METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE

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METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE
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INTRODUCTION

• On a vu les mécanismes moléculaires des
  transports de matière
• (diffusion ou protéines transmembranaires, flux
  vésiculaire)

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Comment visualiser les CONVERSIONS d'énergie de
la cellule les forces qui déterminent direction
et intensité des déplacements de matière ?
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PLAN

• I. Structure générale du métabolisme et rôle des
  coenzymes
• II. Ex. d'anabolisme la Photosynthèse
• III. Ex. de catabolisme du Glucose

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I. Structure générale du métabolismeII. La
photosynthèse ex. d'anabolismeIII. Ex. de
catabolisme d'une molécule énergétique le
glucose

• A. Première étape glycolyse anaérobie dans le
  cytoplasme
• B. Deuxième étape devenir du pyruvate

On se place dans une cellule animale. cf. chez
cellules végétale
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• A. Première étape glycolyse anaérobie dans le
  cytoplasme

• 1- Entrée dans la glycolyse par formation de G6P
• a) Le G6P carrefour métabolique obtenu à partir
  de Glucose circulant ou de glycogène
• G6P non dialysable (chargé) bloqué dans la
  cellule
• Devenir en fonction des besoins cellulaires
  (cf. contrôles)
• - Voie des pentoses (formation des acides
  nucléiques, des coenzymes, des noyaux
  benzéniques...)
• - Sécrétion de glucose (déphosphorylation sans
  formation d'ATP!) dans le foie seulement
• - Réserves de glycogène (par glycogène
  synthétase)
• - Glycolyse

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• b) Les enzymes orientent (en pratique) le sens
  des réactions par leur spécificité de substrat
• A partir du glycogène
• - Glycogène Phosphorylase catalyse formation de
  G1P en présence de Pi. (Mutase le transforme en
  G6P)
• - Glycogène synthétase catalyse la réaction
  inverse
• A partir de Glucose
• - Hexokinase (muscle et foie) ou
• - glucokinase (foie)
• - catalysent formation de G6P
• DG' 13.8 kJmol-1
• par hydrolyse de l'ATP
• DG' - 30.5 kJmol-1 phase d'investissement
  .
• - Phosphatase du foie déphosphoryle G1P (ne
  produit pas d'ATP). Seul le foie sécrète du
  glucose dans le sang!

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1- Entrée dans la glycolyse par formation de
G6P 2- La glycolyse fournit de l'ATP et du
pyruvate par réduction des coenzymes a) Mise en
place et hydrolyse des liaisons phosphoester
riches en énergie a1) Phase d'investissement
phosphorylations du substrat et mise en place de
liaisons P
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3 ATP H2O ? ADP avec Dr1G' -30,5
kJmol-1 F6P? F1-6diP avec Dr2G' 16.3
kJmol-1 Bilan Dr12G' -14.2 kJmol-1
2 G6P ? F6P avec DrG' 2,2 kJmol-1
scission (par une aldolase) du F1-6diP en
Glycéraldéhyde3P DrG' 23 kJmol-1 tiré
ensuite par conversion de ac.1-3diPglycérique ? 2
ac.3Pglycériques, DrG' - 24 kJmol-1 (fois 2!)
1 ATP H2O ? ADP avec Dr1G' -30,5
kJmol-1 Gluc? G6P avec Dr2G' 14 kJmol-1 Bilan
Dr12G' -16.5 kJmol-1
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a) Mise en place et hydrolyse des liaisons
phosphoester riches en énergie a1) Phase
d'investissement phosphorylations du substrat
et mise en place de liaisons P a2) Formation
d'ATP par couplage avec l'hydrolyse des liaisons
énergétiques
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• Inverse du cycle de Calvin
• 2 ac3Pglycérique 2ATP aspirateur
  thermodynamique de la scission du F16dP

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a) Mise en place et hydrolyse des liaisons
phosphoester riches en énergie b) Réduction du
NAD, accepteur de e- et H TrioseP ?
1,3BPG DG' - 4.2 kJmol-1

• BILAN
• 2 Pyruvate 2 ATP (à partir de 2 PEP)

