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NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE ET CYCLE DE KREBS

PCEM1 2006-2007 S. ALLOUCHE

PLAN

1. NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE

2. CYCLE DE KREBS

NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· C'est l'étude des variations énergétiques associées aux réactions biochimiques · La variation d'énergie libre (G) d'une réaction est un critère pour savoir si la réaction peut se produire spontanément. Le G, c'est un potentiel chimique. · La G c'est la « force » qui permet à la réaction d'atteindre l'équilibre · La variation d'énergie libre ne permet pas de prévoir la vitesse de la réaction · La variation d'énergie libre est indépendante de la voie lors de la transformation du substrat en produit (idem si 1 ou plusieurs étapes)

· Si G= 0 le système est à l 'équilibre · Si G< 0 la réaction est thermodynamiquement favorable avec libération d'énergie : exergonique (cas de réactions du catabolisme) · Si G> 0 la réaction n'est pas spontanée (il faut apporter de l'énergie) : endergonique (cas de réactions de l'anabolisme)

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Relation entre G et constante d'équilibre

A+B

C+D

· Utilisation de conditions standards comme référence : G0 (variation d'énergie libre standard) A 298 K, 1 atm et tous les réactifs à 1 M G = Go + RT ln [C] [D] / [A] [B] où T = température en kelvin et R = 1.98 10-3 kcal/mol/K Pour les réactions biochimiques : conditions standards à pH = 7, G0 ` · On peut calculer la G0 ` à l'équilibre lorsque l'on peut déterminer les concentrations des produits et substrats G = 0 · D'où, Go' = - RT ln [C] [D] / [A] [B] en kcal / mol (1 cal = 4.184 J) · Keq = [C] [D] / [A] [B]

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· A l 'équilibre, [3-phospho-glycéraldéhyde] /[PDHA] = 0.0475 à 25°c et à pH=7.

· G °' = - 2.303 X RT X Log10 [3-phospho-glycéraldéhyde] /[PDHA] = - 2.303 X 1.9810-3 X 298 X Log10 (0.0475) = + 1.8 kcal/mol · Calcul G lorsque les concentrations initiales en 3-phosphoglycéraldéhyde et de PDHA sont respectivement de 3 10-6 M et de 2 10-4 M. G = Go ' + 2.303 RT Log10 [3-phospho-glycéraldéhyde]i/[PDHA]i = 1.8 103 + 2.303 Log10 (3 10-6 / 2 10-4 ) = -0.7 kcal/mol Donc si G < 0, réaction spontanée

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

Le critère de spontanéité d 'une réaction est lié à la G et non pas à la Go '

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Couplage de réactions

1

A B

2

C

· Variation d 'énergie libre standard Go1 ' (réaction 1) et Go2 ' (réaction 2). B n 'est qu'un produit intermédiaire de la réaction globale. · Go totale ' = Go1 ' + Go2 ' · Si réaction 1 est endergonique mais réaction 2 exergonique, la réaction globale peut être thermodynamiquement favorisée Go totale '<0

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

1

Glucose + Pi

Glucose-6P + H2O

Go ' = +13.8kJ/mol (3.298kcal/mol)

· La réaction est possible par couplage à l'hydrolyse de l'ATP

2

ATP + H2O

ADP + Pi

Go ' = - 30.5 kJ/mol (-7.289 kcal/mol)

· au total :

Glucose + ATP

Glucose-6P + ADP

Go ' =+ 13.8 - 30.5 = -16.7 kJ/mol

· Dans ce cas, l 'énergie contenue dans la liaison de l 'ATP est utilisée pour permettre la synthèse du glucose-6-phosphate, dont la formation à partir du glucose et du Pi est endergonique.

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Utilisation des composés phosphorylés riches en énergie - L'hydrolyse des liaisons riches en énergie endergoniques (anabolisme) - L'ATP et l'ADP ont une place importante libération d'énergie utilisée pour réactions

pH physio. groupements ionisés

Liaisons anhydrides riches en énergie

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

énergie libérée

· La Go ' de l'hydrolyse de l'ATP est fonction de plusieurs paramètres : pH intracellulaire, concentrations ATP, ADP, Pi

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

énergie libérée

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Rôles de l'ATP : -dans les réactions enzymatiques, son hydrolyse libère énergie utilisée pour des réactions endergoniques -libère de l'énergie utilisée dans d'autres processus cellulaires (contraction musculaire, maintien pression osmotique cellulaire, l'influx nerveux ...) -dans des réactions enzymatiques, où il y a transfert d'une partie de la molécule d'ATP (phosphorylation, activation de la vitamine B1, activation des acides gras...)

