COURS PCEM2 - Version 2003-2004
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Bioch_Metabol_2003/Sablonnière 1
COURS PCEM2
Chap1 : Généralités et métabolisme énergétique
Introduction.
Le mot métabolisme vient du grec metabole, changement. Il représente l’ensemble des
transformations chimiques qui se produisent dans une cellule ou un ensemble de cellules
convertissant les nutriments (oses, acides aminés, acides gras) ou « matériaux bruts » en
produits finis, chimiquement complexes, et en énergie.
Il se compose de plusieurs centaines de réactions enzymatiques organisées en séquences
distinctes. Au cours de chaque séquence propre ou voie métabolique, un précurseur est
transformé en un produit « fini » via une série d’intermédiaires appelés « métabolites ».
A quoi sert le métabolisme : Il exerce deux fonctions essentielles :
- production d’énergie nécessaire aux fonctions vitales
- synthèse de macromolécules (Acides nucléiques, protéines)
A cet effet, le métabolisme est constitué de 2 types de processus :
- Le catabolisme qui dégrade et oxyde les nutriments apportés par l’alimentation ou par les
réserves cellulaires. Les réactions cataboliques sont généralement exergoniques et l’énergie
libérée est souvent captée sous forme d’ATP.
- L’anabolisme constitue l’ensemble des séquences métaboliques qui permettent la synthèse
de molécules formées à partir de nutriments ou d’intermédiaires métaboliques de structure
chimique simple et aboutissant à la synthèse de molécules complexes et/ou de
macromolécules.
1. ...
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COURS PCEM2
Chap1 : Généralités et métabolisme énergétique
Introduction.
Le mot métabolisme vient du grec metabole, changement. Il représente l’ensemble des
transformations chimiques qui se produisent dans une cellule ou un ensemble de cellules
convertissant les nutriments (oses, acides aminés, acides gras) ou « matériaux bruts » en
produits finis, chimiquement complexes, et en énergie.
Il se compose de plusieurs centaines de réactions enzymatiques organisées en séquences
distinctes. Au cours de chaque séquence propre ou voie métabolique, un précurseur est
transformé en un produit « fini » via une série d’intermédiaires appelés « métabolites ».
A quoi sert le métabolisme : Il exerce deux fonctions essentielles :
- production d’énergie nécessaire aux fonctions vitales
- synthèse de macromolécules (Acides nucléiques, protéines)
A cet effet, le métabolisme est constitué de 2 types de processus :
- Le catabolisme qui dégrade et oxyde les nutriments apportés par l’alimentation ou par les
réserves cellulaires. Les réactions cataboliques sont généralement exergoniques et l’énergie
libérée est souvent captée sous forme d’ATP.
- L’anabolisme constitue l’ensemble des séquences métaboliques qui permettent la synthèse
de molécules formées à partir de nutriments ou d’intermédiaires métaboliques de structure
chimique simple et aboutissant à la synthèse de molécules complexes et/ou de
macromolécules.
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_ _ Bioch Metabol 2003/Sablonnière 1
COURS PCEM2 Chap1 : Généralités et métabolisme énergétique Introduction. Le mot métabolisme vient du grecmetabole, changement. Il représente lensemble des transformations chimiques qui se produisent dans une cellule ou un ensemble de cellules convertissant les nutriments (oses, acides aminés, acides gras) ou « matériaux bruts » en produits finis, chimiquement complexes, et en énergie. Il se compose de plusieurs centaines de réactions enzymatiques organisées en séquences distinctes. Au cours de chaque séquence propre ouvoie métabolique, précurseur est un transformé en un produit « fini » via une série dintermédiaires appelés « métabolites ». A quoi sert le métabolisme : Il exerce deux fonctions essentielles : - production dénergie nécessaire aux fonctions vitales - synthèse de macromolécules (Acides nucléiques, protéines) A cet effet, le métabolisme est constitué de 2 types de processus : - Le catabolisme qui dégrade et oxyde les nutriments apportés par lalimentation ou par les réserves cellulaires. Les réactions cataboliques sont généralement exergoniques et lénergie libérée est souvent captée sous forme dATP. - Lanabolisme constitue lensemble des séquences métaboliques qui permettent la synthèse de molécules formées à partir de nutriments ou dintermédiaires métaboliques de structure chimique simple et aboutissant à la synthèse de molécules complexes et/ou de macromolécules. 1. Organisation générale Nous distinguerons pour chaque type daliment, les processus de dégradation digestive qui se déroulent dans le milieu extracellulaire et aboutissent généralement à la formation des nutriments. Ensuite les séquences du catabolisme qui fournissent des produits terminaux de faible masse moléculaire et pauvres en « énergie libre ».
