Bioénergie et Catabolisme PDF

Cours n°3 La Bioénergétique Notions de thermodynamiques Les couplages énergétiques Le rôle central de l’ATP et des cofacteurs d’oxydo-réduction Le phosphore existe dans la cellule sous 2 formes 1- Le phosphate: H3PO4 Û H2PO4- Û HPO42- Û PO43- O O 2- Esters de Phosphates: - • R-O-P-O- + H-OH...

Cours n°3 La Bioénergétique Notions de thermodynamiques Les couplages énergétiques Le rôle central de l’ATP et des cofacteurs d’oxydo-réduction Le phosphore existe dans la cellule sous 2 formes 1- Le phosphate: H3PO4 Û H2PO4- Û HPO42- Û PO43- O O 2- Esters de Phosphates: - • R-O-P-O- + H-OH Û R-OH + O -P -OH ATP, Glucose-6-phosphate, Phosphoénolpyruvate, Phosphocréatine……. O- O- Rappels de chimie: L’Adénosine TriPhosphate Adénine + ribosyl + 3 groupe phosphoryl Liaisons anhydrides Liaison ester Les liaisons anhydrides peuvent être rompues facilement (La liaison Ester phosphorique est stable dans cette molécule) Rôle central de l’ATP Catabolisme Travaux cellulaires Nutriments ADP + Pi C6H12O6 ∆rG < 0 6CO2 + 6H2O ∆rG > 0 ∆rG < 0 biosynthèses ∆rG > 0 transports mouvements ATP Dans notre organisme: environ 50g ATP – « rechargés » 1000 fois par jour ! Pas de stockage: il faudrait 50kg de stock pour subvenir aux besoins d’une seule journée !! ATP ADP + Pi ∆rG°’= - 30 kJmol -1 K’eq = ADP / ATP = 1,7 105 donc à l’équilibre [ATP] est négligeable dans la cellule on constate que [ADP]/[ATP] = 0,001 On est donc dans une situation très très éloignée de l’équilibre ∆rG hydrolyse de l’ATP dans la cellule << 0 son hydrolyse pourra donc fournir beaucoup d’énergie (∆rG = - 45 kJ / mol) Autres molécules qui peuvent fournir de l’énergie dans la cellule: Les esters de phosphate Esters de phosphate Phosphoénolpyruvate 1,3 biphosphoglycérate phosphocréatine Glucose-6-phosphate 2- Û PO 3• H3POHydrolyse HPO 4 Û H2PO4 Û 4 des esters de 4phosphate O O • R-O-P-O- + H-OH Û R-OH + -O -P -OH O- O- ∆rG < 0 XX X Liaison riche en énergie Hydrolyse des principaux esters de phosphate et de l’ATP dans la cellule Forme phosphorylée Forme dephosphorylée Phosphoénolpyruvate pyruvate 1,3 biphosphoglycérate 3-phosphoglycérate phosphocréatine créatine ATP ADP ADP AMP Glucose-6-phosphate glucose L’hydrolyse est spontanée dans les conditions physiologiques (∆rG < 0 si on fait le calcul en utilisant les concentrations effectives de ces molécules dans l’organisme) ∆rG << 0 ∆rG < 0 Les cofacteurs d’oxydo-réduction L’oxydation des nutriments par les réactions du catabolisme conduit à la formation d’ATP mais aussi très souvent à la réduction de co-facteurs spécifiques Les couples redox: NADH/ NAD+ et le FADH2/FAD Rappels d’oxydo-réduction: notion de couple redox et de potentiel redox Réducteur: composé ayant tendance à fournir un ou des éléctrons Oxydant: composé ayant tendance à capter un ou des éléctrons Couple redox: n électrons mis en jeu Ox + n.e- ⇔ Red E = E° - RT/nF x Ln [Red]/[Ox] E = potentiel redox E°= potentiel redox de demi réduction Rappels d’oxydo-réduction: notion de couple redox et de potentiel redox Réducteur: composé ayant tendance à fournir un ou des éléctrons Oxydant: composé ayant tendance à capter un ou des éléctrons Couple redox: n électrons et n’ protons mis en jeu Ox + n.e- + n’H+ ⇔ RedHn’ E = E° - RT/nF x Ln [Red]/[Ox][H+]n’ E = E°’ - RT/nF x Ln [Red]/[Ox] Exemple 1: NADH/NAD+ 2 électrons et 1 proton mis en jeu (1 proton libéré dans le milieu) + H+ Carence en NADH/NAD+ = induit une pathologie grave: la pellagre Principaux symptômes: dermatite + troubles