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(No Transcript)
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Evolution du niveau énergétique des
intermédiaires de la glycolyse
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a) Mise en place et hydrolyse des liaisons
phosphoester riches en énergie b) Réduction du
NAD c) Bilan de la glycolyse
c1) voie énergétique - Reste à exploiter les 2
Pyruvate 4 2 2 ATP c2) voie constructive ne
fournissant pas d'ATP - Lipides à partir d'ac
Pglycérique - Protides à partir de Pyr donne
Ala à partir de PEP donne Tryp, Tyr, Phé -
Glucides à partir de G6P donne Glycogène (ou
amidon), cellulose (à partir d'UDPGlu
cytoplasmique) à partir de G6P oxydé donne
pentoses (nucléotides)
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1- Entrée dans la glycolyse par formation de
G6P 2- Etapes de la glycolyse 3- Régulations et
contrôles de la glycolyse a) Régulations par
facteurs cytoplasmiques b) Contrôles par facteurs
hormonaux
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a) Régulations par facteurs cytoplasmiques a1)
En fonction de Glu extracellulaire glycolyse ?
dans foie (glucokinase pas à vmax) puis la
glycogénogenèse a2) En fonction de Pi -
inhibition de glucokinase par Pi favorise un
peu glycolyse (et formation de 1,3-BPG par
deshydrogénase) et beaucoup sécrétion de glucose
par le foie a3) En fonction du rapport ATP/AMP
joue sur F6P/F16dP - ATP inhibe fructokinase (F6P
? F16dP) et active F16dPphosphatase ? favorise
formation de F6P - AMP inhibe F16dPphosphatase et
active fructokinase ? formation de F16dP a4) En
fonction de PO2 - Inhibe deshydrogénase (par
oxydation) - Amorce voie des pentoses (à partir
de G6P) ? détourne la glycolyse (évite
engorgement des mitochondries indirectement) -
Favorise respiration mitochondriale ce qui tire
Pyr (aspire indirectement glycolyse) donc
désengormge mitochondries
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a) Régulation par facteurs cytoplasmiques b)
Contrôle de la glycolyse par facteurs
hormonaux b1) Insuline - Récepteur
membranaire (tyrosine kinase dimèrique grosse
tete 600 à 900 aa extracellulaire 25 aa
transmembranaires en hélice alpha 50 aa
intracelulaires portant site de fixation de ATP
et site actif de fixation du substrat et de
phosphorylation) - augmente perméabilité
cellulaire à Glucose en activant Glut4
indirectement (et au Galactose également) donc
augmente Gluinitiales ce qui augmente G6P ce
qui favorise glycolyse de plus, lève inhibitions
sur hexokinase - active glycogène synthétase
dans tous les tissus (foie et muscle)
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b2) Adrénaline et Glucagon - Rappel Adrénaline
hormone synthétisée par medullosurrénale agit
sur muscle, foie et tous les tissus -
Rappel glucagon hormone peptidique synthétisée
par îlots de Langerhans n'agit pas sur les
muscles mais sur le foie - Active adénylate
cyclase qui transforme ATP en AMPc capable
d'activer Protéine kinase qui inhibe la glycogène
synthétase et active la glycogène phosphorylase,
par phosphorylations donc favorise glycolyse et
sécrétion de glucose
Glucagon
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• A. Première étape glycolyse
• B. Voies issues de la glycolyse et devenir du
  pyruvate voies constructives, fermentations ou
  respiration mitochondriale