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Enfin, nous étudierons en fonction de leur intérêt médical, certaines séquences de lanabolisme. Digestion Aliments Nutriments (Glucides, graisses, protéines) (Oses, acides gras, acides aminés) ATP, NADH, NADPH Catabolisme produits terminaux (CO2, HOH, NH3) anabolisme Molécules précurseurs Macromolécules (Acides aminés, oses, acides gras bases azotées)
(Protéines, polysaccharides, lipides, ADP, NAD+, NADP+acides nucléiques)
Anabolisme et catabolisme se déroulent simultanément dans une même cellule. Pour éviter toute anarchie, la cellule utilise deux stratagèmes : - Elle régule strictement et séparément lanabolisme et le catabolisme. - Les séquences métaboliques qui pourraient entrer en compétition sont souvent localisés dans plusieurs compartiments cellulaires. Exemple. Les acides gras : catabolisme dans la mitochondrie et anabolisme dans le cytosol. 2. Les voies cataboliques sont convergentes Si on examine le catabolisme des principaux nutriments dans une cellule hétérotrophe typique, les différentes réactions enzymatiques impliquées aboutissenten présence doxygèneà la formation deau, de gaz carbonique et dammoniac.
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-Au cours de la première étape du catabolisme, les éléments de construction produits (assimilables auxnutriments) sont relativement peu nombreux : 20 acides aminés, 5 à 10 oses, environ 10 acides gras et du glycérol, et au total moins de 50 molécules, et souvent un peu moins car les oses sont tous convertis en Glucose. -Au cours de la deuxième étape, ces éléments de construction sont à leur tour dégradés pour donner un nombre dintermédiaires métaboliques plus simples encore plus restreint. - Les acides aminés donnent du pyruvate ou de lacétate (couplé au Coenzyme A), et pour certains dentre eux 3 ou 4 autres acides alpha-cétoniques qui rejoignent directement le cycle de lacide citrique. - Le glucose et le glycérol donnent du pyruvate - Les acides gras donnent de lacétyl-CoA. Loxydation du pyruvate générant de lacétyl-CoA, celui-ci représente le produit unique et commun de dégradation de cette étape. -Au cours de la troisième étape, loxydation totale du groupe acétyle par le cycle de lacide citrique et des oxydations phosphorylantes, produisent de leau et du gaz carbonique, produits de dégradation ultimes du catabolisme aérobie. Cest cette étape du catabolisme qui génère la plus grande partie de lénergie utilisable produite par la cellule. Comme le catabolisme est très souvent oxydatif, une partie de lénergie chimique peut être conservée sous forme délectrons à potentiel énergétique élevé transférés à deux coenzymes : le NAD et le NADP. Le catabolisme utilise la réduction du NAD en NADH,H+. Lénergie libérée lors de loxydation du NADH,H+, dans les cellules aérobies est couplée à la formation dATP. 3. Les voies anaboliques sont divergentes. Un nombre limité de petites molécules précurseurs simples suffit pour permettre la biosynthèse de presque tous les éléments constitutifs dune cellule (protéines, lipides, polysaccharides). Toutes ces substances sont synthétisées à partir des éléments de construction appropriés par les voies de lanabolisme. Ces biosynthèses impliquent la formation de nouvelles liaisons covalentes et un apport dénergie chimique est nécessaire pour permettre ces processus endergoniques. LATP formé au cours du catabolisme fournit cette énergie. Par ailleurs, cest le NADPH,H+qui est utilisé pour fournir des électrons à potentiel élevé aux réactions de réduction de lanabolisme.
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4. Mécanismes généraux de régulation. Les voies métaboliques sont régulées à trois niveaux. - Les enzymes allostériques agissent au premier niveau en modifiant la vitesse de catalyse en réponse à des activateurs ou à des inhibiteurs. - Les hormones agissent à un deuxième niveau. Par lintermédiaire de protéines transductrices du signal généré par un récepteur cellulaire, elles modifient (activent ou inhibent un ou plusieurs enzymes cibles) au niveau dun groupe cellulaire dun tissu donné. Leurs effets sont généralement plus durables que ceux des effecteurs allostériques (quelques minutes à quelques heures). - Le troisième niveau est lié à un contrôle génétique de lexpression du taux denzyme.
