metabolisme_et_energ..

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METABOLISME ENERGETIQUE
CELLULAIRE
CONVERSION ENERGETIQUE,
NOTION DE COUPLAGE
INTRODUCTION
LA VIE CELLULAIRE NECESSITE DE
L’ENERGIE…
• Pour synthètiser de nouvelles molécules (reactions
endergoniques)
• Pour amorcer le transport actif
• Pour un travail mécanique (division cellulaire, cyclose,
contraction musculaire)
• Pour maintenir le potentiel membranaire (pompe NaK)
• Pour la sécrétion cellulaire
• Pour produire de l’energie radiante (bioluminescence)
• …
Premier principe de la
thermodynamique
• “ l’énergie ne peut ni être créée ni être
détruite, elle ne peut qu’être transformée ”
• Les êtres vivants sont capables de transformer
l’énergie en ses différentes composantes,
énergie chimique (ATP), travail, chaleur, etc.,
ce qui leur permet entre autres d’édifier et de
maintenir une structure organisée...
• Autotrophe : source
d’énergie = énergie
solaire
• Hétérotrophe : source
d’énergie = molécules
organiques
VIE CELLULAIRE = TRAVAUX CELLULAIRES = NÉCESSITÉ D’ÉNERGIE
Energie chimique :
Pouvoir réducteur
NADPH, H+
Energie chimique :
Equivalent énergétique
ATP, GTP,…
Energie chimique
Molécules organiques
Energie osmotique :
DµH+
Notion de couplage énergétique
• Énergie existe sous
plusieurs formes :
–
–
–
–
–
–
chimique
calorique
mécanique
osmotique
électrique
lumineuse
• Une réaction chimique
n’a lieu que si elle est
énergétiquement
favorable
• Réaction exergonique :
favorable, « libère »
énergie
• Réaction endergonique
: défavorable, nécessite
nrj
Notion de couplage énergétique
• Couplage d’une
réaction endergonique
à une réaction
exergonique
• Énergie peut changer
de forme durant le
couplage
• Bilan doit être
exergonique : somme
DG0’ doit être négative
• facteur de couplage :
en général, une
protéine
Couplage chimio-chimique
• Transfert d’énergie d’une molécule à une autre
• Hydrolyse de l’ATP est
très exergonique :
permet la réalisation de
la plupart des réactions
chimiques
énergétiquement
défavorable du
métabolisme
Couplage osmo-chimique
• Gradient osmotique
favorable utilisé pour
produire une réaction
défavorable = synthèse
de l’ATP
Couplage chimio-osmotique
• Réaction hydrolyse ATP
utilisé pour produire un
gradient osmotique
Couplage osmo-osmotique
• Gradient osmotique
favorable de Na+
permet pompage du
glucose défavorable
• Le gradient favorable de
Na+ à au départ été mis
en place par la Na/K
ATPase
B. Rôle central de l’ATP dans le
métabolisme cellulaire
4 façons de faire de faire
de l’ATP
Plusieurs façons de
consommer de l’ATP
ATP
• Synthèse des macromolécules
• Photosynthèse
• Pompage ionique
(chloroplastes)
• Phosphorylation oxydative
(pompe Na/K)
• Mobilité (amibes, spermato)
(Mitochondries)
• Glycolyse (cytosol)
Respiration cellulaire
• Cycle de Krebs
• Contraction (muscles)
• Production de chaleur
(Mitochondries - GTP)
(frissonnement)
• Endocytose, exocytose
ADP + Pi
Structure de l’ATP
• L’ATP est constitué
d’une base, dans ce
cas une adénine, un
ribose et une chaîne
de phosphates.
• L’hydrolyse de l’ATP est
une réaction très
favorable (DG0’ = -30.25
kJ/mol (-7.3 kCal/mol))
• Favorable car :
– Allège les répulsions
électrostatiques
– Stabilise par résonnance
certaines liaisons entre P
et O
– ADP est immédiatement
ionisé
LA RESPIRATION CELLULAIRE ET
SON CONTROLE
Respiration cellulaire ?
• réaction chimique
d'oxydo-réduction qui
fournit l'énergie
nécessaire à une cellule
pour fonctionner (sous
forme d’ATP)
• Carburant : il s'agit du
glucose, d'acides gras
ou d'autres molécules
organiques (acides
aminés, corps
cétoniques ,…)
• Comburant, le
dioxygène
• Etape 1 : dégradation
des macromolécules en
composés + simple
• Etape 2 : formation
d’acetyl-CoA
• Etape 3 : cycle de Krebs
et phosphorylation
oxydative
La glycolyse
• Dégradation du glucose
en pyruvate
• 10 étapes dont 3 sont
exergoniques donc
irréversible
• Cytosolique chez
eucaryotes
• La glycolyse se
décompose en deux
phases :
– La phase préparatoire
qui consomme de l’ATP
– La phase de
remboursement qui
produit de l'énergie sous
forme d'ATP.
