Cours 1 Introduction au métabolisme (ULB) 2022-2023 PDF

BIOCHIMIE METABOLIQUE Bloc 2 Année académique 2022 -2023 BIME BMOL-G2209 DENT BMOL-G2210 (ex BMOL-G2201) MEDI BMOL-G2202 (ex BMOL-G2204) VETE BMOL–G2206 Marie-Isabelle GARCIA 1  CONTACT Email: [email protected]...

BIOCHIMIE METABOLIQUE Bloc 2 Année académique 2022 -2023 BIME BMOL-G2209 DENT BMOL-G2210 (ex BMOL-G2201) MEDI BMOL-G2202 (ex BMOL-G2204) VETE BMOL–G2206 Marie-Isabelle GARCIA 1  CONTACT Email: [email protected] Recherche: Faculté de Médecine-IRIBHM Bâtiment C Website: https://iribhm.org/ghopat-gpcrs-in-homeostasis-and-pathology/ INTESTINAL STEM CELL BIOLOGY LAB 2  BIOCHIMIE METABOLIQUE Etude de la structure, composition de la matière vivante … et des réactions chimiques des molécules dans les cellules vivantes PRE-REQUIS Biologie Chimie Voies métaboliques et régulations Biochimie générale Comment capter, utiliser, stocker et remobiliser l’énergie chimique? Régulation coordonnée du métabolisme (métabolisme du jeûne)? 3 BIOCHIMIE METABOLIQUE 18 x 2 h Cours Théorique PLAN du cours I. Principes de bioénergétique Nucleic Bases & métabolisme oxydatif acids P Pentose II. Principales voie métaboliques s et régulations Métabolisme des sucres Métabolisme des lipides Métabolisme azoté III. Métabolisme du jeûne (régulation métabolique coordonnée) 4 BIOCHIMIE METABOLIQUE I. Principes de bioénergétique & métabolisme oxydatif Nucleic Bases acids P Pentose s Cours 1: Introduction au métabolisme (rappels) Cours 2: Bioénergétique Cours 3: Cycle de Krebs Cours 4: Phosphorylation oxydative 5 BIOCHIMIE METABOLIQUE II. Principales voie métaboliques et régulations Nucleic Bases acids P Métabolisme des sucres Pentose s Cours 5: Glycolyse Métabolisme aérobie/anaérobie des sucres Cours 5: 6: Glycolyse aérobie/anaérobie (autres sucres) etGlycolyse Cours 6: Voie des pentoses phosphates (autres sucres) Cours 7: etNéoglucogenèse Voie des pentoses phosphates Cours 7: 8: Néoglucogenèse Métabolisme du glycogène 6 BIOCHIMIE METABOLIQUE II. Principales voie métaboliques et régulations Nucleic Bases acids P Pentose s Métabolisme des lipides Cours 9: La β-oxydation Métabolisme des acides gras des lipides Cours 10: 8: La β-oxydation oxydation des des acides grasgras acides (suite) et formation Cours des corps 9: oxydation des cétoniques acides gras (suite) Cours 11: Biogenèse et formation des des corps acides gras cétoniques Cours 12: Métabolisme 10: Biogenèse duacides des cholestérol gras, triacylglycérides et du cholestérol 7 BIOCHIMIE METABOLIQUE II. Principales voie métaboliques et régulations Nucleic Bases acids P Métabolisme azoté Pentose Cours 13: Le cycle Métabolisme azotéde l’urée s Cours Cours 14: Dégradation 11: Le des acides aminés cycle de l’urée Cours Cours 15: 12: Biosynthèse Métabolisme des des acides acides aminés aminés Cours 16: Métabolisme et dérivés: des dégradation et bases azotées biosynthèse et nucléotides Cours 13: Métabolisme des bases azotées et nucléotides 8 BIOCHIMIE METABOLIQUE III. Métabolisme du jeûne (régulation métabolique coordonnée) Cours 15 Cours 16-18 Révisions Examens corrigés 9  Comment capter, utiliser, stocker et remobiliser l’énergie chimique? théorie Régulation coordonnée du métabolisme (métabolisme du jeûne)? A CONNAITRE La structure chimique et le nom des composés Le nom des enzymes/coenzymes qui catalysent les réactions Les points de contrôle de chaque voie et son type de régulation Les exemples de dysfonctionnements possibles On ne peut étudier la biochimie métabolique à moitié!!  