Un des éléments majeurs qui contribuent à lhoméostasie cellulaire est la séparation des principaux processus liés à lirréversibilité de certaines réactions enzymatiques et surtout au phénomène de compartimentation cellulaire. Organite Fonction Mitochondrie Cycle de lacide citrique, oxydations phosphorylantes, oxydation des acides gras, dégradation des acides aminés. Cytosol Glycolyse, voie des pentoses, biosynthèse des acides gras, néoglucogénèse. Réticulum endoplasmique Biosynthèse des lipides et des stéroïdes lisse Réticulum endoplasmique Synthèse des protéines membranaires et secrétées rugueux Peroxysomes Réactions doxydation (Aa- oxydases, catalases) Lysosomes Digestion enzymatique de constituants issus de lendocytose et de constituants cellulaires. Appareil de Golgi Modifications post-traductionnelles des protéines membranaires et secrétées. Fomation des vésicules de secrétion. Noyau Réplication et transcription de lADN. Maturation des ARN
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5. Métabolisme et échanges dénergie. Il faut manger pour vivre et non vivre pour manger !Cela résume le cycle essentiel de couplage entre les réactions du catabolisme et les processus de biosynthèse ou de consommation dénergie (Ex : la contraction musculaire). Lors du catabolisme, le contenu en énergie libre des nutriments est récupéré par un processus de couplage à la synthèse dintermédiaires « riches en énergie ». Ces intermédiaires dont le chef de file est lATP, peuvent alors être utilisés par de nombreux enzymes des voies anaboliques qui sont pour la plupart endergoniques. LATP joue ainsi le rôle de monnaie énergétique universelle. Il est utilisé avec un turn-over très élevé et est hydrolysé principalement en ADP : 1 ATP ADP + Pi + énergie 2 Dans le sens « 1 », lhydrolyse de lATP est une réaction très exergonique. Le contenu en énergie libre ainsi libéré peut être utilisé à de nombreuses fonctions cellulaires, notamment la biosynthèse de molécules complexes utilisant des réactions endergoniques. Dans le sens « 2 », la formation dATP à partir dADP nécessite un apport dénergie libre qui provient de nombreuses réactions du catabolisme des nutriments dont certaines sont très exergoniques et libèrent donc une quantité dénergie libre suffisante pour permettre la synthèse dATP. Rappel et notions quantitatives : ATP ADP + Pi∆G =∆ ADP. Pi / ATPG° + 2,3 RT log ∆ : concentrations intracellulaires moyennes etG° = -7,3 Kcal/MoleATP et Pi = 4 mM et ADP = 1 mM. Donc rapport Q = 0,001 Soit : 2,3 RT log 0,001 = -4,1 et∆G = - 11,4 Kcal/Mole Il sagit là destimations puisque selon les conditions intracellulaires, les valeurs des concentrations des réactifs varient à chaque instant. Cela témoigne cependant de la valeur élevée dénergie libre disponible lors de lhydrolyse dune molécule dATP qui est très éloignée des conditions standard.
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A) Utilisation de lATP. En tant que monnaie énergétique, il peut être utilisé de plusieurs façons : -Dégradation préliminaire des oses, qui implique une phosphorylation (Ex : glucose-6P) -Interconversion de nucléosides triphosphates. Il sagit de précurseurs indispensables à la biosynthèse des acides nucléiques : CTP, GTP, UTP et leurs formes désoxyribonucléotides, dGTP, dCTP, dTTP, dATP. Il sagit ici de réactions déchange très proches de léquilibre, catalysées par une nucléoside diphosphate kinase : ATP +XDP ADP +XTP -Processus physiologiques : transport de molécules, pompes cellulaires, contraction musculaire : Les protéines concernées possèdent généralement une activité dite ATPase, ce qui rend ces processus irréversibles. -Hydrolyse de liaisons pyrophosphate supplémentaires couplées à des réactions très endergoniques. Certaines réactions hydrolysent lATP en AMP et Pi : ATP AMP + 2Pi ∆G = -7,3 + (-8,0) = -15,3 Kcal/Mole Exemple : première étape de loxydation de acides gras nécessitant leur activation sous forme de thioester. B) Formation de lATP Trois processus assurent dans la cellule, le renouvellement de lATP : - Phosphorylation liée au substrat. Ces séquences interviennent lors de la glycolyse à partir dintermédiaires dont le contenu en énergie libre est plus élevé que celui dune liaison phosphoanhydride : Exemple Phosphoénol-pyruvate + ADP pyruvate + ATP G = -14,8 + 7,3 = -7,5 Kcal/Mole - Oxydations phosphorylantes : Cest un processus primordial chez les êtres vivants hétérotrophes. Le métabolisme oxydatif permet une récupération délectrons déclenchant la formation dun gradient de protons de part et dautre de la membrane mitochondriale interne. La dissipation de ce gradient est couplée à la synthèse enzymatique dATP à partir dADP.
