Métabolisme-Cours n°6_organized.pdf

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 Comment récuperer l’éner...

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 Comment récuperer l’énergie des cofacteurs réduits: la phosphorylation oxydative (respiration) Comment utiliser cette “énergie” ? La Phosphorylation oxydative mitochondriale NADH + H+ + 1/2 02 ⇔ NAD+ + H2O ∆G = - 220 kJ. mol-1 < 0 ADP + Pi ⇔ ATP ∆G = + 30 kJ. mol-1 > 0 Mitchell (prix Nobel 1978): il demontre que ce couplage n’est pas de type “chimique” La phosphorylation oxydative = 2 couplages 1 couplage chimiosmotique et 1 couplage osmochimique Membrane externe Espace inter membranaire Matrice Membrane interne Organisation en 4 complexes membranaires Le complexe I: Transferts des électrons du NADH vers l’ubiquinone Transport de 4 protons de la matrice vers l’extérieur de la mitochiondrie 20 chaines polypeptidiques, 7 couples redox (1 Flavine et 6 centres Fe/S) Énergie libérée: 70 kJ sur les 220 “contenues” dans le NADH centres Fe / S : c’est le couple Fe2+ / Fe3+ qui est impliqué Donc :1 seul électron mis en jeu par réaction Les quinones et l’Ubiquinone: Elles font intervenir 2 électrons et 2 protons Ce sont des molécules hydrophobes et solubles dans la membrane Le complexe III: Transferts des électrons de l’ubiquinone vers le cytochrome c 2 protons transportés de la matrice vers l’extérieur de la mitochondrie + 2 protons relachés à l’extérieur de la mitochondrie 8 chaines polypeptidiques, 4 couples redox (1 Fe/S et 3 cytochromes) Énergie libérée: 40 kJ sur les 220 “contenues” dans le NADH cytochromes: c’est le couple Fe2+ / Fe3+ qui est impliqué Donc :1 seul électron mis en jeu par réaction Remarque: Le potentiel redox demi redution dépend de l’environnement immédiat de l’ion Fe++ ou Fe+++ Le complexe IV: Transferts des électrons du cytochrome c vers O2 2 protons transportés de la matrice vers l’extérieur de la mitochondrie 13 chaines polypeptidiques, 4 couples redox (2 Cu et 2 cytochromes) Énergie libérée: 110 kJ sur les 220 “contenues” dans le NADH Un complexe secondaire permet d’alimenter la chaine via l’ubiquinone: Le complexe II (attention: pas de transport de protons associé) Tous les couples rédox impliqués sont organisés dans la chaine selon des valeurs croissantes - oxydant + oxydant Les inhibiteurs de la chaine: Roténone, Antimycine et Cyanure X X X Tout blocage entraine le ralentissement ou l’arrêt de la totalité de la chaine Bilan de la chaîne de transfert d’électrons en terme de couplage chimiosmotique • 1 NADH permet de transporter 10 H+ (200 kJ sur les 220kJ libérés par l’oxydation du NADH) • 1FADH2 permet de transporter 6 H+ L’oxydation du NADH permet de créer une force “proton-motrice” (pmf) Le passage des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire s’accompagne d’un ∆G >> 0 Il va se faire grâce à l’énergie des réactions d’oxydoréductions Le passage des protons de l’espace intermembranaire vers la matrice s’accompagne d’un ∆G << 0 Les protons représentent une force proton-motrice La force proton-motrice permet de synthétiser de l’ATP dans la mitochondrie On peut montrer que cette synthèse ne necessite pas « directement » de NADH. Elle peut se faire en absence des substrat de la chaîne de transfert d’électrons Expérience: Changement brutal de pH et ajout de valinomycine Création d’un gradient de protons et d’un gradient électrique L’ATP est synthétisé !!! C’est l’ATP synthase qui utilise la force proton-motrice pour “fabriquer” l’ATP F1: domaine catalytique Fo: canal à protons F1 est composée de 3 sous unités β et 3 sous unités α γ est au centre et fait le lien avec FO Les différentes sous unités α et β n’ont pas la même conformation (même si leurs séquences sont identiques) La force proton-motrice L permet de “libérer” l’ATP de son site de fixation sur la sous-unité ß O T Ce mécanisme est étayé par des évidences expérimentales Bilan de l’ATP synthase: 3 H+ pour 1 ATP Mais pour synthétiser l’ATP il faut de l’ADP et du Pi Bilan réel synthèse ATP : 4 H+ pour 1 ATP nt e em s n n e tio giqu c fon holo s Dy pat Réponse à une ischémie lors d’une attaque cardiaque activation de HIF-1 HIF-1 stimule la glycolyse (niveau transcriptionnel) HIF-1 se fixe et inhibe l’ATP synthase HIF-1 fonctionnel sous la forme d’un dimère dimérisation à pH < 6,5 Conditions réunies si ATP uniquement Synthétisé par glycolyse (lactate) Phénomène réversible Bilan de la chaîne de transfert d’électrons et de l’ATP synthase • • 1 NADH permet de transporter 10 H+, donc la synthèse de 2,5 ATP 1FADH2 permet de transporter 6 H+, donc la synthèse de 1,5 ATP Comment utiliser le NADH cytosolique ? PDH et Cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale Glycolyse dans le cytosol Entrée via la Glycerol-3-phosphate deshydrogénase Muscle squeletique et cerveau Plantes: NADH oxydase avec site actif coté cytosolique Entrée via la navette malate / aspartate Foie, reins, coeur Bilans oxydation du glucose • 2 ATP + 2 NADH lors de la glycolyse • 8 