1- Fermentations a) Fermentation lactique dans
les muscles un gaspillage énergétique qui
permet de réoxyder les coenzymes - Pyr donne
lactate par lactate déshydrogénase (CO donne
C-HOH) cf. TP enzymo - DlactateH' - 217,4
kJmol-1 - Rendement apparent bon 2 ATP/2
lactates 31/217 25 en réalité, lactate pas
utilisé par les cellules (lésions, coagulation,
raideurs) partiellement réutilisé dans le foie.
Rendement réel 61/2821 2 gaspillage -
Certaines bactéries lactiques ne fonctionnent que
comme cela. Ex. Lactobacille, qui coagule la
caséine
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(No Transcript)
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1- Fermentations a) Fermentation lactique b)
Fermentation alcoolique chez les levures et
bactéries - Pyr ? acétaldéhyde (avec pyruvate
décarboxylase coenzyme thiamine pyrophosphate)
CO2 en présence de H - acétaldéhyde ? éthanol
(CH3CH2OH) par alcool deshydrogénase - enzymes
absentes des cellules animales - Fermentation
anaérobie stricte chez E. Coli (symbiote) et
parasites (Ascaris, Nématodes) - Fermentation
anaérobie facultative vie ralentie des levures
(Pain) et moisissures (Mucor), hématies nuclées
des vers inf, ovocytes d'oiseau avant fécondation
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(No Transcript)
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1- Fermentations 2- Entrée dans le cycle de Krebs
formation d'acétylCoA à partir de Pyruvate et
réduction des coenzymes a) Apoenzymes à
cofacteurs Par un complexe multienzymatique
matriciel - E1 décarboxylase à cofacteur
thiamine PP (vit B1), - E2 lipoatetransacétylase
à cofacteur coenzyme A (Adénine-ribose-pp-vit
pantothénique- NH-CH2-CH2-SH provenant de la
cystéine), - E3 deshydrogénase à cofacteur FAD
(Adénine- ribose- PP- ribitol-Flavine vit B2)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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b) Bilan - Rejet CO2 - Formation de FADH2
donnant NADHH - Formation de liaison thioester
de l'acétylCoA riche en énergie DG' - 31.8
kJmol-1
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(No Transcript)
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3- Le cycle de Krebs Formation d'ATP par
décarboxylations et réduction des coenzymes a)
Principales étapes du cycle de Krebs
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(No Transcript)
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3- Le cycle de Krebs Formation d'ATP par
décarboxylations et réduction des coenzymes a)
Principales étapes du cycle de Krebs - Entrée
dans le cycle par rupture de liaison thioester -
Succession de décarboxylations et
deshydrogénations permet destruction totale de
l'acide acétique N.B Permet également
dégradation des acides gras et aa b) Bilan - 1er
temps (entrée dans le cycle) 2 CO2 2
NADHH - 2ème temps 4 CO2 6 NADHH 2
FADH2 2 ATP NOTA Régulations du cycle de
Krebs - Formation de FADH2 DG'
26kJmol-1 aspiré thermodynamiquement par rupture
de liaisons acétylCoA DG' - 32 kJmol-1 -
Activation hormonale de E1 par insuline (lève
inactivation de la carboxylase) - Inhibition par
encombrement saturation en NADH2 et AcétylcoA
(NAD et CoA ne sont plus disponibles)
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4- Phosphorylations oxydatives et réoxydation des
coenzymes dans la membrane interne des
mitochondries a) Mee expérimentale des
transporteurs d'e- et flux de H - ultrasons
vésicules mitochondriales étranglées à pH
cavitaire acide - Disposition asymétrique de
complexes supramoléculaires (complexes I à
IV) - L'état oxydé/réduit des cytochromes
est suivi par étude du spectre d'absorption (3
pics pour forme réduite, un seul a pour forme
oxydée) - Importance de la fluidité membranaire
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• - Etude expérimentale du fonctionnement de
  l'ATPsynthétase ou ATPase
• oligomycine ferme Fo transmembranire
• DNP (dinitrophénol) protonophore découple
  ATPase
• (cf ionophores à H des mito des tissus adipeux
  bruns des hibernants)
• - Conséquences du gradient de H ddp 150 mV
• pH intermembranaire 1 ou 2
• - couplage cytochrome/complexe IV par
  incorporation aléatoire dans bicouche de vésicule
  lipidique seule la position cyto externe/efflux
  de protons est fonctionnelle (sinon, pas d'efflux
  de proton)

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b) Modéle énergétique transfert d'e- selon les
potentiels croissants - Diagramme
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Diagramme des potentiels
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(No Transcript)
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b) Modéle énergétique transfert d'e- selon les
potentiels croissants - Diagramme - Bilan 3 ATP
pour 2 e- soit pour 1 NADH,H c) Modèle
membranaire et théorie chimiosmotique
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Matrice
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• d) Bilan et Rendement
• Glycolyse - 2 ATP 4 ATP 2 NADH2
  transformés en 2 FADH2 par navette à protons
  GlycerolP
• puis complexe II (Membrane des mito imperméable
  à NADH2)
• Cas des navette Malate/Aspartate NADH2 peut
  donner NADH2
• Krebs 2 ATP 8 NADH2 2 FADH2
• Respiration mitochondriale (Phosphorylations
  oxydatives et réoxydation des coenzymes dans la
  membrane des mito)
• 2 ATP par FADH2 soit 42 8 ATP pour glycolyse
  et Krebs
• 3 ATP par NADH2 soit 38 24 ATP pour Krebs
• TOTAL 36 ATP
• RENDEMENT 3630.5/2820100 40
• Rendement proche de 50 en conditions
  cellulaires!!!