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Chez lhomme, 90% de lATP est régénéré par ce processus ! - Réaction de lAdénylate kinase : AMP + ATP 2ADP Cest une réaction surtout utilisée dans le muscle strié. LATP ne peut être stocké. Il assure la transmission dénergie libre et possède donc un turn-over très élevé. Il est sans cesse hydrolysé et régénéré. Ce turn-over varie selon les conditions physiologiques de 0,05 à 0,5 Mole /min, soit 27,5 à 275 grammes/min ! Ainsi le cerveau possède une réserve très faible (concentration cellulaire juste suffisante pour quelques dizaines de secondes). Dans le muscle, lATP peut être rapidement régénéré par hydrolyse de la créatine-phosphate. 6. Anabolisme, catabolisme et réactions doxydo-réduction Les nutriments sont de bonnes sources dénergie chimique car leurs atomes de carbone sont dans un état relativement réduit. Ex : glucose : C6 H12 O6 6CO2 + 6 HOH C/O = 1 C/O = 1/3 Acide gras: C16 H32 O2 14 CO2+ 16 HOH = C/O = 8 C/O 3,14 Lors de ces réactions doxydation, des atomes dhydrogène sont produits et transportés sous forme dions Hydrure par un coenzyme: NAD+ des réactions catalysées par les lors déshydrogènases. Le NADH,H+ sera oxydé lors de létape ultime des oxydations formé phosphorylantes mitochondriales. Loxygène est laccepteur final et sera réduit en eau. Le système NAD+/NADH,H+ être considéré comme une navette qui transfère les peut électrons des substrats aux mitochondries où ils sont ensuite transférés à loxygène, lultime accepteur des électrons provenant du catabolisme. Par opposition, lanabolisme est un processus essentiellement réducteur.En effet, si on prend lexemple des acides gras à partir de lacétyl-CoA, il faut des atomes dhydrogène activés pour réduire le carbonyle de lacétyl-CoA en CH2-.
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Le pouvoir réducteur est fourni par le NADPH,H+, la source la plus commune dhydrogène à haut pouvoir énergétique. Le NADPH,H+est donc une navette délectrons entre les réactions cataboliques et les réactions anaboliques. Certaines des voies centrales du métabolisme intermédiaire, comme le cycle de Krebs, ont un double rôle : ils interviennent à la fois dans le catabolisme et lanabolisme. On appelle ces voiesolibueiqphams. 7. Nutriments, métabolisme et rôle spécifique en nutrition. A. Les protéines : elles représentent comme aliment, une source dacides aminés et une source dazote. Les acides aminés essentiels qui ne peuvent être synthétisés par lorganisme représentent un élément essentiel de lalimentation protéique chez lhomme. Certains acides aminés dits glucogèniques peuvent être convertis en glucose, tandis que dautres dits cétogèniques peuvent être convertis en acides gras ou en acides cétoniques. Si lapport énergétique cellulaire est suffisant, ces deux types dacides aminés seront convertis en triglycérides. Un certain nombre de protéines sont soumises à un renouvellement rapide et participent à léquilibre azoté. Elles assurent léquilibre nutritionnel, notamment lors de la croissance. B. Les glucides. Leur finalité essentielle est la production dénergie. Les oses sont métabolisés par la voie de la glycolyse. Les polysaccharides sont dabord dégradés en oses simples et rejoignent la voie de la glycolyse. Les oses sont également des composants essentiels des nucléotides, des glycoprotéines et des glycolipides. Le cerveau ne consomme que du glucose ou des acides cétoniques. Si lapport en glucides dépasse ce qui est nécessaire pour couvrir les besoins énergétiques de lorganisme, lexcès est converti en glycogène et en triglycérides (formes de réserve dénergie). Si lapport en glucides est insuffisant, lacétyl-CoA formera des acides cétoniques, fournissant ainsi une source dénergie utilisable pour le cerveau. C. Les lipides. Les acides gras et les triglycérides peuvent être utilisés par de nombreux tissus comme source dénergie. Une carence extrême aura des conséquences sur lapport de certains phospholipides essentiels à la biosynthèse des membranes et de certains acides gras (séries oméga-3 et oméga-6). En cas dexcès il y aura accumulation de triglycérides dune part et
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accroissement du risque dathérosclérose et de certaines formes de cancers (colon, sein, prostate). Conclusion Le métabolisme est un ensemble de nombreuses réactions complexes, finement orchestrées, régulées soit au niveau cellulaire lui-même ; soit au niveau tissulaire, par la coopération de différents organes. Comme nous létudierons à la fin du programme, le rôle respectif du foie, des muscles, du cerveau et du tissu adipeux est indispensable à léquilibre général des voies métaboliques. Le but du métabolisme est de fournir de lénergie, de créer une grande variété de biomolécules, et de récupérer et gérer à bon escient, lensemble des produits intermédiaires formés lors de ces réactions complexes.