pratique COMPETENCES ATTENDUES exercices théorie  Décrire dans le détail les voies principales du métabolisme et les connexions ainsi que leur régulation (exemples où le métabolisme est altéré)  Connaître les outils méthodologiques et interpréter des résultats expérimentaux (savoir faire/prise de décision) ⇒ Socle de compétences requis pour la poursuite de vos cursus MEDI Bloc 2 Biochimie Pathologique (Métabolisme énergétique & contrôle de la prise alimentaire) BIME DENT VETE Signalisation cellulaire Biochimie Biochimie Appliquée Bloc 3 Médecine Moléculaire Pathologique & & Nutrition Biochimie analytique pharmacologie 11  Recherche actuelle sur le métabolisme & cancer / vieillissement dans le tube digestif Science, 2019 PS: Ces articles ne sont pas à lire! CSC, 2018 EMBO reports, 2020 Nature, 2016 12  PRESTATION DE L’ENSEIGNEMENT Chaque cours est disponible Cours Magistral format Pdf (accessible avant séance) (horaires sur « TE ») Cours disponibles au format vidéo (accessible après séance) AIDE A LA REUSSITE Livres de référence autoévaluation * Fin des chapitres =>QCM/exercices Début de chaque séance: corrigés * Examens antérieurs => disponibles sur Uvi Cours 16 à 18: correction en auditoire 13 METHODE D’EVALUATION (FICHES DE COURS!) DENT BMOL-G2210 BIME BMOL-G2209 AA1 Biochimie générale Q1 AA1 Biochimie métabolique Q2 AA2 Biochimie métabolique Q2 AA2 Radioprotection Q2 VETE BMOL-G2206 AA1 Biochimie générale Q1 AA2 Travaux pratiques de biochimie Q1 AA3 Biochimie métabolique Q2 MEDI BMOL-G2202 AA1 Biochimie générale Q1 AA2 Biochimie métabolique Q2 AA3 Tumorigénèse Q2 AA4 Métabolisme énergétique & contrôle de la prise alimentaire Q2 AA5 Travaux pratiques de biochimie Q1 EXAMENS SEPARES pour les diverses activités d’apprentissage POUR QUE L’UNITE D’ENSEIGNEMENT SOIT VALIDEE, LA QUOTE DE L’EXAMEN DOIT ETRE ≥ 10/20 AE validées reportées d’une session à l’autre et d’une année sur l’autre 14  COURS 1 Introduction au métabolisme 15  1. Sources énergétiques des organismes vivants Toute cellule vivante a besoin d’énergie pour survivre (croître, se reproduire) L’énergie requise pour ce travail provient de l’environnement. Classification des organismes vivants (type trophique) PHOTOTROPHES (Lumière) Source d’énergie CHIMIOTROPHES (Composés chimiques) ORGANOTROPHES (Composés organiques) Source du La plupart des procaryotes Tous les eucaryotes non photosynthétiques pouvoir réducteur (donneur d’e- ) LITHOTROPHES (Composés inorganiques) Bactéries sulfureuses (CO2 + 2 H2S > Glucides + H2O + 2S AUTOTROPHES (CO2) Source de Plantes Cyanobactéries carbone HETEROTROPHES (Composés organiques) 16 2. Vue générale du métabolisme Métabolisme:  Ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules  Constitué de voies interconnectées et interdépendantes Deux composantes:  Catabolisme  Anabolisme 17 2. Vue générale du métabolisme CATABOLISME: L’énergie chimique potentielle contenue dans les composés carbonés complexes (alimentation) subit des transformations chimiques permettant de libérer de l’énergie utilisable par les cellules pour du travail oxydation Oxydation Sucres, lipides CO2 + H20 + Energie Energie * véhiculée (flux d’électrons) par des transporteurs NAD+/NADP+/FAD pour synthétiser l’ATP * stockée sous forme d’ATP (« monnaie énergétique cellulaire ») * perdue par libération de chaleur 18  2. Vue générale du métabolisme ANABOLISME: Réactions chimiques qui permettent de produire des macromolécules à partir de petites molécules précurseurs grâce à l’énergie disponible stockée. réduction Energie + précurseurs Macromolécules Réduction * Utilisation d’ATP par transfert de phosphoryl * Véhiculée par les transporteurs d’e- (NADH/NADPH/FADH2) 19 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Sucres Lipides Protéines Macromolécules Polysaccharides (triacylglycérol) Digestion, absorption intestinale, transport Molécules simples (+/- réduites) Oxydation: 1ere phase Génération d’Acétyl CoA Oxydation: 2eme phase Cycle de Krebs