Corps Cétoniques PDF

150 Comparaison entre l'oxydation complète de l'acide stéarique et celle du glucose (3) 1 mole d'acide stéarique (18C) 3 moles de glucose permet la synthèse de 120 moles d'ATP, permettent la synthèse de 96* moles d'ATP...

150 Comparaison entre l'oxydation complète de l'acide stéarique et celle du glucose (3) 1 mole d'acide stéarique (18C) 3 moles de glucose permet la synthèse de 120 moles d'ATP, permettent la synthèse de 96* moles d'ATP soit soit 6,67 moles d'ATP/mole de C 5,33 moles d'ATP/mole de C Rapport = 1,25 0,42 mole d'ATP/gramme 0,18 mole d'ATP/gramme Rapport = 2,33 Les triacylglycérols sont très "énergétiques" : - Leurs carbones (- CH2 -) sont plus réduits que ceux des oses (- CHOH -) donc leur oxydation libère plus d'énergie que celle des oses (6,67>5,33 mol ATP/C). - De plus, à la différence du glycogène ou de l'amidon où se trouvent deux grammes d'eau par gramme, ils ne sont pas hydratés (car très hydrophobes) donc ils libèrent un encore plus grand nombre d'ATP par gramme (0,42>0,18 mol ATP/g) - leur empaquetage se fait, pour la même raison, dans un volume très réduit à à volume identique, les triacylglycérols libèrent environ six fois plus d'énergie que le glycogène ou l'amidon. * : calcul fait en supposant que les e- et H+ des NADH cytosoliques (issus de la glycolyse) sont transférés à des NADH mitochondriaux via la navette malate-aspartate (Figure 5.4). Si navette glycérol-phosphate (NADHcytà FADH2mit), le bilan aurait été de 90 ATP  151 7.2. CORPS CETONIQUES AcCoA Corps cétoniques Nous venons de voir que les AcétylCoA issus de la dégradation des acides gras peuvent entrer le cycle de Krebs où leur oxydation se poursuivra. Cependant, en cas de jeûne prolongé Glucose OAA ou de diabète non traité, il y a dans le foie e- ATP une pénurie d’oxaloacétate, car il est prioritairement utilisé comme précurseur pour la gluconéogenèse. Que deviennent alors les acétylCoA ?... Ils sont transformés en corps cétoniques par les hépatocytes... (Fig Fig. 7.11 7.11). La voie des corps cétoniques peut fonctionner n'importe quand, mais elle est particulièrement active en cas de jeûne prolongé ou de diabète non traité. Les régimes très pauvres en calories qui reposent essentiellement sur l'utilisation des graisses stockées dans les adipocytes produisent aussi beaucoup de corps cétoniques.  152 Fig. 7.12 : Les corps cétoniques produits dans le foie seront transportés par le sang jusqu'à de nombreux tissus-cibles, où ils sont reconvertis en acétyl-CoA puis oxydés par le cycle de Krebs. Le coeur et le cortex rénal utilisent les corps cétoniques de préférence au glucose comme source d’énergie. Le cerveau utilise le glucose, sauf en cas de jeûne très prolongé, auquel cas 75% de son énergie peut alors dépendre des seuls corps cétoniques (Fig. 7.16). Deux étapes : 1° cétogénèse hépatique, 2° utilisation extra-hépatique. Fig. 7.12 La connaissance détaillée des réactions de la voie des corps cétoniques n'est pas requise, mais les principes de fonctionnement (quand, où, comment...) de cette voie doivent être acquis.  