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Les composés phosphorylés : - « Les composés phosphorylés riches en énergie », G importante lors de leur hydrolyse : - le phospho-énol-pyruvate - la phosphocréatine - l 'acide 1,3 diphosphoglycérique

- « Les composés phosphorylés pauvres en énergie », G plus faible lors de leur hydrolyse : -le glucose-6P -le glycérol-P

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· « Les composés phosphorylés riches en énergie »

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· « Les composés phosphorylés riches en énergie »

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· « Les composés phosphorylés riches en énergie »

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

· Quelle est la place de l'ATP ? - l 'ATP occupe une position intermédiaire et unique transporteur obligatoire des phosphates entre les composés phosphorylés riches et pauvres en énergie

CYCLE DE KREBS

· · Cycle de Krebs = cycle du citrate = cycle de l'acide tricarboxylique Cycle de Krebs = réactions dans la mitochondrie (matrice) qui permettent le catabolisme de l'acétyl~CoA en cofacteurs réduits (NADH,H+, FADH2) et CO2 ENERGIE sous forme d'ATP Ces réactions se produisent en conditions aérobies (+ d'énergie / anaérobie) La respiration cellulaire = processus qui transforment les métabolites énergétiques (ex:glucose) en ATP ­ 3 étapes : Production d'acétyl~CoA (catabolisme AA, AG et glucides) Oxydation d'acétyl~CoA (GTP, NADH,H+, FADH2) Phosphorylation oxydative (oxydations NADH,H+, FADH2 et synthèse d'ATP)

· ·

1. 2. 3.

ORIGINES DE L'ACETYL~CoA

· A partir du pyruvate ( via la glycolyse) · A partir de la -oxydation des acides gras · A partir de certains AA adénine Ribose 3-phosphate

Acétyl~CoA

ADP

-mercapto ethylamine

acétate

Acide pantothénique liaison amide Liaison thioester

(1) ORIGINE GLUCIDIQUE DE L'ACETYL~CoA

(1) ORIGINE GLUCIDIQUE DE L'ACETYL~CoA

Pi

(1) ORIGINE GLUCIDIQUE DE L'ACETYL~CoA

· 1. Le devenir du pyruvate : Métabolisme anaérobie : transformation pyruvate deshydrogénase, cytoplasmique). lactate catalysée par LDH (lactate

pyruvate

lactate

Réaction avec consommation de NADH,H+pour permette à la glycolyse de se poursuivre (G3Pdeshydrogénase). Lactate = substrat pour tissus cardiaques, musculaires et hépatiques. 2. Métabolisme aérobie : décarboxylation oxydative du pyruvate en acétyl ~CoA par le complexe enzymatique de la pyruvate deshydrogénase.

(1) LA PYRUVATE DESHYDROGENASE (PDH)

· · 1. 2. 3. · Entrée du pyruvate dans la mitochondrie via transporteur dans membrane interne La PDH est composée de 3 enzymes différentes : pyruvate deshydrogenase (E1) dihydrolipoyl transacetylase (E2) dihydrolipoyl deshydrogenase (E3) 5 coenzymes sont nécessaires : CoA, NAD+, FAD+, acide lipoïque et la thiamine pyrophosphate (TPP) la thiamine pyrophosphate (TPP), l'acide lipoïque et le FAD+ sont fixés sur les enzymes E1, E2 et E3 respectivement. Le CoA et la NAD+ sont des cofacteurs mobiles

·

·

(1) LA PYRUVATE DESHYDROGENASE (PDH)

(1) LA PYRUVATE DESHYDROGENASE (PDH)

· Bilan de la réaction : Pyruvate + CoASH + NAD+ ------> CO2 + acetyl-CoA + NADH + H+ Les cofacteurs : nicotinamide NAD+

Niacine = acide nicotinique = vitamine B3. Nicotinamide = vitamine PP Carence dermatites, pertes poids, diarrhées et pellagre.

(1) COFACTEURS (PDH)

TPP

Toute carence en thiamine (vitamine B1) constipation, appétit, nausée, dépression, fatigue. Déficit + sévère ataxie, confusion mentale. Quand déficit thiamine + régime riche en glucides = Béribéri.

(1) COFACTEURS (PDH)

H+

FADH2

H+

· Dérive de la riboflavine = vitamine B2. Déficit rare : glossite, séborrhée.

