε) Foie AG (ε) Acétyl CoA CC Gluconéogenèse Glc Glycérol CC -D’autres Lipases peuvent compléter le travail. -Les AG libérés sont ici transportés dans le sang, liés à l’albumine (10 /1). On parle alors d’AG libres 2- Le Glycérol produit par la lipolyse du TA est u;lisé majoritairement par le Foie qui le transforme en G3-P (riche en Glycérol Kinase). Puis, le G3P est conver; en DAP (G3P-DH) qui entre dans la gluconéogenèse (jeûne). Lors d’un jeûne prolongé, quand les réserves lipidiques deviennent la source énergé;que majeure, le glycérol provenant de l’hydrolyse des TG du TA devient un substrat important de la gluconéogenèse hépa;que (cours J.F. Benoist). 3- Si le jeune se prolonge, le Foie va faire des corps cétoniques (CC) à parVr des AG (puis des AA). Les CC seront u;lisés par les organes périphériques en par;culier le cerveau et le coeur pour limiter les dépenses en Glc qui sera alors réservé aux organes strictement dépendants (GR). Sang Corps cétoniques (CC) AG-Albumine Glycérol AG + ( CC ) Oxyda;on Energie (ε) Lipolyse Muscle et autres Tissus 70 69 71 72 3-1 CaractérisVques La synthèse des AG se fait à par;r d’acétyl-CoA issu des glucides ou acides aminés en excès principalement au sein des cellules hépaVques ou adipeuses 3- Biosynthèse des Acides Gras 4 Etapes: (Rappel de PACES) 1- Transfert du citrate dans le cytosol par la naveae de l’acide citrique puis régénéra;on de l’acétyl-CoA dans le cytosol par l’ATP citrate lyase. L’acétyl-CoA deviendra le précurseur du Malonyl-CoA. La naveae produira une par;e du NADPH,H+ nécessaire, à l’élonga;on (3/4). Le NADPH,H+ complémentaire proviendra de la voie des pentoses phosphate Normalement, le niveau de synthèse est faible mais … Lors d’un régime hyperglucidique, les glucides en excès par rapport aux besoins énergé;ques de l’organisme et à sa capacité de stockage sous forme glucidique (glycogène) sont stockés sous forme lipidique (TG) dans le Vssu adipeux 2- CarboxylaVon des unités Acétyl-CoA en Malonyl-CoA (7x) Acétyl-CoA Carboxylase, enzyme soumise à une régula;on très D’autres substrats en excès, comme les AA, peuvent aussi contribuer à la lipogenèse importante 3-Interven;on du Complexe enzyma;que Acide Gras synthase Elonga;on par ajouts séquen;els sur un acétyl-CoA d’unités à 2 carbones dérivées des Malonyl CoA, via la succession de 4 réac;ons enzyma;ques par tour de cycle (PACES) C’et une Voie de Synthèse (Voie Anabolique), Voie Réductrice qui consomme de l’ATP et du NADPH, H+ Principalement, le Foie, le TA (et la glande mammaire en période de lactaVon) sont capables de synthéVser des AG à parVr de l’acétyl-CoA d’origine glyclolyVque ou d’AA 73 3-2 La NaveÇe de l’Acide Citrique Transfert de l’Acétyl-CoA et origine des NADPH,H+ RécapitulaVf C’est la naveae de l’acide citrique qui assure le transfert de l’actéyl-CoA mitochondrial issu du pyruvate d’origine glycoly;que (PDH) excédentaire par rapport aux besoins énergé;ques (Krebs). Une fois dans le cytosol, cet acétyl-CoA va servir à la synthèse des AG. Ceae naveae permet, en deux réac;ons, à l’acétyl-CoA de sor;r de la mitochondrie après condensa;on avec l’OA. Une fois régénéré dans le cytosol, l’OA ne peut revenir dans la mito (mb interne imperméable, pas de système de transport). Trois réac;ons sont alors nécessaires pour son retour dans la mitochondrie. Lors de ces réac;ons cytosoliques: Un NADH, H+ est réoxydé; un NADPH,H+ est synthé;sé et sera u;lisé dans le cycle d’élonga;on catalysé par l’AG synthase Rx 1: c’est la première réac;on du cyle de Krebs Rx 2: Citrate Lyase: Régénère l’acétyl-CoA dans le cytoplasme en consommant 1 ATP Rx 3: Réduc;on de l’OA en Malate par la Malate DH cytoplasmique (Consomma;on d’un NADH,H+ cytoplasmique issu de la glycolyse). Le malate repasse directement dans la mitochondrie où il redonne l’OA (MDH de Krebs (8). OU BIEN: Rx 4: Décarboxyla;on oxyda;ve de ce Malate en Pyruvate par l’enzyme malique. Ceae réac;on produit 1 NADPH,H+ et 1 CO2 Rx 5: Carboxyla;on par la pyruvate carboxylase (PC) du Pyruvate en OA: consomma;on d’1 nouvel ATP et d’1 CO2 Pour un cycle: La sor;e d’un acétyl-CoA coûtera donc 2 ATP et permeara la transforma;on d’un NADH d’origine glycoly;que en 1 NADPH,H+. Il en faut plus. Les autres seront apportés 75 par la voie des pentoses phosphate (PP) (60%) - Condensa;on - Réduc;on - Déshydrata;on - Réduc;on 8 Acétyl-CoA + 7ATP + 14 NADPH,H+ Palmitate + 14 NADP+ + 8CoA + 6 H2O + 7ADP + 7Pi 4- Au delà de 16 C (Palmitate) l’élonga;on et les désatura;ons sont des processus microsomiaux 74 La NaveÇe de l’Acide Citrique: Transfert de l’Acétyl-CoA et origine des NADPH,H+ Cytosol Mat. mitochondriale Pyruvate ATP CO2 ADP Glc AA en excès Acétyl-CoA AG Pyruvate 4 Enz malique CO2 OA NADPH, H+ NADP Malate NAD+ 1 MDH NADH,H+ Citrate Citrate Lyase 2 ATP ACC OA ADP Citrate synthase Malonyl-CoA 3 Acétyl-CoA CoA-SH Citrate 76 3-3 L’acVvaVon de l’Acétyl-CoA en Malonyl-CoA une étape essenVelle et régulée La réac;on irréversible catalysée par l’acétyl-CoA carboxylase (ACC) engage la voie de synthèse des AG. C’est l’étape majeure de la régulaVon de la synthèse des AG, catalysée par une enzyme allostérique dont le co-enzyme est la bio;ne. L’acVvaVon de l’Acétyl-CoA en Malonyl-CoA Une étape essenVelle et régulée C’est le deuxième verrou après celui de la PDH qui conduit à la forma;on d’acétyl CoA. Le mécanisme d’ac;on de l’ACC est un mécanisme « ping-pong » dans lequel certains produits sont libérés avant même que tous les substrats en soient ﬁxés sur l’enzyme a) Mécanisme (Pour Mémoire) L’ACC est une enzyme allostérique dont chaque protomère (SU) comporte 3 domaines: un domaine porteur de la Bio;ne (CP) un domaine à ac;vité Bio;ne Carboxylase et un domaine à ac;vité