153 1° Cétogénèse hépatique Lorsque l'acétyl CoA s'accumule dans les mitochondries hépatiques, trois enzymes successifs convertissent deux FOIE acétyl-CoA en un acétoacétate qui est ensuite réduit en b- hydroxybutyrate en présence de NADH (Fig. 7.13). L'acétoacétate et le b-hydroxybutyrate sont les deux corps cétoniques qui quittent les mitochondries des hépatocytes pour rejoindre les cellules-cibles par la voie sanguine. Remarque : une partie de l'acétoacétate peut se décarboxyler en acétone volatile exhalé des poumons, ce qui révèle l'activité plus ou moins forte de la voie. Fig. 7.13  154 2° Utilisation extrahépatique AUTRES TISSUS Des transporteurs (aux monocarboxylates et du pyruvate) permettent l'entrée des corps cétoniques dans les mitochondries des cellules utilisatrices. Le ß-hydroxybutyrate est reconverti en acéto- acétate grâce à une déshydrogénase à NAD+, puis une ß-cétoacyl transférase produit de l'acétoacétyl- CoA qui est clivé par la thiolase en deux molécules d'acétyl-CoA (comme la dernière étape de la ß- oxydation d'un acide gras) Bilan : Acétoacétate + SuccinylCoA + HS-CoA à 2 AcétylCoA + Succinate Le travail effectué par les hépatocytes permet d'alimenter en énergie les tissus-cibles, qui n'ont pas à procéder à la ß-oxydation préalable des acides gras pour récupérer leurs équivalents en acétyl-CoA. N.B. (important) : la transférase utilise le succinyl-CoA comme donneur de groupements CoASH. Cette réaction est concurrente de celle catalysée par la succinylCoA synthase du cycle de Krebs qui produit du GTP, donc le coût indirect pour Fig. 7.14 la cellule-cible est d'un GTP par acétoacétate.  155 Résumé La voie des corps cétoniques permet au foie d'exporter les excédents d'acétyl-CoA vers divers tissus extrahépatiques : Etape 1 : production intramitochondriale des corps cétoniques dans les hépatocytes, exportation des corps cétoniques dans le sang, Etape 2 : récupération des corps cétoniques dans les mitochondries des cellules-cibles, puis transformation en acétyl-CoA (à cycle de Krebs à phosphorylations oxydatives à ATP). Cette voie est particulièrement active lorsque le foie pratique une forte gluconéogénèse par manque de glucose (ex: jeûne prolongé ou diabète mal contrôlé).  156 Commentaire : Acides Gras et Glucose Nous venons de voir que quand le glucose vient à manquer, les animaux produisent à partir des acides gras des corps cétoniques qui circulent dans le sang et peuvent être utilisés par de nombreuses cellules. En revanche, l'acétylCoA, et donc plus généralement les acides gras, ne peuvent pas (contrairement au pyruvate, par ex) être source de C pour la gluconéogenèse, car les 2 carbones qui entrent dans le cycle de Krebs sous forme d'acétyl-CoA, en ressortent sous forme de 2 CO2 (le CK ne "crée" pas de l'OAA) à Les animaux ne peuvent pas produire de glucose (et donc pas se développer) avec des acides gras comme seule source de C. Glucose Rappel (cf. chap. 4) : c’est le pyruvate obtenu à partir de lactate, d'alanine, … qui peut donner du glucose via l'oxaloacétate, le ß-oxydationAcides phosphoénolpyruvate, … (flèches bleues pointillées). PEP gras 2C Rq: La production de glucose est quand même possible à partir du propionyl-CoA 4C 6C (3C) issu de la dégradation des acides gras à nombre impair de carbones. 4C 1C En effet, le propionyl-CoA donne du succinyl-CoA, qui intègre donc le cycle de 5C 4C Krebs après les décarboxylations. Mais ceci concerne seulement l’extrémité 1C terminale des acides gras à nombre 4C Fig. 7.15 impair de carbone, par ailleurs minoritaires (1%) dans la cellule, donc Propionyl-CoA négligeables.  