Oxydation: 3eme phase Transfert des électrons à la chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative 20 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Sucres (starch=amidon) Polysaccharides Amidon: polymères de glucose 6 5 4 1 2 3 21 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Sucres Polysaccharides Glucose (sucre prédominant au niveau sanguin) Aldéhyde (sur le carbone anomérique) 1% aldéhyde alcool cétone Mutarotation en solution 36% 63% 22 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Sucres Polysaccharides cellulose (polymères de β(1->4) D-Glucose Ruminants (vache): Dégradée par la flore de la panse ⇒ Formation d’acides gras à courte chaîne (acetate, propionate, butyrate) absorbés dans la panse ⇒ source énergétique majeure Chevaux La est dégradée par la flore colique (colon développé) ⇒ Formation d’acides gras à courte chaîne (acetate, propionate, butyrate) 23 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Lipides (triacylglycérol) (FA fatty acids = acides gras) Acides gras essentiels polyinsaturés (C=C) Huiles plantes/huiles poisson omega-3/omega-6 24  3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») (liaison peptidique) Protéines Les protéines contiennent des C, O, H, et 16 % d’azote (N) en poids Leur oxydation génère du CO2 H2O et NH4+ (à éliminer) Nombre d’acides aminés entrant dans la composition des protéines? Propriétés de chacun ( liées à leur chaîne latérale R)? Aliphatiques non polaires Branchés Polaires non chargés Chargés (acides/basiques) Soufrés Aromatiques 25  Protéines 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») Les acides aminés essentiels doivent être fournis par l’alimentation car nos cellules ne peuvent les synthétiser Acides aminés essentiels « conditionnels »  générés à partir des AA essentiels 26  Protéines 3. Devenir des composés alimentaires (« fuel ») 27 4. Pouvoir énergétique des nutriments 4 kcal/g 9 kcal/g 4 kcal/g 7 kcal/g https://www.health.belgium.be/fr/sante/prenez- soin-de-vous/alcool-et-tabac/alcool 1 kilocalorie (kcal) = 4,18 kiloJoules (kJ) Correspond à la quantité d’énergie requise pour élever de 1°C la température de 1 L d’eau 28 4. Pouvoir énergétique des nutriments La capacité d’une molécule à être oxydée dépend de son état de réduction initial, déterminé par la structure-nature des groupements fonctionnels POUR RAPPEL:  Oxydation Perte d’e- résultant de la perte de H ou gain d’O  Réduction Gain d’e- résultant de gain de H ou perte d’O 29 5. Groupements fonctionnels des molécules biochimiques Les molécules biochimiques sont définies par: - leur squelette carboné - les groupes fonctionnels qui les composent Groupements oxydés/réduits: Groupements porteurs de charge: Selon le nombre d’e- autour du carbone  Anions (-ate) charge négative Groupements C=C sont plus oxydés que C-C  Composés azotés (en général basiques) charge positive à pH physiologique 30 5. Groupements fonctionnels des molécules biochimiques Polarité des liaisons Liaisons C-C et C-H: partage équitable des e- entre les atomes => liaisons non polaires/ relativement non réactives Liaisons C-O, C-N et C-S: partage inéquitable des e- entre les atomes (charge δ partielle) => liaisons polaires et réactives Nuage d’e- plus dense autour de l’atome avec la plus forte électronégativité Ces propriétés dictent le cours des réactions biochimiques Le carbone de l’acide carboxylique (δ+) attire les atomes δ- Acide carboxylique  ester, thioester, amide 31 6. Autres composés d’origine alimentaire VITAMINES (vita=vie) Molécules organiques de petite taille requises en faible quantité (µg-mg/jour) Hydro-solubles Lipo-solubles (A, D, E, K) Vitamines Lipo-solubles (A, D, E, K) et leur rôle Tableau tiré de Biochimie de Harper 32  6. Autres