Transcarboxylase. Chez les animaux, Les protomères isolés sont inac;fs. l’ACC peut exister sous la forme d’un long polymère ﬁlamenteux cons;tué de nombreux protomères de 230 kD. Il y a des sites de régula;on allostérique et chaque protomère peut également être phosphorylé (régula;on par modiﬁca;on covalente) sur 8 à 10 sites. Certains sites sont régulateurs, d’autres sont silencieux. mécanisme ping-pong point de régulaNon Important CeÇe réacVon de carboxylaVon engage la voie de synthèse des AG. 7 acétyl CoA seront ainsi ac;vés en MalonylCoA pour conduire à la forma;on d’un acide palmi;que Ce Malonyl-CoA jouera un rôle capital pour coordonner les deux voies opposées de la synthèse des AG et de la β-oxydaVon, en inhibant la Carni;ne Palmityl Transferase I (CPTI) consommaVon d’un ATP puis prise en charge par le complexe AG synthase et élongaNon 77 Réaction initiale 1 fois (premier cycle) 3-4 Le cycle d’élongaVon de la synthèse des AG Les deux SU travaillent comme un robot dans une chaîne de produc;on qui emboite des pièces, les modiﬁe et les fait passer d’un point à l’autre avant d’achever la construc;on. L’Acide Gras Synthase est un complexe enzyma;que qui catalyse l’addi;on séquen;elle d’unité à 2 carbones provenant du malonyl CoA Pour la synthèse d’un Palmitate, 7 tours de cycle sont nécessaires. 7x La synthèse est une voie réductrice énergéVquement très coûteuse ! C’est sur le domaine « enzyme condensante » (CE) que se fait l’entrée du groupement Acétyl ou Acyl et sur l’ACP (acyl carrier protein) le malonyl-CoA puis les étapes de synthèse et d’élonga;on (réduc;on, déshydrata;on, réduc;on) et enﬁn transloca;on sur la CE par l’acyl transférase (AT) Remarque: L’AG synthase est surexprimée dans certains cancers du sein. Chez la souris, des inhibiteurs de l’enzyme condensante (EC) ont des eﬀets sur la croissance tumorale mais aussi sur l’appé;t et donc le poids. Ceae enzyme pourrait donc être la cible de candidats médicament an;-tumoraux mais aussi an;79 obésité. 3-4 Le cycle d’élongaVon de la synthèse des AG 7 fois (7 cycles) L’AG synthase n’a pas d’intérêt parVculier du pojnt de vue de la régulaVon de la synthèse des AG mais elle est intéressante de par son mécanisme de fonc;onnement. C’est une enzyme cons;tuée de deux sous-unités (SU), elles-mêmes organisées en trois domaines, qui travaillent en binômes et portent plusieurs ac;vités enzyma;ques (domaines 2 et 3). L’avantage est une très grande stabilité, une coordina;on des ac;vités cataly;ques qui sont ordonnées et pas diluées. Les substrats intermédiaires sont séquestrés et ne peuvent être détournés au proﬁt d’autres réac;ons 78 8 Acétyl CoA + 7 ATP + 14 NADPH,H+ Palmitate + 14 NADP+ + 8CoA + 6H2O + 7ADP + 7Pi Bu;ryl-ACP 80 3-5 RégulaVon de la synthèse des AG dans le Tissu Adipeux 3-5-2 L’Acétyl-CoA Carboxylase (ACC): C’est le Point de RégulaVon Majeur qui engage la voie de Biosynthèse des AG La synthèse des AG va dépendre de la disponibilité en substrats et sera régulée EXCLUSIVEMENT au niveau de l’Acétyl-CoA carboxylase (ACC) 3-5-1 Disponibilité en Substrats d’Origine Glucidique - Acétyl-CoA issu du Pyruvate d’origine glycoly;que Rx irréversible Double Contrôle: allostérique et covalent - ATP produit par l’oxyda;on de l’Acétyl-CoA d’origine glucidique dans le cycle de Krebs Allostérique : - NADPH, H+ provenant pour moi;é de la voie des Pentoses Phosphate et le reste de la ModiﬁcaVon covalente par PhosphorylaVon réversible : La disponibilité de l’ensemble de ces substrats est sous le contrôle de l’insuline, hormone de l’état post-prandiale, qui facilite la pénétraMon du glucose dans l’adipocyte. Le transporteur GLUT 4 de faible aﬃnité est insulinodépendant, il va favoriser la captaMon du Glc excédentaire par le TA, puis la glycolyse. Le niveau énergéMque de la cellule est élevé et l’excès de citrate formé par Krebs peut sorMr de la mitochondrie. 81 InacMvaMon par phosphorylaMon via une protéine kinase AMPc-dépendante (PKA) sous contrôle hormonal: Glucagon en période de jeûne ou Adrénaline en période d’acMvité musculaire réac;on catalysée par l’enzyme malique (naveae de l’acide citrique) 3-5-2 L’Acétyl-CoA Carboxylase (ACC): L’ACC est le centre de Régula;on de la synthèse des AG. Au repos, l’ACC est un protomère inac;f parce que phosphorylé par des kinases sensibles à des signaux hormonaux ou au niveau énergé;que de la cellule. L’ACC est soumise à un double contrôle (allostérique et covalent) -A court terme et dans tous les Vssus: La disponibilité en substrats d’origine glucidique est le facteur de régula;on prédominant. L’ACC va être ac;vée par le citrate cytosolique qui signale un niveau énergé;que élevé de la cellule. L’ACC s’agrège alors en une forme ﬁlamenteuse acVve. Inversement, la rx est inhibée par des concentra;ons élevées de palmityl-CoA, les AG terminaux (rétroinhibi;on) ainsi que par les AG exogènes libres d’origine nutri;onnelle. -Par ailleurs, des signaux globaux extracellulaires qui reﬂètent l’état énergé;que de tout l’organisme: vont exercer une régula;on par modiﬁcaVon covalente (Phosphoryla;on réversible). A- En période Post Prandiale, une protéine phosphatase PP2A, sous contrôle de l’insuline, déphosphoryle l’ACC. La forme déphosphorylée est très sensible au citrate. Elle polymérise facilement et devient très ac;ve. B- Inversement, l’ACC pourra être phosphorylée par des kinases agissant sur diﬀérents sites de phosphoryla;on. Ces kinases sont: à Une protéine kinase AMPc dépendante (PKA) sous contrôle hormonal (glucagon en période de jeûne) (Adrénaline en période d’acVvité musculaire) à Une Kinase AMP dépendante (AMPK) qui joue le rôle d’une jauge d’énergie, ac;vée par 83 l’AMP, et inhibée par l’ATP). (+) Citrate et