Phase préparatoire
Phase de remboursement
Réaction irrervésible
• L’étape 1 est irréversible
car hydrolyse de l’ATP
permet formation G6P
mais hydrolyse G6P ne
permet pas synthèse ATP
• Pour néoglucogénèse,
nécessité d’une autre
enzyme (G6Pase)
• Idem 2 autres réactions
productions ATP
(hydrolyse ATP ne permet
pas leur formation)
Contrôle de la glycolyse
• La régulation de la
glycolyse est
conditionnée par l’état
énergétique de la cellule.
• Les principaux signaux qui
vont déclencher le
phénomène sont :
– le rapport ATP/AMP
– Le taux de citrate
– le niveau de fructose 2,6bisphosphate fabriqué par
le foie
Contrôle de la glycolyse
• Régulation au niveau
transcriptionnel des
différentes enzymes
clefs de la glycolyse
Entrée des oses dans la voie
glycolytique
La décarboxylation oxydative
• Matrice mitochondriale
• Pyruvate deshydrogenase est un complexe
multienzymatique de grande taille
Entrée pyruvate dans mitochondrie
 Membrane externe:
porine (10,000)
 Membrane interne:
pyruvate translocase
symport pyruvate/H+
• Complexe
multienzymatique :
– La pyruvate
décarboxylase (E1)
– La dihydrolipoamide
acetyltransferase (E2)
– La dihydrolipoamide
déshydrogénase (E3)
Contrôle de l’activité enzymatique
La beta oxydation des acides gras
• Beta oxydation permet
synthèse énergétique
en absence de sucres
disponibles
• Produit acetyl-CoA qui
peut entrer dans le
cycle de Krebs
• Réaction cytosolique
puis mitochondriale
Formation d’un acyl-CoA dans le
cytosol
Transport acyl-CoA dans la
mitochondrie via carnitine
• Liaison
transitoire acyl à
la carnitine pour
le transport
• Libération dans
la matrice et
libération
carnitine et
reformation de
l’acyl-CoA
Beta oxydation des AG
• Dégradation en 4
étapes
• Cyclique (hélice de
Lynen)
• Formation de FADH2,
NADH, acetyl-CoA et un
acyl-CoA raccourci de
2C
Contrôle beta oxydation
• Contrôle par produit de
la réaction (malonylCoA)
• Empêche formation
acylcarnitine et donc
pénétration des AG
dans la mitochondrie
Contrôle hormonal libération TG
• Adrénaline permet
libération des AG par
lyse des TG
• Hausse AGL circulant
dans le sang et
disponible pour cellule
Devenir du pyruvate ?
• Voies cataboliques
différentes selon :
– L’organisme (levure,
plantes, bactéries)
– Le tissu (muscle)
– Conditions métaboliques
(aérobie vs anaérobie)
Cycle de Krebs
• Dans
mitochondrie
• Débute par
entrée dans le
cycle de
l’acetyl-CoA
provenant de la
glycolyse ou de
la dégradation
des AG
Contrôle cycle Krebs
La phosphorylation oxydative
Chaine de transport des électrons
 Les électrons extraits des
nutriments sont transférés
par le NADH + H+ et la
FADH2 aux protéines de la
chaîne.
 Les électrons sont
acheminés à la prochaine
molécule qui a plus d’affinité
pour les electrons et ainsi de
suite par cascade.
 La dernière molécule cède
ses électrons à l’O2 qui
recueille une paire de
protons dans le milieu
aqueux et forme de l’eau.
Potentiel d’oxydo-réduction de
quelques couples Redox
Transfert de H+
• Durant le transport des
electrons, des H+
passent de la matrice
vers l’espace
intermembranaire
mitochondriale
Découverte complexe F0-F1
L’ATP synthétase, théorie chimio-osmotique de Mitchell
= Complexe F0-F1
Hypothèse de Mitchel (1961)
• Le gradient de H+
permet la synthèse
d’ATP par la
mitochondrie
Rôle des SU F0 et F1
• Les particules F1 sont
nécessaires à la
fabrication d’ATP mais
pas au transport des
électrons
• F0 permet le transport
des électrons
• F1 possède une activité
ATPasique => SU F1
ATPase
Structure ATPsynthetase
• F1
- Matrice mitochondriale
- Enzyme qui synthétise
l’ATP
• F0
- Transmembranaire
- Canal à proton
En résumé …
 La membrane de la mitochondrie possède
des complexes protéiques appelés ATP
synthétases qui fabriquent l’ATP à partir de
l’ADP et de phosphate inorganique.