composés d’origine alimentaire Vitamines Hydro-solubles (B,C …) et leurs rôles La plupart sont utilisées pour synthétiser des coenzymes (assistants de la catalyse biochimique) Niacine (B3) => coenzyme NAD(P)+ Riboflavine (B2) => coenzyme FAD 33 Tableau tiré de Biochimie de Harper 6. Autres composés d’origine alimentaire MICROBIOTE = flore intestinale La communauté bactérienne hébergée dans l’intestin présente un répertoire métabolique distinct qui complémente celui humain. Il existe une relation entre diète/microbiote/santé  Environ 160 espèces bactériennes chez chaque individu (> 1000 espèces identifiées mais pas toutes cultivées/cultivables)  1014 bactéries/intestine  le nombre égal/supérieur à celui des cellules humaines  Dégradation des polysaccharides (> acides gras à courte chaîne SCFA)  Dégradation des polyphénols  Synthèse de vitamines (vit. B)  Modification des sels biliaires (Cours 12) 34 6. Autres composés d’origine alimentaire MINERAUX  Electrolytes majeurs de l’organisme (Na+ K+ Cl-)  Composants des os et autres fonctions (Ca P)  Activation d’enzymes (Mg2+)  Etc… 35 7. Le métabolisme en perspective… COMPLEXE Il existe plus d’un milliers de réactions chimiques formant un réseau interconnecté intégré Métabolites= molécules (100-500 Da) Métabolome= ensemble des métabolites d’une cellule MAIS Il existe des motifs communs dans les voies métaboliques: 1. Monnaie énergétique (ATP) 2. Intermédiaires activés (~100 molécules) dont les transporteurs d’électrons 3. Type de réactions biochimiques (6) 4. Mécanismes de régulation des voies métaboliques 36  7. Le métabolisme en perspective… 1. Monnaie énergétique: Adenosine Tri Phosphate (ATP) Les liaisons phosphoanhydride P-O-P sont « à haut potentiel énergétique » car instables (présence de groupements phosphate avec 4 charges négatives) Mg2+ Le groupement phosphoryl γ libéré après hydrolyse Mn2+ est transféré à un intermédiaire métabolique. 37 7. Le métabolisme en perspective… 2. Intermédiaires activés: Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) (pyridine nucleotide) NAD+: accepte 2 e- (ion hydrure :H-) => NADH + H+ libéré Réactions impliquant l’oxydation d’alcool et d’aldéhydes Exemple: Malate dehydrogenase Cycle de Krebs (Cours 3) NADP+: accepte 2 e- (ion hydrure :H-) => NADPH + H+ libéré Réactions dans les voies de biosynthèse principalement (acides gras-Cours 11) Voie des Pentoses-Phosphate (Cours 6) /Réactions de détoxifications 38  7. Le métabolisme en perspective… 2. Intermédiaires activés: Flavine Adenine Dinucleotide FAD: accepte 2 e- (2 H provenant de 2 atomes différents) => FAD(2H) ou FADH2 Réactions impliquant formation de liaisons C=C Exemple: Succinate dehydrogenase Cycle de Krebs (Cours 3/4) 39  7. Le métabolisme en perspective… 3. Type de réactions biochimiques Transfert d’électrons Transfert d’un groupe fonctionnel Clivage de liaisons par addition d’eau Elimination/addition de groupes Formation/clivage de liaisons doubles Réarrangements d’atomes pour former des isomères Formation de liaisons covalentes en présence de XTP 40  7. Le métabolisme en perspective… 3. Type de réactions biochimiques Mécanisme d’oxydation conservé 1. Formation d’1 C=C (FAD->FAD(2H) 2. Hydratation avec formation d’un alcool 3. Formation d’1 C=0 (NAD+->NADH + H+) 41 7. Le métabolisme en perspective… 4. Mécanismes de régulation des voies métaboliques But: assurer un contrôle du métabolisme rigoureux ET flexible (suivant conditions cellulaires extérieures) Le contrôle du métabolisme a lieu à plusieurs niveaux  1. Modulation de la quantité d’enzyme La quantité d’enzyme dépend du rapport entre les: * taux de synthèse (transcription/traduction) * taux de dégradation  2. Modulation de l’activité catalytique de l’enzyme * Contrôle allostérique