Isocitrate (-) Acyl-CoA libre à longue chaîne (C16 et C18) InacMvaMon par phosphorylaMon via une protéine kinase AMP dépendante (AMPK), sorte de « sonde » métabolique, acMvée par l’AMP en réponse à un stress énergéMque, déﬁcit en Glc, exercice physique, ischémie AcMvaMon par déphosphorylaMon (Insuline) 82 Double contrôle: ModiﬁcaVon Allostérique et ModiﬁcaVon Covalente ACC protomère phosphorylé inac;f (glucagon, adrénaline, AMP) non- phosphorylé inac;f P OH kinases I ATP I Au repos: ACC protomère I P Citrate + Acyl-CoA + P P P I I I Phosphatase (PP2A) (insuline) Citrate Acyl-CoA + OH OH OH I I I I I I OH OH OH I I I P P P ACC polymère Phosphorylé peu acVf Acétyl-CoA d’origine glucidique I OH H2O ACC polymère Non-phosphorylé acVf Cytosol Malonyl-CoA 84 Ainsi, dans le TA en Période Post-Prandiale Ainsi, dans le TA en Période de Jeûne ou d’AcVvité Physique La Synthèse des AG est déclenchée par: La Synthèse des AG est inhibée car: - La Charge Glucidique : Krebs, [ATP] , Inhibi;on de l’IDH (rx 3), à Accu de Citrate dans la mitochondrie puis dans le cytosol. -La baisse rela;ve de la glycémie freine la produc;on d’insuline avec comme conséquence une baisse d’expression de GLUT4. Le Glc n’est plus disponible, baisse de la [Citrate]. - [Citrate] et [ATP] inhibent la PFK1 (glycolyse) Une par;e du G6P est dévié vers la voie des PP productrice de NADPH, H+. -L’ Adrénaline et le glucagon ac;vent la PKA et favorisent la phosphoryla;on de l’ACC, elle même, très sensible à l’inhibi;on allostérique par les acyl CoA à longue chaîne libérés par l’hydrolyse des TG (lipolyse). - [Citrate] ac;ve par;ellement la forme phosphorylée de l’ACC en la polymérisant et ini;e la synthèse d’AG. L’acMon conjuguée des AcylCoA et du Glucagon ou de l’Adrénaline favorise la forme protomérique, phosphorylée et inacMve de l’ACC -L’Insuline ac;ve la PP2A qui déphosphoryle l’ACC. Plus sensible au Citrate, l’ACC déphosphorylée passe instantanément sous forme mulVmérique pleinement acVve. - En outre [AMP] L’acMon conjuguée du citrate et de l’insuline favorise la forme polymérique, nonphosphorylée et pleinement acMve de l’ACC renforce l’inac;va;on de l’ACC via l’AMPK. -Concernant la β-oxydaMon, la diminuMon de [Malonyl CoA] lève l’inhibiMon de la CPT1 et accélère l’entrée des Acyl CoA dans la mitochondrie ou ils subiront la β-oxydaMon -Concernant la β-oxydaMon, l’augmentaMon de [Malonyl CoA], inhibe la CPT1 et l’entrée des AG dans la mitochondrie. La β-oxydaMon est donc inhibée (dia 109). 85 86 Ainsi, dans les Tissus consommateurs d’acides gras (muscle et cœur) en Période de Jeûne ou d’AcVvité Physique Les AG libérés du ;ssu adipeux par l’ac;on du glucagon ou de l’adrénaline inhibent (sous forme d’Acyl-CoA) l’Acétyl-CoA carboxylase (ACC) ce qui abaisse la concentra;on de Malonyl-CoA et lève ainsi l’inhibi;on dela CPT1. La conséquence est une accéléra;on de l’entrée des Acyl CoA dans la mitochondrie où ils subiront la β-oxyda;on. Au niveau des muscles, le malonyl-CoA issu de la réac;on catalysée par l’ACC n’a qu’un rôle: inhiber la CPT1. Il n’est pas utlisé dans la voie de synthèse des AG qui est extrêmement faible, voire nulle au niveau des cellules musculaires. 87 88 3-6 ÉlongaVon et insaturaVon des AG 3-7 Synthèse des TG et Mise en Réserve Le produit de l’AG synthase est le palmitate (C16). - Après leur synthèse, principalement au niveau du TA et du Foie les AG sont assemblés en triglycérides (TG) dans deux perspec;ves diﬀérentes: à Au delà de 16C: Chez les eucaryotes d’autres enzymes catalysent les réac;ons d’élonga;on à par;r du palmitate: dans les mitochondries ou dans le RE. - Les adipocytes, cellules du TA, sont spécialisés dans la synthèse des TG et leur stockage à long terme. Dans les adipocytes, les TG sont sous forme de vésicules cytosoliques entourées d’une membrane lipidique et de périlipine.Les adipocytes sont également capables d’hydrolyser le TG en glycérol et AG (ce processus est la lipolyse) à Et pour les AG insaturés: Des enzymes du RE permeaent d’ajouter une double liaison entre le C9 et le C10 des acides palmi;que (C16:0) et stéarique (C18:0) pour donner l’Ac. palmitoléique C16:1∆9 et l’Ac oléique C18:1∆9. Seuls les végétaux et certains microorganismes sont capables de synthé;ser les ω3 et les ω6 et - Le Foie produit des TG pour cons;tuer les lipoprotéines plasmaVques (VLDL) et les exporter plutôt que pour les stocker. Remarque: Le cœur et les muscles squeleÉques stockent également quelques (peu) TG mais pour leurs besoins propres. l’Ac linoléique C18:2∆9,12 2ω6 l’Ac linolénique C18:2∆9,12,15 3ω3 La synthèse des TG se fait dans le ré;culum endoplasmique en trois étapes Ces deux AG sont dits AG indispensables, ils doivent être apportés par l’alimenta;on. Ils serviront de point de départ à la synthèse d’autres AG polyinsaturés tels que - l’Ac arachidonique C20:4∆5,8,11,14 (4ω6) - l’Ac Eicosapentaénoïque C20:5∆5,8,11,14,17 (5ω3) Glycérol-3P (G3P) + Acyl-CoA à Pour les AG à (2n+1) C: La synthèse se fait à par;r du propionyl-ACP (rare). Lysophospha;date Phospha;date DiacylGlycérol Acyl-CoA Acyl-CoA TG 89 91 90 92 4-OxydaVon des Acides Gras Source énergé;que (NADH, FADH2) en aérobiose dans la plupart des ;ssus à l’excepVon des Vssus gluco-dépendants (cerveau, GR) Lieu: Dans la mitochondrie des cellules hépa;ques et du muscle cardiaque en aérobiose. A un moindre degré : muscle squeleÄque, reins et tes;cules Nourri, Jeûne / Eﬀort, Repos AcVvité: Elle dépend du statut métabolique: Source énergéVque: - Majeure pour Cœur et Muscle squeleÉque au repos - En période de jeûne physiologique/prolongé, le Foie conver;t les Acétyl-CoA issus de l’oxyda;on des AG en Corps Cétoniques qui deviendront progressivement (48h) une source