 L’ATP synthétase utilise le gradient
électrochimique causé par les protons H+ de
part et d’autre de la membrane
mitochondriale interne.
 Les H+ refluent à travers l’ATP synthétase
pour retourner dans la matrice.
 Lorsque les H+ passent, le complexe
protéique produit une phosphorylation
oxydative de l’ADP et forme de l’ATP.
Bilan l’oxydation complète d’une
molécule de glucose
30, 32, 36, 38 ATP ?
• NADH+ cytosolique (Glycolyse) doit emprunter une
navette pour rejoindre la matrice mitochondrial :
– navette malate aspartate
– navette glycerol phosphate (consomme 1 ATP)
• Les 2 NADH cytosoliques produisent donc 4 ou 6 ATP
• Bilan de l’oxydation complète d’une molécule de
glucose = 36 à 38 ATP
30, 32, 36, 38 ATP ?
• Le rapport P/O est le nombre d'ATP synthétisés par
atome d'oxygène réduit. On a longtemps considéré que
le transfert de deux électrons du NADH à l'oxygène
produisait environ 3 ATP, et que celui du FADH2
générait environ 2 ATP. Cependant, la valeur réelle de
ce rapport n'est pas nécessairement un nombre entier
et prête encore à discussion. En particulier, la
translocation, c'est-à-dire l'échange d'un ATP sortant
contre un ADP entrant, peut contribuer à ce que le
rapport P/O soit un nombre fractionnaire : les valeurs
adoptées par consensus sont 2,5 ATP par NADH oxydé
et 1,5 ATP par FADH2 oxydé.
Une alternative à l’oxydation complète
du glucose en aérobie ?
Fermentation éthanolique
• Principalement levures
(organisme modèle)
• Intérêt économique de
cette transformation
(pain, bière, vin) =
recherche importante
Fermentation lactique
• Principalement muscle
mais aussi érythrocyte,
rétine,…
• Voie anaérobie qui
permet de pallier à un
déficit de dioxygène
Utilisation de l’ATP dans la cellule
musculaire
• ATP dans la cellule
musculaire permet la
contraction et donc le
mouvement (voir cours
physiologie humaine)
Réserve énergtique dans l’organisme
Réserve spécifique du muscle
• Muscles qui demandent
beaucoup d’énergie
possèdent réserves
d’énergie sous formes
de phosphagènes :
composés qui peuvent
produirent de l’ATP par
transfert d’un
groupement phosphoryl
sur l’ADP
phosphocréatine
• Phosphate de créatine
(ou créatine phosphate)
est forme de réserve
énergétique pour
muscle
• Créatine synthétisé
dans les cellules a partie
d’AA
Catabolisme de la créatine
• Dédhydratation
spontanée et continue
en créatinine
• Créatininurie est
proportionnel à la
masse musculaire
Creatine kinase
• Réaction réversible : si
[ATP] dans muscle élevé
=> stockage Pcréatine
• Réaction réversible car
dans mitochondrie ou a
lieu la réaction, l’ADP
formée durant la
réaction est rapidement
transformé en ATP et
disparait ce qui déplace
l’équilibre
Réaction réversible : si [ATP] dans muscle élevé : stockage Pcréatine
Voie anaérobie alactique
• Dans le muscle
– myokinase et créatine
kinase permettent de
fournir rapidement de
l’ATP ou muscle au début
de l’effort physique.
Voie anaérobie lactique
Cycle des Cori : récupération du lactate
• Voie néoglucogénèse
impossible dans muscle
(pas les enzymes)
• Lactate diffuse via le
sang vers foie qui
produit alors glucose
• Glucose peut ensuite
retourner dans tissus
périphériques
métabolisme et thermogénèse
• Production chaleur
principalement par le
métabolisme
thermogénèse
- Activité musculaire et
exercice physique
- Contraction involontaire
des muscles (frisson)
- Thermogenèse sans
frisson
Thermogénèse sans frisson
• Activation du métabolisme
des graisses
• Tissus spécialisés = tissus
adipeux brun
•
•
•
Très forte concentration en
mitochondries (donc en
cytochromes)
Très nombreuses gouttelettes
lipidiques
Riche irrigation
• Activation par NA des
terminaisons sympathiques
• NA stimule via AMPc la TG
lipase
• Tissus adipeux brun est constitué d’adipocytes qui présentent
forte teneur en mitochondrie (responsable de la couleur
brune du tissus). Les lipides sont dispersés en gouttelettes.
• Stimulation du tissus adipeux brun chez le nouveau-né lors de
la naissance (pas d’autres systèmes de résistance au froid, peu
de réserve de graisse sous cutanée)
• Protéine découplante
(thermogénine)
découple oxydation et
phosphorylation =>
production de chaleur
sans production d’ATP

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