(1) COFACTEURS (PDH)

· l'acide lipoïque ou lipoate possède 2 groupements thiol · sert de transporteur de groupement acyl ou d'électrons · Il est fixé par une liaison amide à la dihydrolipoyl transacétylase (E2)

(2) ORIGINE LIPIDIQUE DE L'ACETYL~CoA

· Les acides gras (chaînes moyennes et longues) entrent dans la mitochondrie via le système carnitine · Ils subissent des réactions de déshydrogénation et d'oxydation libérant 1 molécule d'acétyl~CoA à chaque tour d'hélice = -oxydation.

(2) ORIGINE LIPIDIQUE DE L'ACETYL~CoA

(3) ORIGINE PROTEIQUE DE L'ACETYL~CoA

· La production énergétique par la dégradation des AA est faible : 10-15 % chez homme · Parmi les AA, on distingue ceux qui sont : cétogènes, glucogènes ou les 2 · ex : 5 AA qui fournissent de l'acétyl~CoA via le pyruvate : Ala, Gly, Ser, Cys et Trp Glutamate -cétoglutarate

ALAT ou TGP

réaction de transamination entre l'alanine et l'-céto-glutarate

(3) ORIGINE PROTEIQUE DE L'ACETYL~CoA

UN PEU D'HISTOIRE....

· Début des expériences dans les années 30 : utilisation de broyats musculaires de pigeon (riche en

mitochondries) · L'addition d'acides dicarboxyliques connus pour être présents dans ces tissus (succinate, fumarate, malate) augmentait la consommation d'oxygène : Szent-Györgyi · Puis on mit en évidence l'implication de l'oxalo-acétate dans ce cycle, dont on savait qu'il pouvait dériver du pyruvate. ·Ce n'est qu'en 1937 que Martius et Knoop découvrirent que le citrate pouvait être transformé en isocitrate puis en -cétoglutarate ; on savait que ce dernier pouvait donner du succinate. ·Ce sont Krebs et Johnson qui démontrèrent que le citrate résultait de la combinaison entre le pyruvate et l'oxalo-acétate. Ceci valut le prix Nobel à Krebs en 1953. Pas tout à fait exact !! · Plus tard démonstration que le citrate résulte de la réaction entre l'acétyl coenzyme A, lui-même dérivant du pyruvate, et l'oxalo-acétate.

CYCLE DE KREBS OU DU CITRATE

IDH : isocitrate deshydrogénase KGDH : céto-glutarate deshydrogénase

8 étapes

(1) CONDENSATION ENTRE L'OXALO-ACETATE ET DE L'ACETYL~CoA

Go' = - 7.5 kJ/mol

Le citrate : un acide tricarboxylique à 6 carbones, fonction alcool Réaction se déroule en 2 étapes : 1. Fixation OA sur enzyme, modification, fixation de l'acétyl~CoA condensation aldolique avec formation du citryl~CoA - hydrolyse du citryl~CoA (thioester à énergie élevée) en citrate et CoASH qui sont libérés

(1) CONDENSATION ENTRE L'OXALO-ACETATE ET DE L'ACETYL~CoA

attaque fonction cétone

(1) CONDENSATION ENTRE L'OXALO-ACETATE ET DE L'ACETYL~CoA

· Réaction très exergonique favorable

utilisation de l'oxalo-acétate dont la formation à partir du malate n'est pas

· Faible concentration OA favorise cette réaction = entrée irréversible dans le cycle · C'est une étape clé du cycle : La citrate synthase, qui catalyse l'entrée de l'acétyl-CoA dans le cycle, est inhibée de manière allostérique par l'ATP

·Le citrate sert à la synthèse des acides gras : en excès de citrate transporteur spécifique des tricarboxylates inhibition PFK-1

sortie hors de la mitochondrie via un biosynthèse AG et

acétyl~CoA (clivage par la citrate lyase)

(1) CONDENSATION ENTRE L'OXALO-ACETATE ET DE L'ACETYL~CoA

· Réaction anaplérotique (réaction qui aboutit à un transfert net dans le cycle) pour maintenir une concentration adéquate en oxalo-acétate et faire rentrer l'acétyl-CoA dans le cycle · Réaction catalysée par la pyruvate carboxylase

(2) PASSAGE DU CITRATE EN ISOCITRATE 91 %

1 3 4 5 5 1 3 4

6%

Go' = + 1.5 kJ/mol 91 % · c'est une isomérisation réversible du citrate en isocitrate