157 Commentaire : Acides Gras et Glucose (suite) Toutefois, certains organismes (bactéries, Glucose ! plantes) peuvent synthétiser du glucose à partir d'acétyl-CoA... 2C - Comment ? par le shunt glyoxylique ou voie PEP 3C du glyoxyate : grâce aux enzymes isocitrate lyase et malate synthase, les deux 4C 6C décarboxylations du cycle de Krebs court- circuitées, d'où le bilan net carboné : 2 acétyl-CoA (2 x 2C) → OxaloAcetate (4C) (au lieu de : 2 acétyl-CoA → 4 CO2) 4C 6C - La production d'oxaloacétate qui en 2C résulte permet la synthèse de glucose (via la gluconéogenèse). Ma c it rate Sy lat Iso se - De nombreux microorganismes et nth e lya ase 2C plantes (graines en germination) utilisent ce shunt pour synthétiser du glucose ou d'autres 4C O=CH-COO- oses à partir d'acides gras d'abord dégradés en acétyl-CoA par la ß-oxydation. - Cette voie n’existe pas chez les métazoaires (animaux), car ils n’expriment pas 4C les deux enzymes nécessaires. Fig. 7.16  158 Commentaires, questions-réponses : 1° b-oxydation mitochondriale des acides gras (AG) – voie des corps cétoniques (CC) A retenir : Hydrolyse des TriAcylGlycerols – Transport du glycérol-P et des AG Métabolisme du glycérol-P Activation et b-oxydation des AG Relations avec le CK et les phosphorylations oxydatives 2° Questions-réponses Peut-on utiliser les carbones des AG pour la production de Glc ? Envisagez les différents cas de figure que vous connaissez ….. Peut-on utiliser certains carbones des TriAcylGlycerols pour la production de Glc ? … Le foie produit-il des CC dans les conditions physiologiques de fonctionnement de l'organisme ? … Dans quelles conditions cette production devient-elle excessive et pourquoi ? …  159 La connaissance détaillée des réactions de la biosynthèse des acides gras n'est pas requise, mais les principes de fonctionnement de cette voie doivent être acquis. 7.3. BIOSYNTHESE DES ACIDES GRAS Les Acides Gras (AG) sont synthétisés essentiellement dans le foie, les glandes mammaires en lactation, les adipocytes, puis stockés ou distribués en périphérie. Ils sont véhiculés dans le sang au sein de lipoprotéines jusqu’aux autres cellules (dont les adipocytes, qui les stockent sous forme de triacylglycerols). Cette biosynthèse nécessite : un donneur de carbones, l'acétyl-CoA, un donneur d'électrons, le NADPH (biosynthèse réductrice), une source d'énergie, l'ATP, un complexe multienzymatique, l'acide gras synthase. Dans les hépatocytes, le rapport cytosolique [NADPH]/[NADP+] est très élevé (environ 75), d'où un fort environnement réducteur, favorable aux biosynthèses réductrices des acides gras. A l'inverse, le rapport cytosolique [NADH]/[NAD+] est très faible (environ 8.10-4), d'où un environnement favorable au catabolisme oxydatif du glucose et d'autres molécules. N.B. : dans les cellules végétales, la synthèse des acides gras a lieu dans les choloroplastes, qui sont aussi le sites de production des NADPH.  160 Vue d'ensemble de la biosynthèse des AG: Les AG sont construits de manière itérative, grâce à l’acide gras synthase, cytosolique, avec addition d'une unité acétate à chaque passage. Chaque acétate provient d'un malonyl CoA produit à partir de l'acétyl CoA, qui doit être exporté de la mitochondrie. La biosynthèse des acides gras procède donc en deux étapes à partir de l'acétyl-CoA, mitochondrial au départ : (a) exportation de l'acétyl-CoA hors de la mitochondrie (b) biosynthèse des acides gras dans le cytosol Bilan pour la synthèse d’un palmitate: 8 Acétyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH, H+ → Palmitate + 14 NADP+ + 8 CoASH + 7 ADP + 7 Pi Pour (a), l'exportation de l'acétyl-CoA (p. suivante), il faut six enzymes et trois transporteurs : (1) Citrate synthase (2) Citrate lyase (3) Malate déshydrogénase (4) Enzyme malique (5) Pyruvate carboxylase (6) Malate déshydrogénase  161 (a) Exportation de l’acétyl CoA Chaque tour d'export d’un acétyl-CoA : consomme deux liaisons riches en énergie (réactions 2 et 5), 2 produit 1 NADPH (réaction 4) qui sera utile à 1 la biosynthèse réductrice des acides gras. 3 Rq : Attention, la réaction catalysée par la citrate lyase (2) n'est pas l'inverse de 5 celle catalysée par la citrate 4 synthase (1) Bilan : Acetyl-CoA mito + NADH + 2 ATP à Acétyl-CoA cyto + NADPH + 2 ADP + 2 Pi Fig. 7.17 : Navette Malate-Citrate-Pyruvate  162 (b) Biosynthèse cytosolique : 2 étapes 1ère étape : Formation de malonyl-CoA à partir d'AcétylCoA et CO2 (Figure 7.18) Bilan : CH3-CO-SCoA + CO2 + ATP à -OOC-CH2-CO-SCoA + ADP + Pi (Acétyl-CoA) (Malonyl-CoA) Enzyme : acétyl-CoA carboxylase, coenzyme biotine. C'est l'étape lente, cinétiquement limitante de la biosynthèse des acides gras. Le Malonyl-CoA formé (3C) sera le donneur d'unités à 2C (acetyl: CH3-CO-) lors de la synthèse des AG. La réaction a un coût énergétique (1 ATP). a Glucagon Adrénaline (à ACC-P inactive) Figure 7.18 : Catalyse en 2 étapes de la formation du MalonylCoA par l'acétylCoA carboxylase et le coenzyme biotine. b L'acétyl-CoA carboxylase (ACC) est activée par le citrate et inhibée par le palmitoyl-CoA (Fig. 7.19a) Les hormones glucagon et adrénaline induisent également une phosphorylation inhibitrice. Enfin, elle a la particularité d'être monomérique à l'état inactif et Figure 7.19 : a) régulation de l'ACC; b) ACC multimérique quand elle est active. (Figure 7.19b) active, sous forme d'un polymère linéraire  163 2nde étape : biosynthèse des acides gras L'enzyme impliqué est l'acide gras synthase qui, chez les vertébrés, est une enzyme homodimérique multifonctionnelle (MM 544 kDa) portant des domaines avec des activités enzymatiques différentes, ainsi qu'un domaine "acyl carrier protein" (ACP). Le domaine ACP est lié covalemment à un groupement prosthétique (figure 7.20). Le domaine ACP ainsi équipé constitue un bras flexible qui fixe le malonate (terminaison thiol -SH). Il "l'apporte" au complexe de l'acide gras synthase, puis fixe la chaîne en croissance et la fait passer par les différents sites enzymatiques de l’acide gras synthase. ACP AGS Fig. 7.20 : le domaine ACP de l'AGS est lié à un groupement prosthétique. L'ensemble constitue un bras flexible capable de fixer le malonyl puis l'acide gras en croissance grâce à une terminaison thiol (-SH).  164 DH L'acide gras synthase catalyse MT l'accrochage successif d'unités acétyl (2 carbones: CH3-CO) issues du AT KSACP malonyl-CoA sur la chaîne d'acide gras en croissance ainsi que la réduction KSACP KS de leur groupe carbonyl (-CO-) en groupe méthylène (-CH2-). ER Un cycle s’organise en 4 étapes enzymatiques (fig. 7.21): KSACP (1) condensation de l'acétyl sur la chaîne en croissance, (2) réduction du carbonyl (-CO-CH2-) Transfert sur KS KSACP KR en alcool (-CHOH-CH2-), (3) déshydratation de l'alcool en alcène (-CH=CH-), MT : Malonyl-CoA-ACP Transferase AT : Acetyl-CoA-ACP Transacetylase (4) réduction en alcanes (-CH2-CH2-). KS : b-Ketoacyl-ACP Synthase ACP : Acyl Carrier Protein KSACP DH : b-Hydroxyacyl-ACP Dehydratase ER : Enoyl-ACP Reductase Important : Les électrons et protons KR: b-ketoacyl-ACP reductase nécessaires aux deux étapes de Fig. 7.21 : séquence réactionnelle de l'acide gras synthèse permettant réduction d'un cycle sont apportés par l'addition et la réduction d'une unité de 2C à partir d'un malonyl. Les deux NADPH. domaines impliqués pour chaque étape sont indiqués.  