NADH + 2 FADH2 + 2 ATP dans le TCA Total 30 à 32 ATP* (1800 kJ récupérés / 2800 kJ disponibles) * Selon voie entrée NADH cytosolique dans la mitochondrie • Les couples rédox • La chaîne de transfert d’électrons • La FO/F1 ATPase • Bilans en terme d’ATP • Régulation de la phosphorylation oxydative Contrôle des voies métaboliques en amont de la chaine de transfert d’électrons La vitesse de fonctionnement de la chaîne de transfert d’électrons contrôle la vitesse de synthèse d’ATP mais L’inverse est également vrai ! Si la vitesse de synthèse de l’ATP est faible…….. ………la chaine de transfert d’électrons fonctionnera au ralenti La vitesse de la chaine de transfert d’électrons s’adapte en permanence pour maintenir la pmf à sa valeur optimale et quasiment constante au cours du temps c’est un système qui fonctionne dans un régime d’état stationnaire contrôle respiratoire: ratio ADP/ATP et « fuites » de protons O2 dans la cuve + succinate + succinate + ADP + CCCP 100% 0% temps La protéine découplante Initialement découverte dans le tissu adipeux brun Riche en mitochondries (cytochromes) Expriment la protéine découplante (l’UCP ou aussi appelée la thermogénine ) Permet de générer de la chaleur, notamment chez le nouveau né (et pas de l’ATP) Chaîne respiratoire ion rylat Fuite s spho Chaleur pho de H + DµH+ (force protomotrice) ATP * Il existe plusieurs UCP : UCP1 : tissu adipeux brun (fonction thermogénique) UCP2 : tout tissus et type cellulaire UCP3 : muscles squelettiques UCP4 : cerveau UCP5 : cerveau et foie * Il existe également des UCP chez les plantes Distribution tissulaire des différentes UCP Lien avec obésité ? Protocole d’étude de la variation de l’activité de UCP3 sur une population de femmes en surpoids suivant un régime alimentaire Université d’Ottawa 2002 Force protomotrice en fonction de la consommation en oxygène La consommation d’oxygène est plus importante chez les sujets répondant positivement ( carrés noirs) au régime que chez les résistantes (carrée blancs). Abondance relative des ARNm d’UCP3 en fonction du comportement face au régime L’abondance des ARNm de UCP3 dans le muscle squelettique est 25% plus importante dans le groupe répondant positivement au régime que chez les résistantes. x o s s e r t s c e v a Lien ? f i t yda Chaînes de transfert d’électrons et stress oxydatif: production de ROS la durée de vie des intermédiaires radicalaires comme le CoQH° dépend de la vitesse de respiration, plus cette vitesse est lente et plus la durée de vie est élevée (Rôle du Selenium dans la lutte contre le vieillissement cellulaire) UCP est impliquée dans la production de ROS via le contrôle de la respiration + NADH + ADP B + NADH + ADP + oligomycine Production ROS A WT WT + SOD + CCCP ROS et espérence de vie lignée WT ucp2-/- hUCP2Tg Age moyen de survie 22,56 ± 1,24 mo 14,33 ± 1,13 mo 23,95 ± 1,19 mo sod-/-_ucp2+/+ sod-/-_ucp2-/- 9,4 ± 2,18 jo 2,33 ± 0,47 jo La perte d’UCP2 raccourcit la durée moyenne de vie des souris. La surexpression de UCP2 n’a pas d’effet sur la durée de vie. La perte de SOD2 (1 des superoxydes dismutases mitochondriale) est dramatique pour la survie (quelques jours) montrant l’effet déletère des ROS. Dans ce contexte la perte d’UCP2 a un effet très significatif (diminution d’un facteur 2 à 4). UCP2 est impliqué dans la longévité de la survie des souris L’ensemble de ces expériences permet de proposer que UCP joue un rôle dans la durée de la vie en diminuant la production de ROS. Cette hypothèse est consistante avec la théorie « uncoupling-to-survive » dans laquelle une augmentation du découplage de la respiration/phosphorylation augmenterait la durée de vie dans diverses espèces. Thermogénèse chez certaines plantes: oxydase alternatives Chaines de transfert d’électrons et Myopathies mitochondriales (cerveau et muscles) nt e em s n n e tio giqu c fon holo s Dy pat début de l’exercice Fin de l’exercice [Pcr]/[Pi] Sujet sain Exemple d’un cas clinique 5 Myopathe 15 30 Temps (min) Diagnostic et traitement NADH ⇒ UQ ⇒ cyt c ⇒ O 2 X ⇓ ⇑ Ménadione ⇒ ascorbate début de l’exercice Fin de l’exercice [Pcr]/[Pi] Sujet sain Myopathe + thérapie 5 Myopathe 15 30 Temps (min) Analogies Phosphorylation oxydative et photosynthèse La photosynthèse: La synthèse d’ATP et la synthèse de cofacteurs réduits pour la synthèse de matière organique à partir de CO2 La phosphorylation oxydative: La synthèse d’ATP chez les plantes, les animaux…… Nutriments: carbohydrates et acides gras NADH, FADH2 O2 ADP et autres molecules organiques NAD+, FAD H2O ATP Chloroplaste Membrane interne Stroma Thylacoïdes Membrane externe Espace inter-membranaire Chloroplaste Membrane externe Lumiere Espace inter membranaire Matrice Membrane interne Membrane du thylacoïde La lumière naturelle fournit une énergie importante Energie lumineuse: photons E = hν 170 kJ / mole Synthèse ATP = + 30 kJ / mole Les pigments accessoires et les chlorophyles permettent de récupérer la quasi totalité de l’énergie lumineuse Structure de la chlorophylle