gastrointestinaux et nerveux Exemple 2: Le FAD fait aussi intervenir 2 électrons mais séquentiellement Définition d’une réaction d’oxydo-réduction et d’un potentiel d’oxydo-réduction Red1 + Ox2 ⇔ Ox1 + Red2 ∆E = potentiel d’oxydo-réduction ∆E = E2 - E1 = E accepteur - E donneur ∆E = - ∆rG / n. F ( n étant le nombre d’électrons mis en jeu dans la réaction ) Si E2 > E1, la réaction d’oxydo-réduction sera exergonique ! + oxydant + 0,82 E2 e- 0 E1 - 0,42 - oxydant ∆E = E2 – E1 = - ∆rG / n. F + oxydant + 0,82 0 - 0,42 - oxydant (en conditions standard) À approfondir en TD Bioénergétique 2 (exercices A et B) Métabolisme énérgétique I- Notions de Bioénérgétique II- Le métabolisme énergétique au niveau cellulaire: Le catabolisme des sucres (glucose) et des acides gras III- Le métabolisme énergétique au niveau de l’organisme IV- La synthèse de l’ATP par couplage chimio-osmotique Le catabolisme des sucres Définition des monosaccharides, des oligosaccharides et des polysaccharides Structures, exemples, formules: cf TD ME 1 et ME 2 Les sucres sont une source importante d’énergie L’oxydation du glucose peut fournir potentiellement 2800 kJoules mol -1 Glucose pyruvate Acétyl-CoA C02 Glycolyse Cycle de Krebs 200 kJ/mol récupérables 2600 kJ/mol récupérables La glycolyse, une série de 10 réactions, peut se décrire en deux phases distinctes: Glucose + 2NAD + 2ADP + 2Pi 2Pyruvate + 2NADH +2H+ + 2ATP +2H2O La phase préparatoire (5 réactions) (ou investissement) La phase productive (5 réactions) À connaitre ∆rG = 0 à 4 kJ / mol Seul G3P est ensuite engagé dans la glycolyse Équilibre se déplace donc vers la droite Passage de la cétone sous la forme d’un aldéhyde À connaitre Récapitulatif de la glycolyse et équation Bilan 1 Glucose + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP +2Pi è 2Pyruvate + 2ADP +2NADH + 4ATP + 2H2O 1 Glucose + 2NAD+ + 2ADP +2Pi è 2Pyruvate +2NADH + 2ATP + 2H2O Shunt de la phosphoglycérate kinase as c n ne o i t a ul xi e Rég d’hypo ude t i t l l’a à n tio de a t p 2 O a Ad ion t a r ibé bine l e oris moglo v a F l’hé Bilan énergétique 2ATP 2NADH 90kJoules / mole « récupérés » sous forme d’ATP sur les 200 kJoules / mole « possibles » La glycolyse est soumise à une régulation très fine au niveau moléculaire Permet d’ajuster très rapidement la production d’ ATP aux besoins de la cellule (ms) Régulation allostérique de: - l’hexokinase - la PFK-1 - la pyruvate kinase (permet une réponse à des fluctuations des besoins en ATP à très court terme, à la seconde près) Régulation à plus long terme par les hormones Glucagon et Insuline La PFK-1 est un point de contrôle majeur de la glycolyse (régulation allostérique) Après la glycolyse que devient le pyruvate ? La transformation du pyruvate en acétyl-CoA est catalysée par le complexe « pyruvate deshydrogénase » Il est composé de 3 enzymes E1, E2 et E3 Cette réaction se fait dans la mitochondrie Le complexe comprend également 5 coenzymes ou groupes prosthétiques 4 d’entre eux dérivent de vitamines • Pyrophosphate de thiamine (thiamine, B1) • Flavine adenine dinucléotide (riboflavine, B2) • Nicotinamide adenine dinucleotide (niacine, B3) • Coenzyme A (acide pantothénique, B5) • Acide lipoïque Le cycle de Krebs Pour 1 tour complet : 1 groupe acétyl y est entré, 2 CO2 en sont sortis (pas les memes carbones) À connaitre glycolyse Cycle de Krebs Bilan global glycolyse + TCA: 4 ATP (seulement), 10 NADH et 2 FADH2 Mais « globalement », l’oxydation complète du glucose va aussi permettre la synthèse d’ATP de manière indirecte* grâce