énergé;que majeure pour d’autres ;ssus. La β-oxydaVon n’est pas l’inverse de la synthèse des AG Elle n’est pas directement régulée, mais c’est l’entrée des Acyl-CoA dans la mitochondrie qui est contrôlée 93 4-1 Origine et Devenir des TG 94 4-1 Origine et Devenir des TG Réserves TG Les AG qui subissent la β-oxydaVon ont plusieurs origines possibles selon la situaVon métabolique: a) TG lipases intracellulaires hormonosensibles TLHS -En période nourrie, les TG provenant de l’intes;n (alimenta;on), transportés dans le sang sous la forme de lipoprotéines Chylomicrons seront sources d’AG -En période de jeûne, les AG proviendront de la lipolyse des TG de réserve qui a lieu dans le TA. Ces TG endogènes sont hydrolysés en Glycérol et AG. Le glycérol gagne le Foie pour être transformé en DAP et entrer dans la gluconéogenèse. Les AG sont véhiculés vers le Foie liés à l’albumine du sang (on parle d’AG libres). -Les AG peuvent également provenir de TG locaux (foie et muscle) mais toujours en quan;té faible. gluconéogenèse lipoprotéines lipases AlimentaVon membranaires TA, muscle TG // (Chylomicrons) (Tissus adipeux) Glycérol-kinase G3P-DH Glycérol c) (Foie) b) sang DAP dihydroxyacétone-P AG- albumine (« AG libres ») FOIE c) corps cétoniques Redistribu;on des AG aux ;ssus qui en ont besoin (VLDL) État nourri SituaVon de jeûne 95 DégradaVon / OxydaVon mais pas dans les organes gluco-dépendants (GR) ou cerveau 96 4-1-2 MobilisaVon (uVlisaVon) des TG de réserve (Jeûne / eﬀort longue durée) 4-1-1 Les TG d’origine alimentaire « Filing » -Dans la lumière intes;nale les TG d’origine alimentaire sont solubilisés sous forme de micelles (sels bilaires) puis exposés à des lipases pancréa;ques et digérés en 2 AG et un monoacylglycérol. Les ;ssus périphériques ont accès aux réserves d’énergie lipidiques du ;ssus adipeux par un processus en 3 étapes: a) (adipocyte, triglycéride lipase intracellulaire hormonosensible TLHS) Ces produits sont absorbés par la membrane plasmique. -Dans les cellules de la muqueuse intes;nale, les TG sont resynthé;sés (acyl transférases) et inclus dans des par;cules de transport (chylomicrons). Lipolyse ou hydrolyse des TG par des lipases intracellulaires en 3 AG + Glycérol b) Glycérol et AG passent ensuite dans le sang c) Glycérol gagne le Foie où il sera conver; en dihydroxyacétone-P et entrera dans la gluconéogenèse. -Les chylomicrons sont ensuite libérés dans la lymphe et le sang. lls se ﬁxeront aux lipoprotéines lipases membranaires essen;ellement au niveau du Vssus adipeux et du muscle. Les AG seront solubilisés en se liant à l’albumine et transportés vers le FOIE (organe répar;teur) qui les redistribue aux ;ssus u;lisateurs (muscle, myocarde) dans lesquels ils seront oxydés -Là, les TG sont à nouveau dégradés en AG et monoacylglycérol pour être transportés dans le ;ssus. Les TG sont resynthé;sés à l’intérieur de la cellule et mis en réserve (;ssus adipeux). AÇenVon: Ils ne seront u;lisés ni par le cerveau (il n’y entrent pas), ni par les globules rouges (n’ont pas de mitochondries), ni la médullaire rénale (peu d’oxygène) -Les restants de chylomicrons seront ensuite captés par le Foie et dégradés 97 98 MobilisaVon des Triglycérides dans l’Adipocyte Ac;va;on de la Triglycéride Lipase Hormono Sensible (TLHS) par les Catécholamines La lipolyse est sVmulée par des hormones telles que l'adrénaline, la noradrénaline, l'hormone de croissance et le corVsol. Récepteurs β-adrénergiques (lipoly;ques) Ces hormones ac;vent des récepteurs couplés aux protéines G, lesquels s;mulent la produc;on d'AMPc par l'adénylate cyclase. L'AMPc, messager secondaire, ac;ve à son tour la protéine kinase A qui phosphoryle la périlipine et la TLHS. Protéines G La périlipine phosphorylée se détache alors des gouaeleaes lipidiques et rend possible la transloca;on de la TLHS phosphorylée ac;ve à la surface des gouaeleaes lipidiques pour hydrolyser les TG. Les Catécholamines ac;vent la PKA via l’AMPc Ainsi, AG et Glycérol peuvent être libérés et exportés Le Glycérol gagnera le Foie pour y subir la GNG, Les AG seront exporté après liaison à l’albumine sérique (10:1) (on parle d’AG libres) qui rejoindront les ;ssus où ils subiront la β-oxyda;on. AÇenVon, ces AG ne gagneront ni le cerveau (barrière); ni le GR (pas de Mitochondrie); ni la médullaire rénale (peu d’O2). 99 T T transloca;on TLHS: Lipase HormonoSensible gouaeleae de TG 100 4-2-1-1 Etape préalable à la β oxydaVon 4-2- DégradaVon des AG 4-2-1 Mécanisme général 90 % du catabolisme des AG se fait via β oxyda;on mitochondriale (hélice de LYNEN). C’est un métabolisme aérobie et oxydaVf, source d’énergie dans la plupart des ;ssus, principalement le muscle, le cœur et le foie mais jamais dans le cerveau (les AG ne franchissent pas la barrière hémato-méningée) ni dans le globule rouge (GR) qui ne possède pas de mitochondrie. On peut dis;nguer deux phases: la première est une ac;va;on des AG sous forme d’acyl-CoA et leur passage contrôlé dans la mitochondrie. La deuxième phase est la β oxyda;on mitochondriale proprement dite cons;tuée de 4 étapes par cycle, qui libère du NADH, H+ et du FADH2 qui devront être réoxydés via la chaîne respiratoire pour produire de l’ATP. 4-2-1-1 Passage des AG du cytosol dans la mitochondrie Préalablement à la β oxyda;on, les AG à longue chaîne sont ac;vés en Acyl-CoA sous l’ac;on de l’Acyl-CoA synthétase intégrée dans la membrane externe de la mitochondrie, avec consomma;on de 2 liaisons riches en énergie (ATP à AMP + 2 Pi) Ils sont ensuite pris en charge par un système de transport qui fait intervenir la carniVne (transfert) et trois enzymes: une acyl-carni;ne transférase I (CPT1) de la membrane externe, une acyl-carni;ne translocase