165 A la fin de la synthèse (Fig.7.21 bis), le résidu acyl-ACP terminal est hydrolysé lors d'une réaction catalysée par la thiolase, libérant ainsi l'acide gras. Les sites libres ACP et KS sont prêts à initier une nouvelle synthèse. KS ACP KS ACP KS ACP MT : Malonyl-CoA-ACP Transferase AT : Acetyl-CoA-ACP Transacetylase KS ACP KS : b-Ketoacyl-ACP Synthase ACP : Acyl Carrier Protein Fig. 7.21 bis : Vue d'ensemble de la synthèse de l'acide palmitique par l'acide gras synthase, par répétition de l'addition-réduction d'unités à 2C. Remarque (pour info) : Elongation et désaturation: KS ACP La production d’acides gras à nombre de carbones supérieur à 16 ainsi que l'introduction d' insaturations sont réalisées grâce aux enzymes élongases et désaturases associés aux mitochondries et aux microsomes du réticulum endoplasmique lisse.  166 Bilan cytosolique de la synthèse du palmitate (16C): 8 Acétyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH,H+ → Palmitate + 14 NADP+ + 8 CoASH + 7 ADP + 7 Pi Bilan "cytosolique" = suppose que les AcétylCoA sont déjà dans le cytosol. Sinon, il faut rajouter le coût de l'export (2ATP/AcétylCoA) Remarque : pour initier la synthèse, un AcétylCoA et non un MalonylCoA est fixé en premier lieu (voir Fig. 7.21). On n'a donc besoin de former que 7 MalonylCoA pour un palmitate, d'où coût de 7 ATP et 14 NADPH). Provenance des NADPH,H+ ? - Au cours de la "navette" de l'acétyl-CoA (mitochondrie à cytosol), l'enzyme malique réduit un NADP+ en NADPH,H+ (Fig. ci-contre). L’exportation de 8 acétyl-CoA mitochondriaux s’accompagne donc de la production cytosolique de 8 NADPH. - les six autres NADPH/H+ nécessaires proviennent de la voie des pentoses phosphates (cf. chapitre 6). - Soit : Fig. 7.22: double à 8 NADPH,H+ origine des NADPH nécessaire à la synthèse d'un détail de fig. 7.17: formation de NADPH à 6 NADPH,H+ lors de l'exportation de l'AcétylCoA hors palmitate (16C) de la mitochondrie.  167 RELATIONS ENTRE ACIDES GRAS ET CYCLE DE KREBS Acides gras Le cycle de Krebs permet la dégradation finale en CO2 de l'AcétylCoA issu de la ß-oxydation des AG. Les intermédiaires du cycle de Krebs sont constamment régénérés. Ce sont des « catalyseurs » de la décarboxylation oxydative de l'acétyl- CoA. Inversement, une sortie de citrate hors de la mitochondrie est nécessaire pour exporter l'AcétylCoA (rôle de la citrate lyase), quand les cellules sont en phase de synthèse des AG (sortie également d'autres intermédaires). Mais cela pose un problème : risque de désamorçage du CK... Heureusement, la pyruvate carboxylase et autres enzymes anaplérotiques (cf. chap. 3, 4) assurent le "remplissage" du cycle de Krebs. Fig. 7.23  168 Commentaires, questions-réponses : A retenir (minimum): exportation de l'acétyl-CoA mitochondrial, production du malonyl-CoA, principe de la production des acides gras par l'acide gras synthase, Coût énergétique ? Bilans des différentes étapes ? relations entre acides gras et cycle de Krebs, rôle des réactions anaplérotiques.