6%

· réaction catalysée par l'aconitase (aconitate hydratase) : protéine à centre fer / soufre Fe4S4 · Formation d'un intermédiaire : le cis-aconitate (3 %) ·A première vue, les groupements -CH2COOH sont identiques. L 'aconitase peut interagir soit avec l 'oxygène du C1 ou du C5. Quand interaction avec C5, l 'hydrogène du C4 est correctement positionner pour son arrachement et le groupement hydroxyl quitte le C3

(2) PASSAGE DU CITRATE EN ISOCITRATE H2O

H2O

(2) PASSAGE DU CITRATE EN ISOCITRATE

· Cette réaction est endergonique mais possible car la suivante est consomme l'isocitrate en -cétoglutarate

·La réaction est inhibée par le fluoroacétate, qui sous forme de fluoroacétyl-CoA se condense avec l'oxaloacétate pour former le fluorocitrate ; ce dernier inhibe l'aconitase.

(3) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' ISOCITRATE EN -CETOGLUTARATE

Go' = - 2 kJ/mol · Deshydrogénase à NAD et cations divalents (Mg2+ ou Mn2+) · Réaction en 2 étapes : 1. Le groupement hydroxyl en C4 de l 'isocitrate est oxydé en oxalo-succinate 2. Décarboxylation l'oxalo-succinate en -cétoglutarate (provient de l'OA)

(4) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' -CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

Go' = - 7.2 kJ/mol · Réaction catalysée par l'-cétoglutarate deshydrogénase (complexe enzymatique) analogue à la pyruvate deshydrogénase · 3 activités enzymatiques : l'-cétoglutarate deshydrogénase,dihydrolipoamide transsuccinylase et la dihydrolipoamide succinyl deshydrogénase

(4) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' -CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

· 1. 2. 3. · ·

3 cofacteurs liés sur les 3 types d'enzymes : TPP Lipoamide FAD 2 cofacteurs libres : NAD+ et CoASH Différentes étapes :

1. Décarboxylation de l'-cétoglutarate en succinaldéhyde par l'activité -cétoglutarate deshydrogénase en présence du TPP (fonction carboxyl provient de l'OA)

(4) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' -CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

Noyau thiazole

2. Transfert du groupement succinaldéhyde de la TPP sur le lipoamide (transsuccinylase) avec réduction du lipoamide et formation du succinyl (liaison acyl-thiol riche énergie)

(4) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' -CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

3. Transfert du succinyl (liaison acyl-thiol riche énergie) du lipoamide sur CoASH par la transsuccinylase formation succinyl~CoA Réduction du lipoamide en dihydrolipoamide

(4) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE L' -CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

4. Réoxydation du dihydrolipoamide par la dihydrolipoamide succinyl deshydrogénase enzyme à FAD

Transfert des électrons et protons sur NAD+

(5) TRANSFORMATION DU SUCCINYL~COA EN SUCCINATE

molécule symétrique

Go' = - 0.8 kJ/mol

· Réaction catalysée par la succinyl-CoA synthétase ou succinate thiokinase · Transfert d'énergie de liaison thioester pour former du GTP · Tranfert du phosphate du GTP sur l'ADP par nucléoside diphosphate kinase

ATP

(6) TRANSFORMATION DU SUCCINATE EN FUMARATE

Go' = ~ 0 kJ/mol · Réaction catalysée par la succinate deshydrogénase (SDH) · Flavoprotéine de membrane interne mitochondriale de la chaîne respiratoire · Transfert des électrons sur FAD et protons sur Coenzyme Q · Formation du fumarate composé en trans · Peu différence des potentiels rédox entre Succinate/fumarate et Q/QH2

(6) TRANSFORMATION DU SUCCINATE EN FUMARATE

· Inhibiteur compétitif : malonate

(7) TRANSFORMATION DU FUMARATE EN MALATE

· Réaction catalysée par la fumarase ou fumarate hydratase ·Liaison du fumarate sur l 'enzyme : molécule symétrique

Go' = -0.9 kJ/mol

·Un seul côté de la double liaison est accessible à la molécule d 'H2O Addition d'une molécule d'eau sur la double liaison C=C du fumarate de manière stéréospécifique pour donner le L-malate

(8) TRANSFORMATION DU MALATE EN OXALOACETATE

Go' = + 7.1 kJ/mol

· Dernière étape du cycle catalysée par la malate deshydrogénase (MDH) · Oxydation de la fonction alcool cétone · Couplée à la réduction du NAD+ · Potentiel rédox couple NADH,H+/ NAD+ + négatif / celui malate/OA réaction endergonique