et une acyl-carni;ne transférase II (CPTII) (dia 99). Les AG à chaîne courte et moyenne (≤12 C, peu nombreux) ne nécessitent pas de système de transport. - AcVvaVon des AG à Acyl-CoA (- 2≈) - Transfert sur la carniVne - LibéraVon de l’acyl-CoA dans la mitochondrie 4-2-1-2 β oxydaVon des AG à nombre pair de carbones - DéshydrogénaVon - HydrataVon Chaque tour libère 1 Acétyl-CoA, - OxydaVon 1 NADH, H+ et 1 FADH2 - Thiolyse Passage des AG à longue chaîne (>12 C) à travers la mb mitochondriale Ainsi, les acyl-CoA se retrouvent dans la matrice mitochondriale où ils peuvent subir la β oxyda;on. 101 Dans ceae étape préalable, se trouve le point de contrôle capital qui ouvre la voie à la β oxyda;on: La CPT1, une enzyme qui est inhibée par le Malonyl-CoA cytosolique (premier produit de la voie de synthèse des AG) de sorte que les deux voies ne peuvent être ac;ves simultanément. 102 CPT2 X X CPT1 CPT1 si n > 12 souvent palmityl CoA liaison ester Contrôle: Le malonyl-CoA (1er intermédiaire de la synthèse des AG) est un inhibiteur allostérique de la CPT1. Ainsi, si dans le cytosol la synthèse des AG est ac;ve, il y a un frein à leur dégrada;on en limitant leur entrée dans la mitochondrie CPT2 103 CPT: CarniVne Palmityl Transférase 104 4-2-1-2 β oxydaVon des AG à 2n C 4-2-1-2 β oxydaVon des AG à nombre pair de carbones (2n C) Acide palmi;que La β oxyda;on ou hélice de Lynen consiste en 4 réac;ons mitochondriales successives qui abou;ssent à l’élimina;on de 2C sous forme d’un acétyl-CoA et un Acyl-CoA résiduel à n-2 C Aucune des 4 étapes n’est régulée: (étape d’acMvaMon) Etape 1) DéshydrogénaVon oxydaVve par des Acyl-CoA deshydrogénases qui conduisent à la forma;on d'un Enoyl CoA avec une double liaison trans ∆2. Ces déshydrogénases sont des ﬂavoprotéines. Le FAD réduit (FADH2) lié à l'enzyme transfert des électrons à l'ubiquinone de la chaîne respiratoire via d'autres ﬂavoprotéines. Ainsi, deux ATP peuvent être obtenus pour une double liaison formée. extra-mitochondrial intra-mitochondrial dernier tour Etape 2) HydrataVon de la double liaison trans en 3-L-hydroxy acylCoA par une énoyl-CoA hydratase. Ceae réac;on est stéréospéciﬁque. Etape 3) OxydaVon du C3 catalysée par une déshydrogénase à NAD. Ceae enzyme est spéciﬁque de la forme L et conduit à un cétoacyl-CoA et un NADH, H+ qui permeara la forma;on de 3 ATP en étant réoxydé par la chaîne respiratoire. Etape 4) Thiolyse: Une acétyl-CoA acétyl transférase catalyse la rupture par thiolyse de la liaison C2-C3. Les produits sont un acyl-CoA à n-2 carbones et un acétyl-CoA suscep;ble d’entrer dans le cycle de Krebs ou de conduire à la synthèse des corps cétoniques selon la situa;on physiologique supplémentaires β-cétothiolase 105 Ce processus a un rendement de l’ordre de 40 % par rapport Bilan énergéNque de la β-oxydaNon du palmitate (C16:0) Palmityl-CoA + 7 FAD + 7 H2O + 7 NAD+ à la varia;on d’énergie libre de la réac;on. Ceci est comparable + 7 CoA-SH à ce qui est observé pour la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire. 7 tours 8 Acétyl-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH, étape 4 étape 1 106 Cependant, comme les TG comportent plus d’atomes de C par H+ unité de masse que les polyosides, ils consMtuent une réserve énergéMque étape 3 plus importante pour un poids bien plus faible (plus réduits et plus anhydres). puis, dans le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire (oxydaMon phosphorylante): 1 FADH2 --> 2 ATP X7 = 14 ATP 1 NADH, H+ --> 3 ATP X7 = 21 ATP 1 acétyl-CoA --> 12 ATP X8 = 96 ATP ac;va;on de l’AG Intérêt … On notera également que la mobilisa;on des AG est plus lente que celle des glucides. Cela pour deux raisons: = - 2 ≈ Bilan énergéVque = La mobilisa;on des TG est régulée exclusivement par des mécanismes covalents (pas d’allostérie) et, elle nécessite des échanges inter-organes. 129 ATP 107 108 4-2-1-3 β oxydaVon dans les peroxysomes 4-2-1-4 β oxydaVon des AG à nombre impair de C (2n+1) C La β oxydaVon des AG saturés à longue chaîne voire à très longue chaîne (>22C) peut également s’opérer dans les peroxysomes. Ce processus concerne environ 10% des AG mais ici la réoxyda;on des coenzymes n’est pas couplée à la chaîne respiratoire. Le processus ne génère donc pas d’ATP. Pour info Les AG à nombre impair de C sont minoritaires. Ils sont le plus souvent d’origine végétal. Au dernier cycle, ils donneront un propionyl-CoA qui sera carboxylé avant d’entrer dans le cycle de Krebs COOH Acyl-CoA Enoyl-CoA Ce processus n’est pas couplé avec la chaîne respiratoire Il ne génère donc pas d’ATP 109 4-2-1-5 β oxydaVon des AG insaturés Prenons l’exemple de l’acide oléique C18:1 (9) Après 3 tours d’hélice et éliminaMon de 3 acétyl-CoA la double liaison n’est pas en phase dans la dégradaMon (Δ3 entre le C3 et le C4). Le déplacement de ce8e = est eﬀectué par une énoyl-CoA isomérase --> Δ2 qui en change également la conﬁguraMon à Trans Δ2 énoyl-CoA La β oxydaMon se poursuit ainsi 1 tour d’oxydaVon sans formaVon de FADH2 COOH CO2 Pour info 4-2-1-6 ω oxydaVon Pour info Habituellement mineure, sauf en période de jeûne poussé quand la β-oxyda;on est dépassée. O 9 8 110 - Localisa;on hépa;que (RE) 7 énoyl CoA isomérase - Oxyda;on sur le -CH3 en ω - Libéra;on d’acides dicarboxyliques qui seront β-oxydés jusqu’aux acides subérique (C8), adipique (C6) excrétés dans les urines. 