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Chap 2. La phosphorylation oxydative Introduction : Cest un processus essentiel de transfert dénergie chez les eucaryotes. Il consiste en une production dénergie fournie à partir du transfert du flux délectrons libérés par les catabolites du métabolisme intermédiaire à loxygène. Lénergie libre récupérée est utilisée pour synthétiser lATP à partir de lADP. Lénergie est fournie par loxydation des atomes dhydrogène (somme protons plus électrons) récupérée des coenzymes réduits. De leau est produite à partir de lhydrogène et de loxygène, au terme de la chaîne des réactions doxydo-réduction dénommée chaîne respiratoire. La chaîne respiratoire est constituée de deux sous-ensembles : - unechaîne doxydo-réduction protons et électrons des coenzymes réduits vers loxygène. Elle est transportant constituée de 4 complexes enzymatiques (CI à CIV) enchâssés dans la membrane interne de la mitochondrie (MMI); et 2 transporteurs mobiles : lubiquinone et le cytochrome c. un mécanisme de phosphorylationassurant la synthèse dATP à partir de lADP catalysé par lATP synthase ou complexe V. Cette double fonction donne à la chaîne sa dénomination de « phosphorylation oxydative » appelée aussi « oxydation phosphorylante ». La membrane interne de la mitochondrie, joue un rôle fondamental en séparant deux compartiments, la matrice et lespace inter-membranaire. Cette membrane interne empêche les protons de passer librement dun compartiment à lautre. Ils ne pourront franchir cette barrière que par lintermédiaire des complexes respiratoires transmembranaires, permettant ainsi de constituer un gradient électrochimique dont lénergie de dissipation permettra la synthèse dATP. 1. Chaîne respiratoire et transfert délectrons. La plupart des électrons entrant dans la chaîne respiratoire mitochondriale proviennent du complexe de la pyruvate déshydrogènase, du cycle de lacide citrique, de la béta-oxydation des acides gras et des étapes oxydatives du catabolisme des acides aminés pour les insérer sous forme de paires délectrons dans la chaîne respiratoire. Le transfert délectrons au cours des phosphorylations oxydatives est organisé grâce à la présence dune série de transporteurs spécifiques insérés le long de la membrane mitochondriale interne. Chacun des composants de la chaîne de transporteurs (appelée aussi
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chaîne respiratoire mitochondriale) peut accepter des électrons de laccepteur précédent et le donner au suivant selon une séquence bien précise. 1.A. Thermodynamique du transfert délectrons. La quantité dénergie libre nécessaire à la synthèse de 1 mole dATP à partir dADP est de 7,3 Kcal/Mole. Or la réaction doxydation du NADH,H+est très exergonique. ½ O2+ NADH + H+ HOH NAD ++∆ ouE° = 1,13 V Kcal/Mole -52,6 Autrement dit, loxydation de 1 mole de NADH,H+ dans les conditions standard saccompagne dune variation dénergie libre de 52,6 Kcal/Mole. Cette variation dénergie libre est donc suffisante pour assurer la synthèse de plusieurs moles dATP. Ce couplage est assuré par la chaîne respiratoire où les électrons vont passer par 3 complexes contenant des centres rédox dont les potentiels doxydo-réduction standard vont en croissant au lieu de réagir directement avec loxygène. Cela permet à limportante énergie libre disponible dêtre libérée en plusieurs fractions, chacune delles étant couplée à la synthèse dATP par le mécanisme de la phosphorylation oxydative. Loxydation dune molécule de NADH saccompagne donc de la synthèse de 3 ATP. Le rendement thermodynamique est donc de 3 x 7.3 x 100/52,6 = 41% Dans les conditions intracellulaires qui sont souvent éloignées des conditions standard, le rendement réel serait de lordre de 70%. 1.B. La séquence du transfert. Les électrons sont transférés des complexes I et II au complexe III par le Coenzyme Q et du complexe III au complexe IV par le cytochrome c. Détail des différentes réactions de transfert : - Complexe I : NADH, H++ CoQ NAD++ CoQH2∆G = - 16.6 Kcal/Mole - Complexe II: FADH2 + CoQH FAD+ CoQ2∆G = - 0,69 Kcal/Mole