BILAN DU CYCLE

· Cycle de Krebs = 8 réactions conduisant à l'oxydation complète de l'acétyl-CoA et à la production de cofacteurs réduits (NADH,H+ et FADH2) et de GTP :

BILAN DU CYCLE

Le NADH,H+ et FADH2 seront ensuite oxydés au niveau de la chaîne respiratoire et par le biais de la phosphorylation oxydative permettront la production d'ATP. 1 molécule de NADH,H+ 1 molécule de FADH2 3 molécules d'ATP 2 molécules d'ATP

Le transfert d'énergie du GTP sur l'ADP permet de former une molécule d'ATP. Au bilan, pour l'oxydation complète d'une molécule d'acétyl-CoA, on obtient : -3 molécules de NADH,H+ -1 molécule de FADH2 -1 molécule de GTP ( ATP) Soit au total, 12 molécules d'ATP

REGULATION DU CYCLE

L'activité du cycle de Krebs est sous le contrôle étroit des besoins énergétiques de la cellule

3 étapes du cycles de Krebs sont régulées : - La citrate synthase, qui catalyse l'entrée de l'acétyl-CoA dans le cycle, est un enzyme inhibé de manière allostérique par l'ATP. - L'isocitrate deshydrogénase activé allostériquement par l'ADP - L'-cétoglutarate deshydrogénase, inhibé par le NADH,H+ et par le succinyl-CoA, produit final de la réaction

ROLE CENTRAL DU CYCLE DE KREBS DANS LE METABOLISME

Rôle amphibolique du cycle de Krebs : rôle dans les processus d'oxydation et de synthèse

· Décarboxylation l'oxalo-acétate par phosphoénolpyruvate carboxykinase phosphoénolpyruvate anabolisme gluconéogénèse glucose.

· Les réactions de transamination, qui sont réversibles, contribuent à la synthèse des acides aminés non essentiels. · L'acétyl-CoA synthèse des acides gras à longue chaîne dans le cytosol, oblige la

sortie de l'acétyl-CoA sous forme de citrate, qui sous l'action de la citrate lyase, redonne de l'acétyl-CoA et de l'oxalo-acétate mais consomme de l'ATP.

LES NAVETTES MITOCHONDRIALES

·

Le NADH,H+ dans cytosol (produit lors réaction de déshydrogénation) ne franchit pas le membrane mitochondriale Utilisation de navettes

1.

Navette Malate / Aspartate

2.

Navette Glycérol phosphate

LA NAVETTE MALATE / ASPARTATE

· MDH cytosolique et mitochondriale · Catalyse une réaction réversible · Lorsque [NADH,H+] cytosolique OA malate

LA NAVETTE MALATE / ASPARTATE

· La navette Malate / Aspartate fait intervenir une réaction de transamination catalysée par aspartate amino-transférase : ASAT et la vitamine B6 comme co-facteur · Cet enzyme est présent des 2 côtés de la membrane interne

LA NAVETTE MALATE / ASPARTATE

Espace intermembranaire

Matrice mitochondriale

LA NAVETTE MALATE / ASPARTATE

Bilan

1 molécule de NADH,H+ cytosolique

1 molécule de NADH,H+ dans

mitochondrie

LA NAVETTE GLYCEROL PHOSPHATE

· Glycérol phosphate deshydrogénase (GPDH) cytosolique et mitochondriale · cytosol : réduction du PDHA par le [NADH,H+]

LA NAVETTE GLYCEROL PHOSPHATE

· Glycérol phosphate deshydrogénase (GPDH) mitochondriale est une flavoprotéine (FAD) · Oxydation du glycérol phosphate en PDHA avec transfert des électrons et H+ sur Co Q

LA NAVETTE GLYCEROL PHOSPHATE

cytosol

espace intermembranaire

matrice mitochondriale

LA NAVETTE GLYCEROL PHOSPHATE

Bilan

1 molécule de NADH,H+ cytosolique mitochondrie

1 molécule de FADH2 dans

Selon la navette utilisée : 1 molécule de glucose va générer 36 ou 38 ATP

POINTS A SAVOIR

· Mécanisme de la réaction catalysée par la pyruvate deshydrogénase · réactions du cycle de KREBS (étapes de production d'énergie : GTP, FADH2 et NADH,H+) + inhibiteurs + bilan réactions · Rôle bivalent cycle de KREBS : catabolisme et anabolisme · Navettes mitochondriales · Calculs et significations G et Go'

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Microsoft PowerPoint - CYCLE DE KREBS2006

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