9 8 7 l’étape 1 (Déhydrogénase à FAD) est court-circuitée 111 112 4-2-2 « RégulaVon » de la β oxydaVon La β oxydaVon est donc la voie majeure d’oxyda;on des AG et ses réac;ons ne sont pas régulées. C’est l’entrée des Acyl-CoA dans la matrice mitochondriale qui est contrôlée au niveau de la Carni;ne Acyl Transférase I (CPT1). Celle-ci est inhibée par le malonyl-CoA, intermédiaire de la synthèse des AG issus de l’acétyl-CoA d’origine glycolyVque (dia 77-78). O -OOC - CH2 - C ~ S-CoA β oxydaVon et synthèse des AG ne peuvent avoir lieu simultanément cytoplasme (lieu de synthèse des AG) X CPT1 113 4-2-3 Devenir des Acétyl-CoA issus de la β-oxydaVon L’Acétyl-CoA ne diﬀusent jamais à l’extérieur d’une cellule. Il n’y en a pas dans le sang. S’il est issu de l’oxydaVon des AG, plusieurs devenir sont possibles: 1) Entrée dans le cycle de Krebs si la cellule a besoin d’énergie et si l’apport en O2 est adapté. Cela dépend également de la disponibilité de l’OA. Par exemple, en ﬁn de jeûne physiologique, l’OA sera u;lisé par la gluconéogenèse et donc indisponible pour Krebs. 2) En période de jeune prolongé. L’OA manque et la dégrada;on des graisses prédomine. Dans le foie (organe répar;teur), l’OA est dévié vers la gluconéogenèse et l’acétyl-CoA d’origine lipidique va être orienté vers la formaVon des CC: molécules énergé;ques produites exclusivement par le Foie mais essen;elles à certains ;ssus (cœur, rein, cerveau). 3) Synthèse de lipides isopréniques quand l’apport énergé;que est adapté (processus anabolique coûteux sur le plan énergé;que et consomma;on de NADPH, H+) Il est important de noter que les animaux vertébrés sont incapables de converVr les AG en Glc. L’acétyl-CoA issus de la β-oxyda;on ne peut être conver; ni en Pyruvate ni en OA chez les animaux 115 114 5-1- Généralités: Les corps cétoniques (CC) sont au nombre de trois: Acétoacétate, β-hydroxybutyrate et acétone. Ils dérivent de l’acétyl-CoA issu de la β-oxyda;on ou de la dégrada;on des acides aminés cétogènes mais jamais des glucides. 5- Biosynthèse et Devenir des Corps Cétoniques Acétoacétate β-Hydroxybutyrate Acétone (vola;l) Ce sont des produits normaux du métabolisme, synthé;sés exclusivement au niveau du Foie, présents dans le sang à l’état de traces mais leur concentra;on augmente dans le jeûne prolongé ou dans des situa;ons pathologiques de carence en glucose comme le diabète insulinodépendant. CH3 - CO - CH2 - COOH CH3 - CHOH - CH2 - COOH CH3 - CO - CH3 Les CC cons;tuent une source énergéVque de subsVtuVon capital en période de jeûne prolongé. Par exemple, le CERVEAU qui représente 2% poids corporel consomme en situa;on normale 120g de Glc/24h quelque soit sont ac;vité pour le main;en des poten;els de membrane indispensables à l’inﬂux nerveux, mais le cerveau ne dispose que de 10 min de réserves énergé;ques (et le foie 100g de réserve de glycogène environ). Les AG ne traversant pas la barrière hématoméningée, le cerveau, en période où le Glc et ses formes de réserve (glycogène) viennent à manquer, doit donc trouver une source énergé;que de subs;tu;on: Ce sont les CC, synthé;sés au niveau du foie, forme de transport hydrosoluble des unités acétyles, qui seront captés par les ;ssus. Ceae stratégie permet de préserver le peu de Glc disponible au proﬁt des organes glucodépendants stricts comme le Globule rouge. Source énergéVque de subsVtuVon 117 5-1- Généralités: L’acétyl-CoA issu des AG n’entre dans le cycle de Krebs (c. amphibolique) que si la dégrada;on des sucres et celle des lipides sont équilibrés. Souvenez vous que la disponibilité de l’autre substrat (OA) dépend d’un apport approprié en Glucides. Au moment où le Glc vient à manquer… Le pyruvate ne recharge plus le cycle de Krebs en acétyl-CoA (PDH inhibée). L’OA est détourné vers la gluconéogenèse (Foie) au proﬁt des ;ssus glucodépendants car tous les ;ssus n’ont pas accès aux AG. Ainsi, quand l’[OA] est trop basse (gluconéogenèse) et que les coenzymes d’oxydoréduc;on réduit (NADH,H+ et FADH2) se sont accumulés (β-oxyda;on) le cycle de Krebs ralen;t. C’est le cas en situa;on de jeûne prolongé où le rapport insuline/glucagon est bas. L’acétyl-CoA issu de la β-oxyda;on est alors majoritairement orienté vers la synthèse hépa;que des CC (on ne synthé;se pas de sucre à par;r des AG). 118 5-1- Généralités: Foie (1) Glucose (3) mobilisaVon des TG Acides Gras (2) cert. acides aminés Pyruvate X insuline / glucagon bas Acétyl-CoA gluconéogenèse OA Parallèlement, les TG du TA (réserves) sont mobilisés. La lipolyse est ac;vée et les AG libres sont captés par le Foie, entrent dans le cytoplasme de l’hépatocyte, traversent la mb mitochondriale et subissent la β-oxyda;on. L’acétyl-CoA issu de l’oxyda;on de ces AG est donc orienté vers la synthèse des CC qui ont un double avantage: Une origine lipidique (95% des réserves énergé;ques de l’organisme sont des lipides) ET une facilité d’emploi énergé;que puisque les CC sont hydrosolubles, facilement 119 exportés et transportés par le sang et traversent la barrière hémato-méningée. bcp de coenzyme d’oxydo-réducMon réduit eﬀet inhibiteur sur Krebs HMG CoA Corps cétoniques Krebs FOIE 1) SituaVon de Jeûne, apport glucidique insuﬃsant: Krebs ralen;t, OA issu du pyruvate d’origine glucidique baisse, OA issu de la dégrada;on des AA est dirigé vers la gluconéogenèse (;ssus gluco-dépendants). 