à l’oxydation des cofacteurs d’oxydoréduction (NADH et FADH2) par l’oxygène * Nous ferons le bilan complet en ATP après le cours sur la phosphorylation oxydative Pourquoi faire « compliqué » quand on aurait pu faire simple ? Certaines réactions du TCA, sous une forme différente, ont précédé la vie en aérobiose La dégradation oxydative du pyruvate en CO2 est donc le résultat de l’évolution et utilise des voies existantes (pas forcément les plus directes mais celles qui ont conféré un avantage sélectif) Le cycle est amphibolique: Le TCA n’est pas uniquement dédié à la dégradation du pyruvate (et donc à la production d’énergie) Régulation des enzymes du cycle Régulation de l’étape formant l’acétyl-CoA Mais aussi les 3 premières étapes du cycle ATP/ADP ou NADH/NAD controlent le flux mais aussi acides gras (source importante d’énergie) ou directement acetyl-CoA (acides gras, aa) Régulation allostérique mais aussi par phosphorylation: E1de PDH inhibée par phosphorylation si ATP élevé Régulation du cycle au niveau de la disponibilité en substrats: les réactions anaplérotiques On peut fabriquer de l’oxaloacetate de plusieurs façons selon le tissu ou l’organisme dans lequel on se trouve Cela permet de subvenir à des besoins importants en énergie en faisant tourner le cycle plus rapidement. Devenir du pyruvate en conditions anaerobie En conditions anaérobies, les cofacteurs réduits ne seront pas réoxydés par l’oxygène !!!!! Le cycle de Krebs ne pourra plus se faire !!!!! Idem pour la glycolyse !!!! Nécessite de régénérer le NAD+ par une autre voie métabolique La Fermentation: glycolyse en absence d’oxygène Effet Pasteur: vitesse de dégradation du glucose et quantité totale dégradée augmente très fortement en conditions anaérobies Explication: rendement en ATP très faible en anaérobiose Exemple de microorganismes (homo)fermentatifs Exemple le plus classique: synthèse d’ethanol chez les levures Décarboxylation et régénération NAD+ Formation d’ethanol Remarque: l’alcool deshydrogenase est aussi impliquée dans la « métabolisation » de l’alcool (toxicité du méthanol) Applications en biotechnologie • Industrie de la bière et du vin Levure • Yaourts et Fromages Lactobacillus bulgaricus et propionibacterium freudenreichii • Silos pour conservation du maïs Mélange bactérien • Fabrication acétone Clostridium acetobutyricum Chez les animaux Pas de vie sans oxygène mais……si activité musculaire intense (ou pathologie): manque d’oxygénation du muscle, pas de TCA possible seule la glycolyse peut apporter ATP (Ne peut être que temporaire) Particulièrement vrai pour animaux de grande taille Apport en O2 vers les tissus peut être rapidement limitant ! Anaerobiose dans le muscle: la lactate deshydrogénase Formation de lactate et régénération NAD+ Acidification et par conséquent activité musculaire ralentit Lactate transporté vers le foie et recyclé en glucose (phase de récupération, forte consommation d’oxygène) Dysfonctionnement pathologiques Réponse à une ischémie lors d’un infarctus du myocarde: synthèse de HIF-1 HIF-1 stimule la glycolyse (niveau transcriptionnel) Cas du développement d’une tumeur : HIF-1 se fixe et inhibe l’ATP synthase la glycolyse y est prépondérante besoins en sucres élevés (x 50 environ) mais ….. tissu mal vascularisé et donc HIF-1 fonctionnel peu endimère oxygène sousd’apport la forme d’un dimérisation à pH < 6,5 Conditions réunies si ATP uniquement Synthétisé par glycolyse (lactate) Phénomène réversible À approfondir en TD Cycle de Krebs (exercice II)