réversible (voies de biosynthèse) : => le produit final inhibe la 1ere réaction de la voie métabolique * Modification covalente réversible par phosphorylation  activation/inhibition de l’activité * Contrôle hormonal assurant la régulation coordonnée  3. Accessibilité des substrats dans la cellule * Transfert entre cytosol et organites (mitochondries) * Compartimentalisation entre voies cataboliques et anaboliques (acides gras) * Etat énergétique cellulaire 42 8. Equilibre alimentaire & besoins énergétiques APPORT CONSOMMATION APPORT ENERGETIQUE RECOMMANDE ENERGETIQUE ENERGETIQUE Eapport alimentaire - Econsommée = Estockée 43 8. Equilibre alimentaire & besoins énergétiques Logo sur emballages établissant IMC Indice de Masse Corporelle (poids kg/taille m2) la qualité nutritionnelle d’un aliment Estimation de la corpulence d’une personne Statut nutritionnel entre 18-65 ans (video) Belgique (2014): 26,3 kg/m2 44  EXERCICES COURS 1 3. Type de réactions biochimiques 1. Oxydation/réduction A 2. Ligation 3. Isomérisation D 4. Transfert de groupe 5. Hydrolyse B 6. Addition/Enlèvement de groupes fonctionnels E A quel type de réaction correspondent ces réactions biochimiques? C 45  EXERCICES COURS 1 Question 1 Quel est le devenir principal des composés suivants (sucres, protéines, lipides) après absorption intestinale? A. Ils sont stockés sous la forme de triacylglycérides B. Ils sont oxydés pour produire de l’ATP C. Ils libèrent principalement de l’énergie sous la forme de chaleur D. Ils s’associent au CO2 et H2O et seront stockés E. Ils s’associent avec d’autres composés alimentaires dans les voies anaboliques  EXERCICES COURS 1 Question 2 Un patient est admis à l’hôpital en urgence dans le coma. Les analyses révèlent un taux sanguin élevé du composé suivant : CH2OH-CH2-CH2-COO- Sur la base de la structure et des groupes fonctionnels présent, quelle est l’identité de ce composé? A. Méthanol (alcool à bois) B. Ethanol (alcool) C. Ethylène glycol (antigel) D. β-hydroxybutyrate (corps cétonique) Ε. γ-hydroxybutyrate (drogue du viol)  EXERCICES COURS 1 Question 3 Un patient est diagnostiqué avec une déficience en enzyme lysosomiale α-glycosidase. Le nom de l’enzyme suggère qu’elle hydrolyse une liaison glycosidique qui est mieux connue comme une liaison formée de la façon suivante: A. A travers de multiples liaisons hydrogène entre 2 molécules de sucre B. Entre le carbone anomérique d’un sucre et le OH ou N d’une autre molécule C. Entre deux carbones anomériques dans les polysaccharides D. Formation d’une liaison interne entre le carbone anomérique d’un monosaccharide et son propre OH du 5eme carbone E. Entre le carbone contenant le groupement aldol ou le céto- et le carbone α du sucre  EXERCICES COURS 1 Question 4 L’une des sources principales d’acide non volatile dans l’organisme est l’acide sulfurique généré à partir des composés Ingérés contenant du sulfure ou bien provenant du métabolisme des acides aminés sulfurés. Lesquels de ces acides aminés peuvent porter à la formation d’acide sulfurique? A. Cystéine et isoleucine B. Cystéine et alanine C. Cystéine et méthionine D. Méthionine et isoleucine E. Isoleucine et alanine  EXERCICES COURS 1 Question 5 La phosphorylation des protéines est importante pour les processus de transduction du signal. Les protéines kinases phosphorylent les protéines seulement sur certains groupes OH présents dans les chaînes latérales de certains acides aminés. Lesquels de ces acides aminés contiennent de tels groupements dans la chaîne latérales et sont des substrats potentiels de ces kinases? A. Aspartate, glutamate et serine B. Serine, thréonine et tyrosine C. Thréonine, phenylalanine et arginine D. Lysine, arginine et proline E. Alanine, asparagine et serine