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e) Navette à protons entre cytoplasme et
mitochondrie - Navette GlycerolP - Navette
Malate Aspartate
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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f) Respiration mitochondriale des
végétaux Multiples NAD(P)H déshydrogénases (ou
NDH) complexe I 2 NDH (matricielle et
externe) Court-circuitent complexe I et
insensibles à la roténone (inhibiteur du complexe
I) - La NAD(P)H déshydrogénase interne oxyde le
pool de NAD(P)H lorsque celui-ci est très élevé
dans la matrice. - La NAD(P)H déshydrogénase
externe oxyde directement le NADH formé par la
glycolyse et/ou le NADPH qui résulte de
l'oxydation du glucose 6-phosphate par la voie
des pentoses phosphates. Se substitue aux
navettes à H des animaux.  
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2 voies de transfert des électrons (à oxydase
terminale) - La voie cytochromique "classique"
dont cytochrome c oxydase (complexe IV) sensible
au cyanure - La voie alternative à AOX (OXydase
Alternative insensible au cyanure). AOX consomme
O2 et forme H2O Court-circuite, au niveau du
pool des quinones, deux sites de pompage de
protons ? très peu ou pas productrice d'ATP Rôle
oxyder rapidement substrats respiratoires
lorsque la charge énergétique est élevée et de
réduire la tension d'oxygène (produisant des AOS
Activated Oxygen Species) En conditions
normales AOX faiblement exprimée (sauf chez les
Aracées responsable de thermogenèse des organes
floraux). Forte stimulation de AOX est en
conditions de stress biotiques (froid,sécheresse..
.) et abiotiques (attaque par les pathogènes,
réponse hypersensible...).
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5- Autre devenir du pyruvate gluconéogenèse a)
Origine du Pyr à partir des aa Catabolisme des
aa dans le foie (ex Ala) - Par transamination
grâce à une alanine aminotransférase qui utilise
l'alphacétoglutarate et l'alanine pour donner du
glutamate (lequel peut être dirigé vers le cycle
de l'urée) et du pyruvate D'autre aa sont
cetogènes ie donnent non pas PYR mais
cetoglutarate et/ou AOA
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• b) Irréversibilité de la gluconeogenèse
• - Rappel 3 étape irréversibles de la glycolyse
  
• 1- Glu donne Glu6P
• 3- F6P donne F16diP et
• 10- PEP donne PYR
• - Gluconeogenèse utilise enzymes cytoplasmiques
  différentes pour 1 et 3.
• - Pour la transformation du Pyr, il faut utiliser
  une enzyme mito
• PYR traverse les membranes mitochondrie
• PYR HCO3- se transforme grâce à pyruvate
  carboxylase (dont le coenz est la biotine) et
  avec conso d'ATP qui libère Pi donne AOA
• AOA ne traverse pas les membranes mito il doit
  être hydrogéné grâce au NADH2 en Malate
• Le malate peut traverser les membranes mito.
• Dans le cyto, le NAD deshydrogène le malate en
  AOA
• AOA donne ensuite PEP et CO2 avec conso d'une GTP
  qui redonne GDP
• cout énergétique 4 ATP 2 GTP 2 NADH2

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(No Transcript)
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PYR HCO3- ATP? AOA Pi(grâce à pyruvate
carboxylase à coenz biotine) AOA ne traverse pas
les membranes mito hydrogéné par NADH2 en
Malate Le malate peut traverser les membranes
mito. Dans le cyto, le NAD deshydrogène le
malate en AOA AOA donne ensuite PEP et CO2 avec
conso d'une GTP qui redonne GDP cout énergétique
4 ATP 2 GTP 2 NADH2
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(No Transcript)
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6- Voie constructive dérivée du cycle de Krebs et
régénération des intermédiaires
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• A. Première étape glycolyse
• B. Devenir du pyruvate
• C. Catabolisme des lipides cas de la b
  oxydation des acides gras dans les mitochondries

1- Hydrolyse des triglycérides en glycérol et
acides gras 2- Entrée des acides gras dans la
mitochondrie transport par la L carnitine des
acylCoA à chaines longues
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(No Transcript)
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1- Hydrolyse des triglycérides 2- Entrée des
acides gras dans la mitochondrie 3- Hydolyse des
AcylCoA à longues chaines en AcylCoA à moyennes
et courtes chaines et AcétylCoA par
deshydrogénases, hydratatses et thiolases
matricielles
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(No Transcript)
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1- Hydrolyse des triglycérides 2- Entrée des
acides gras dans la mitochondrie 3- Hydolyse des
AcylCoA à longues chaines 4- cas des AcylCoA à
très longues chaines complexes de la membrane
interne trifonctionnel
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(No Transcript)