2) AA cétoformateurs et glucoformateurs ou cétoformateurs stricts: faible rôle ici. 120 L’essenVel à propos des CC Les corps cétoniques (CC) dérivent de l’acétyl-CoA Forme de transport des unités acétyl, soluble dans l’eau. C’est quoi? Ils sont 3: Acétoacétate, β-Hydroxybutyrate, Acétone Pourquoi? Normalement le Glc et les AG couvrent les besoins énergé;ques de l’organisme. Mais, quand le Glc vient à manquer… -il y a la gluconéogenèse au proﬁt des ;ssus glucodépendants (GR) -il y a les AG, mais tous les ;ssus n’y ont pas accès (ex.cerveau) Alors, l’apport énergéMque est complété par les CC qui ont un double avantage: Une origine lipidique et la facilité d’emploi énergéMque du Glc (hydrosoluble et très diﬀusible). Où et quand? -Synthèse (cétogenèse) exclusivement dans le Foie. -UVlisaVon (cétolyse) dans les Vssus extra-hépaVques (cœur, cerveau, muscle, rein). Jamais dans le Foie - l’une et l’autre dans la mitochondrie (donc jamais dans le GR) Cétogenèse habituellement faible sauf dans certaines circonstances nutri;onnelles (jeûne prolongé), pathologiques (diabète sucré insulinodépendant) ou périnatale (aux dépens des AG et des AA cétoformateurs) 121 122 5-2- Cétogenèse hépaVque: La synthèse des CC est exclusivement hépaVque. Elle est habituellement très faible mais augmente considérablement dans des situa;ons pathologiques ou en période de jeûne prolongé (10/15 heures). Les RéacVons 1- condensa;on de 2 acétyl-CoA issus de la β-oxydaVon ou des AA (rx réversible, inverse de l’étape 4 de la β-oxyda;on, même enzyme) 2- condensa;on avec une troisième molécule d’acétyl-CoA conduisant à l’HMG-CoA catalysée par l’HMG-CoA synthase, Enzyme EXCLUSIVEMENT hépaVque. 3-clivage en acétyl-CoA et acétoacétate dont une par;e passe dans le sang et diﬀuse vers les ;ssus extrahépa;ques. RéacVon catalysée par l’HMG-CoA Lyase EXCLUSIVEMENT hépaVque et rénale qui conduit au premier CC: l’acétoacétate. Puis l’acétoacétate peut être transformé : 4- soit par la D-3-hydroxybutyrate déshydrogénase, enzyme très ac;ve dans le Foie. Le rapport OH-butyrate/Acétoacétate dans le sang reﬂète le niveau de NADH/NAD mitochondriale hépa;que. En période de Jeûne il est élevé car la β-oxyda;on produit du NADH (après une nuit rapport 3/1) et Krebs/ch. respiratoire tournent peu (pas d’OA donc pas de régénéra;on via la chaîne respiratoire) Cétogenèse: RéacNons dans les mitochondries FOIE 1 2 HMG-CoA synthase HMG-CoA lyase 123 3 4 CH3CO∼S-CoA 5 Spontanée 5- soit par décarboxyla;on en acétone et élimina;on par voie pulmonaire. Ceae réac;on est spontanée (haleine caractéris;que du jeûne). Elle est négligeable sauf si diabète céto-acide sévère. L’acétone est le seul des 3 CC à n’avoir aucune valeur énergé;que. Ainsi, la synthèse des CC va permeÇre de préserver le peu de Glc disponible au proﬁt des organes glucodépendants stricts comme le GR (qui ne dispose pas de mitochondries) reins Acétoacétate HMG-CoA synthase: exclusivement hépaVque HMG-CoA lyase exclusivement hépaVque et124 rénale 5-3 UVlisaVon des corps cétoniques: 5-3 UVlisaVon des corps cétoniques: Les CC synthé;sés par le Foie sont hydrosolubles facilement transportés par le sang à l’état libre. Ils peuvent ainsi rejoindre les ;ssus périphériques. Ils y seront alors dégradés en AcétylCoA dans la mitochondrie selon le processus suivant: àLe β-hydroxybutyrate est oxydé en acétoacétate avec forma;on de NADH, H+ qui rejoint la chaîne respiratoire (β-hydroxybutyrate déshydrogénase). à L’acétoacétate est ac;vé en acétoacétyl-CoA par la succinyl-CoA transférase (SCOT), enzyme absente des cellules hépaVques. L’absence de ceae enzyme dans le Foie fait qu’il ne peut consommé les CC pour ses propres besoins (le Foie est un organe altruiste!) à Enﬁn, une thiolase clive l’acétoacétyl-CoA en 2 acétyl-CoA. Cétogenèse: Mito Foie AG (2/3), AA (1/3), Cétolyse: Mito: Muscle, Cerveau, autres Vssus Glc Cycle de Krebs 2 Acétyl-CoA thiolase CoASH 2 Acétyl-CoA Acétoacétyl-CoA HMG CoA synthase Acétyl CoA thiolase CoASH HMG CoA Lyase Les hépatocytes qui ne disposent pas de l’enzyme SCOT sont incapables d’uVliser les CC Le GR qui ne dispose pas de mitochondries. Il est donc gluco-dépendant strict. 125 Succinyl CoA Transférase (SCOT) Acétyl CoA Succinyl CoA (co-substrat) NADH, H+ NADH,H+ NAD+ Succinate Acétoacétate Acétoacétate β HO-butyrate DH CoASH Acétoacétyl-CoA HMG-CoA Ainsi, lorsque l’apport glucidique aux cellules est insuﬃsant (jeûne prolongé), les CC prennent le relais, le Glc étant réservé aux Vssus gluco-dépendants stricts (GR). Le muscle cardiaque, les muscles squeleÉque et le cerveau s’adapteront en 2 à 3 jours. Source d’énergie β HO-butyrate DH NAD+ β hydroxybutyrate β hydroxybutyrate 126 Au niveau des mitochondries des cellules hépaVques Acétyl CoA 5-4- RégulaVon de la Cétogenèse « le verrou de l’insuline ! »: àVerrouillage de la PDH par l’acétyl-CoA provenant de la β-oxyda;on Il n’y a pas de régulaVon directe de la cétogenèse mais son intensité dépend du rapport insuline/glucagon. La diminuVon de ce rapport provoque la lipolyse dans le Vssu adipeux (TLHS acVvée) et l’apport en AG au Foie, précurseurs majoritaires des corps cétoniques de la Pyruvate carboxylase Oxaloacétate (OA) - Le taux d’OA issu du Pyruvate d’origine glucidique baisse. Krebs ralen;t. àAcVvaVon par l’acétyl-CoA provenant de la β-oxyda;on à Gluconéogenèse -l’ACC est inhibée par les Acyl-CoA (AG) issus de la lipolyse et la baisse du Insuline / Glucagon - DiminuVon [Malonyl CoA] lève l’inhibi;on de la CPT1. Les Acyl CoA entrent dans la mitochondrie et sont oxydés en Acétyl-CoA 127 et La catabolisme des AA accroit la disponibilité en Acétyl-CoA et pyruvate - La Pyruvate Carboxylase ac;vée par l’acétyl-CoA d’origine lipidique et l’OA néoformé est orienté vers la gluconéogenèse. - La réac;on OA à Malate est favorisée par le NADH, H+ (β-oxyda;on) En Vert: voir cours J.F. Benoist 128 Eﬀets médiés par l’Insuline en situaVon nourri 6- RégulaVon du Métabolisme Lipidique Récapit 6-1 A l’état nourri ula;f Le métabolisme lipidique est contrôlé par l’état nutriVonnel via des signaux hormonaux. Après un repas: Lipides Au Niveau du Foie: A court terme: Récapit ula;f - AcVve l’acétyl CoA carboxylase (ACC) en la déphosphorylant (Phosphatase PP2A) diapo 79 déposés au TA sous forme de TG A long terme: Glucides Excès AG - SVmule la synthèse de G6PDH et 6-Phospho-gluconate DH (Voie des PP, NADPH,H+) J-F Benoist AA Insuline: Glycogène (foie, muscle) Synthèse Prot Source Energé;que - Induit la synthèse hépa;que d’AG Synthase, Enz malique et Acétyl CoA carboxylase A court terme: Contrôle les enzymes impliqués dans la mobilisa;on du Glc (Cours J.F. Benoist) et l’hydrolyse des TG (inhibe TGLHS) (diapos 95) A long terme: induit la transcrip;on des gènes d’Enzymes lipogéniques Au Niveau du TA: A court terme: - Déphosphoryle la TGLHS et inhibe ainsi la mobilisa;on des TG A long terme: - favorise l’absorp;on du Glc par GLUT 4 pour synthé;ser le G3P nécessaire à la synthèse des TG diapo 95 J-F Benoist 129 6-2 A l’état de Jeûne Taux de Glucagon et Adrénaline Vivre sur les réserves 6-3 RégulaVon de l’oxydaVon / synthèse des AG Pas d’apport énergé;que extérieur. [Glc] Récapit Récapit ula;f Taux d’Insuline ula;f Au Niveau du TA: A court terme: 130 Pas de Régula;on à proprement parler des réac;ons de β oxydaVon. Le point de contrôle essenVel: La CPT1 (entrée des AG dans la mitochondrie) Au Niveau du Foie: En situaNon nourrie: - Phosphoryle la TGLHS (via la PKA) et s;mule ainsi la lipolyse TG à AG + Glycérol Au Niveau du Foie: AcétylCoA Carboxylase (ACC): Phosphoryla;on AMPc dépendante est Faible. Ac;va;on par le Citrate MalonylCoA produit s;mule la synthèse des AG et bloque la CPT1 A court terme: - Inhibe l’acétyl CoA carboxylase en la phosphorylant (via AMPc) - Réduc;on de la glycolyse au proﬁt de la gluconéogenèse A long terme: - Diminue la synthèse d’AG Synthase et Acétyl CoA carboxylase Le Foie u;lise alors l’acétyl-CoA issu des AG (et des protéines) pour synthé;ser des CC 131 En situaNon de Jeûne: C’est l’inverse Remarque concernant le muscle: Le muscle ne synthé;se pas les AG mais il les u;lise. Il possède une isozyme de l’ACC qui produit du Malonyl CoA uniquement pour réguler la CPT1 et pas pour la synthèse d’AG. En situa;on d’exercice musculaire, L’ACC est inac;vée par phosphoryla;on (kinase AMP dépendante) à faible niveau de malonyl-CoA qui lève l’inhibi;on de la CPT1. La β-oxyda;on peut alors avoir lieu. 132 7- AG précurseurs des Eicosanoïdes: 7- AG précurseurs des Eicosanoïdes: 14 12 7-1 voies de synthèse (voir aussi Dia 99) Au delà de leur rôle énergé;que, les AG jouent un rôle structural (dans la composi;on des lipides membranaires) et un rôle fonc;onnel, comme source de messagers ou de modulateurs cellulaires. Ainsi, les phospholipides (PL) membranaires peuvent libérer des AG polyinsaturés (AGPI) par hydrolyse enzyma;que (ac;on des PLA2). Ces AGPI sont les précurseurs de molécules biologiquement ac;ves (messager intracellulaire): L’Ac arachidonique est le précurseur de plusieurs classes de molécules signales (prostaglandines, prostacyclines, thromboxanes, leucotriènes). ModiﬁcaVons par des réductases, des isomérases. Cyclisa;on par des cyclases (Cox) à PG et TX ou hydroxyla;on par des LOX à LT Tous ces AG modiﬁés sont des Hormones locales en raison de leur courte durée de vie. Elles ne passent pas dans la circula;on. La nature de leurs eﬀets peut variée d’un type de cellule à l’autre. Des prostaglandines s;mulent l’inﬂamma;on, ont une ac;vité an;agrégant plaqueaaire. Le Tx lui est un 133 médiateur de l’agréga;on. 7- AG précurseurs de eicosanoïdes: 20 8 5 Les Eicosanoïdes sont des AGPI à 20C synthé;sés à par;r des AG essen;els: Ac linoléique et linolénique et qui vont être remanié sous l’ac;on d’enzyme monooxygénase: les LOX (liooxygénase) et les COX (cyclooxygénase) L’Acide arachidonique C20:4 est le premier d’entre eux. Il va être le précurseurs de plusieurs classes de molécules signale: Prostanoïdes (prostaglandine, prostacycline, thromboxane) et Leucotriènes 11 X C18:2∆9,12 ω6 C20:3∆8,11,14 Ac. arachidonique C20:4∆5,8,11,14 ac. eicosa pentaénoïque C18:3∆9,12,15 ω3 134 C20:5∆5,8,11,14,17 7- AG précurseurs de eicosanoïdes: 7-2 Inhibiteurs de synthèse 7-2 Inhibiteurs de synthèse L’Acide arachidonique est synthé;sé à par;r de l’Acide linoléique C18:2 (w6), incorporé dans les phospholipides membranaires et hydrolysé par des PLA2. Les Lipoxygénases( LOX) catalyse des réac;ons d’hydroxylaVon conduisant à l’Ac 5hydroxyperoxyeicostetranoic (5-HPETE) précurseur des Leucotriènes INHIBITEURS Benoxaprofène Diéthylcarbamazine Cromoglucate disodique 5-lipoxygénase (5-LOX) les Cycloxygénases COX catalysent des réac;ons de cyclisaVon conduisant aux Prostaglandine et Thromboxane PHOSPHOLIPIDES INHIBITEURS Aspirine AINS PLA2 ACIDE ARACHIDONIQUE 20:4 (5,8,11,14) cyclooxygénases (COX) « voie linéaire » Ces eicosanoïdes sont de véritables hormones à ac;on locale et jouent des rôles variés dans l’inﬂammaVon (douleur, ﬁèvre …), la contracVon des muscles lisses (vaisseaux sanguins, bronches, utérus, intesVn...), la régulaVon des métabolismes, et dans l'agrégaVon plaqueÇaire. Ils sont l’objet de recherches pharmacologiques intenses et la cible de médicament connus ou en développement Ainsi, l’aspirine inhibe les COX. Le blocage de ceae rx aﬀecte de nombreuses voies de signalisa;on. Il explique la grande variété des eﬀets de l’aspirine contenu des ac;vités variées des cibles (produits des Cox) : Inﬂamma;on, ﬁèvre, douleur et coagula;on sanguine. (L’aspirine est u;lisé comme antalgique, an;pyré;que et an;agrégant plaqueaaire.) 135 5-HPETE « voie cyclique » ENDOPEROXYDES LEUCOTRIÈNES PROSTAGLANDINES 8 12 5 Rôles physiologiques -contrac;on des muscles lisses (intes;n, utérus, vaisseaux) -agréga;on plaqueaaire 12 Rôles physiopathologiques -inﬂamma;on -ﬁèvre Rôles rx hypersensibilité 136 1- Rôle du Cholestérol Chapitre 4: METABOLISME LIPIDIQUES (B) Elément structural des membranes cellulaires chez les eucaryotes isoprène CHOLESTEROL et LIPIDES ISOPRENIQUES Le ch

Support de cours Biochimie Métabolique PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue