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Université Pierre et Marie Curie Oxydations Cellulaires Objectifs au cours de Biochimie PAES (révision) Biochimie PCEM2 Biochimie métabolique et Régulations C1 2002 - 2003 Pr. A. Raisonnier ([email protected]) Mise à jour : 1 juillet 2002 Relecture : Pr. A. Raisonnier

Oxydations Cellulaires

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  • Universit Pierre et Marie CurieOxydations Cellulaires

    Objectifs au cours de

    Biochimie PAES (rvision)

    Biochimie PCEM2

    Biochimie mtabolique et Rgulations C1

    2002 - 2003

    Pr. A. Raisonnier ([email protected])

    Mise jour : 1 juillet 2002Relecture : Pr. A. Raisonnier

  • 2/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Plan du coursPlan du cours3 Plan du cours

    9 Objectifs

    11 Partie I : La glycolyse (PAES)

    13 Chapitre 1 : Lactivation

    14 1.1 Glycolyse (dfinition)15 1.2 Glycolyse cytoplasmique (dfinition)16 1.3 Hexokinase

    17 Chapitre 2 : La glycolyse cytoplasmique

    18 2.1 Phosphohexose isomrase19 2.2 PhosphoFructoKinase I (enzyme-cl)20 2.3 Aldolase21 2.4 Triose-Phosphate Isomrase22 2.5 Phosphoglycraldhyde dshydrognase24 2.6 Phosphoglycrate kinase25 2.7 Phosphoglycrate mutase26 2.8 Enolase27 2.9 Pyruvate kinase28 2.10 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glucose) (I)29 2.11 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glucose) (II)

    31 Chapitre 3 : La glycolyse anarobie

    32 3.1 Lactate dshydrognase33 3.2 Bilan de la glycolyse anarobie (glucose)

    35 Chapitre 4 : La glycognolyse

    36 4.1 Glycogne phosphorylase37 4.2 Phosphoglucomutase38 4.3 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glycogne)39 4.4 Bilan de la glycolyse anarobie (glycogne)2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 3/157

  • Plan du cours41 Chapitre 5 : Mtabolisme du pyruvate

    42 5.1 Entre dans la mithocondrie43 5.2 Le pyrophosphate de thiamine = TPP44 5.3 Aldhyde + thiazole45 5.4 Le lipoamide46 5.5 Dihydrolipoamide / lipoamide47 5.6 Le coenzyme A48 5.7 Acyl-coenzyme A49 5.8 Pyruvate dshydrognase (I) : dcarboxylase51 5.9 Pyruvate dshydrognase (II) : transactylase52 5.10 Pyruvate dshydrognase (III) : lipoyl dshydrognase53 5.11 Pyruvate dshydrognase (bilan)

    55 Chapitre 6 : Le cycle de Krebs

    56 6.1 Dfinition57 6.2 Citrate synthase58 6.3 Aconitase59 6.4 Isocitrate dshydrognase60 6.5 -ctoglutarate dshydrognase (I) : dcarboxylase61 6.6 -ctoglutarate dshydrognase (II) : transsuccinylase62 6.7 -ctoglutarate dshydrognase (III) : lipoyl dshydrognase63 6.8 -ctoglutarate dshydrognase (bilan)64 6.9 Succinyl thiokinase65 6.10 Nucloside diphosphate kinase66 6.11 Succinate dshydrognase67 6.12 Fumarase68 6.13 Malate dshydrognase69 6.14 Chane respiratoire mitochondriale (NADH) (bilan)70 6.15 Chane respiratoire mitochondriale (succinate) (bilan)71 6.16 Cycle de Krebs (bilan)72 6.17 Cycle de Krebs + C.R.M. (bilan)73 6.18 Bilan de la glycolyse arobie (glucose)74 6.19 Bilan de la glycolyse arobie (glycogne)

    75 Partie II : La lipolyse (PAES)

    77 Chapitre 7 : La -oxydation

    78 7.1 La lipolyse (dfinition)79 7.2 La -oxydation (dfinition)80 7.3 Acyl thiokinases81 7.4 Pyrophosphatase4/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Plan du cours82 7.5 La carnitine83 7.6 Carnitine-palmityl transfrase (enzyme-cl) ; carnitine translocase84 7.7 Acyl-CoA dshydrognases ; Electron Transfer Flavoprotein (ETF) ; ETF

    dshydrognase85 7.8 Enoyl-CoA hydratases (Crotonase)86 7.9 L--hydroxyacyl-CoA dshydrognases87 7.10 -cto thiolases88 7.11 -oxydation dun acide gras satur (dpart)89 7.12 -oxydation dun acide gras satur (deuxime tour)90 7.13 -oxydation dun acide gras satur (dernier tour)91 7.14 -oxydation dun acide gras insatur92 7.15 Bilan de la -oxydation (un tour)93 7.16 Bilan de la -oxydation (palmitate)94 7.17 Bilan de la -oxydation (olate)

    95 Partie III : La rgulation du mtabolisme nergtique (PCEM2)

    97 Chapitre 8 : Introduction

    99 Chapitre 9 : Rgulation des oxydations cellulaires

    100 9.1 Mitochondrie101 9.2 Chane Respiratoire Mitochondriale (schma gnral)103 9.3 Chane Respiratoire Mitochondriale (substrats et produits)104 9.4 Chane respiratoire mitochondriale (NADH) (bilan)105 9.5 Chane respiratoire mitochondriale (succinate) (bilan)106 9.6 ATP/ADP translocase (enzyme-cl)107 9.7 Chane Respiratoire Mitochondriale (schma gnral)109 9.8 Cycle de Krebs (schma gnral)110 9.9 Cycle de Krebs (bilan)111 9.10 Isocitrate dshydrognase (enzyme-cl)112 9.11 Cycle de Krebs (schma gnral)

    113 Chapitre 10 : Rgulation de la glycolyse

    114 10.1 Glycolyse anarobie (bilan)115 10.2 PhosphoFructoKinase I (enzyme-cl)116 10.3 Rgulation de la glycolyse anarobie117 10.4 Rle de lOxygne118 10.5 Effet Pasteur119 10.6 Rgulation de la glycolyse arobie120 10.7 Glycolyse arobie (bilan)121 10.8 Activation de la glycolyse122 10.9 Rgulation de la glycolyse arobie2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 5/157

  • Plan du cours123 Chapitre 11 : Activation de la lipolyse

    124 11.1 Rgulation de la lipolyse125 11.2 Adrnaline126 11.3 Lipase hormonosensible127 11.4 Bilan de la -oxydation (un tour)128 11.5 Bilan de la -oxydation (palmitate)129 11.6 Carnitine-palmityl transferase (enzyme-cl)130 11.7 Activation de la lipolyse

    131 Chapitre 12 : Adaptation du muscle leffort prolong

    132 12.1 Sources dnergie du muscle

    133 Chapitre 13 : Thermognse

    134 13.1 Rgulation du mtabolisme nergtique135 13.2 Dcouplant (dfinition)136 13.3 Thyroxine (T4)

    137 Chapitre 14 : Inhibition du mtabolisme nergtique

    138 14.1 Effet Pasteur139 14.2 Ralentissement de la glycolyse140 14.3 Ralentissement de la glycolyse141 14.4 Ralentissement de la lipolyse

    143 Chapitre 15 : La ctognse

    144 15.1 Bilan de la -oxydation (palmitate)145 15.2 Ctognse (dfinition)146 15.3 -cto thiolase147 15.4 HMG-CoA synthase148 15.5 HMG-CoA lyase149 15.6 Actoactate dcarboxylase150 15.7 -hydroxybutyrate dshydrognase151 15.8 Ctognse (schma gnral)152 15.9 Ctognse (bilan)153 15.10 Bilan de la -oxydation (palmitate)154 15.11 Thiophorase155 15.12 Oxydation des corps ctoniques (schma gnral)156 15.13 Oxydation du -hydroxybutyrate (bilan)157 15.14 -oxydation + ctognse (palmitate) (bilan)6/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Plan du cours2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 7/157

  • Plan du cours8/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • ObjectifsObjectifsPAES

    Connatre1 la structure (corps constitutifs et dtail de la partie active), lorigine biolo-gique, le rle vis--vis des enzymes, des coenzymes suivants dont les fonctions serontvoques dans la suite du cours : TPP, Lipoamide, Coenzyme A et Carnitine.

    Dcrire les tapes2 de la glycolyse (lieu, enzymes de la glycognolyse et de la glyco-lyse cytoplasmique, enzymes du cycle de KREBS, enzymes du mtabolisme du pyru-vate en arobiose et en anarobiose, ractions catalyses, quilibres et rversibilits,rgulation de la PFK par lATP). Faire les bilans nergtiques de la combustion duglucose libre ou provenant du glycogne et de ses utilisations biologiques respiratoireou fermentative.

    Dcrire les tapes de loxydation des acides gras (lieu, enzymes de la -oxydation, en-zymes du cycle de KREBS, ractions catalyses, quilibres et rversibilits, cas desacides gras insaturs). Faire les bilans en ATP de la combustion et de lutilisation bio-logique dun acide gras satur ou insatur.

    PCEM2

    Montrer le mcanisme de la rgulation du mtabolisme nergtique par lADP. Montrer le mcanisme de la rgulation de la glycolyse par lOxygne. Dfinir3 leffet

    PASTEUR. Montrer comment les muscles mettent en uvre successivement les diffrentes r-

    serves nergtiques au cours de leffort prolong. Montrer le mcanisme de la thermognse par laction dcouplante des hormones thy-

    rodiennes. Dcrire les tapes de la -oxydation et de la ctognse dans le foie, et celui de la ru-

    tilisation des corps ctoniques dans le cerveau ou le muscle cardiaque. Savoir tablir le bilan de loxydation des lipides en corps ctoniques et de la rutilisa-

    tion de ces corps ctoniques ; comparer ce bilan celui de loxydation totale des li-pides.

    1. Connatre : nommer un corps dont on voit la formule dveloppe ; numrer les molcules simples dans une molcule complexe et nommer les liaisons qui les unissent ; dessiner une structure, crire lquation chimique et thermodynamique dune raction ou expliquer une exprience mettant en vidence une pro-prit physique ou chimique.

    2. Montrer le mcanisme (dune raction) ouDcrire les tapes (dune voie mtabolique) : dfinir les corps chimiques en prsence, crire et quilibrer la (les) raction(s) ; faire le bilan chimique et nergtique.

    3. Dfinir : prciser dans une phrase concise lessence dun objet ou les limites dun concept en excluant toute notion trangre et en comprenant toutes les variations possibles de lobjet ou du concept cern.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 9/157

  • Objectifs10/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse (PAES)Partie I

    La glycolyse (PAES)Rappel des objectifs

    Connatre1 la structure (corps constitutifs et dtail de la partie active), lorigine biologique, lerle vis--vis des enzymes, des coenzymes suivants dont les fonctions seront voques dansla suite du cours : TPP, Lipoamide, Coenzyme A et Carnitine.

    Dcrire les tapes2 de la glycolyse (lieu, enzymes de la glycognolyse et de la glycolyse cy-toplasmique, enzymes du cycle de KREBS, enzymes du mtabolisme du pyruvate en aro-biose et en anarobiose, ractions catalyses, quilibres et rversibilits, rgulation de la PFKpar lATP). Faire les bilans nergtiques de la combustion du glucose libre ou provenant duglycogne et de ses utilisations biologiques respiratoire ou fermentative.

    1. Connatre : nommer un corps dont on voit la formule dveloppe ; numrer les molcules simples dans une molcule complexe et nommer les liaisons qui les unissent ; dessiner une structure, crire lquation chimique et thermodynamique dune raction ou expliquer une exprience mettant en vidence une pro-prit physique ou chimique.

    2. Montrer le mcanisme (dune raction) ouDcrire les tapes (dune voie mtabolique) : dfinir les corps chimiques en prsence, crire et quilibrer la (les) raction(s) ; faire le bilan chimique et nergtique.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 11/157

  • La glycolyse (PAES)12/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • LactivationChapitre 1

    Lactivation2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 13/157

  • Lactivation1.1 Glycolyse (dfinition)

    OC 1

    Le glucose plasmatique est un nutriment pour toutes les cellules. Son oxydation en bicarbonate ou en lactate, dont lnergie permet la production de lATP, est

    un ensemble de voies mtaboliques : la glycolyse. Le substrat passe par des carrefoursmtaboliques : glucose 6-phosphate, pyruvate, coenzymes transporteurs dHydrogne.

    On distingue entre ces carrefours les voies mtaboliques suivantes :

    Glycolyse cytoplasmique, du glucose-6-phosphate au pyruvate ; Cycle de KREBS, de lactate au bicarbonate ; Chane respiratoire mitochondriale, des coenzymes transporteurs dHydrogne

    leau et de lADP lATP ; Glycognolyse, du glycogne au glucose 6-phosphate.

    Le glucose substrat de la glycolyse provient aussi de

    linterconversion des oses (galactose, mannose), la digestion des polyosides alimentaires.14/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Lactivation1.2 Glycolyse cytoplasmique (dfinition)

    OC 1/1

    Les oses, activs en hexoses 6-phosphates, rejoignent la glycolyse dans le cytoplasme pourtre oxyds en pyruvate par la voie dEMBDEN et MEYERHOF ou glycolyse cytoplasmique.

    Cette voie mtabolique comprend une premire partie : activation en fructose 1,6-bisphosphate, qui sera scind en deux trioses-phosphates. Dans une deuxime partie de la glycolyse cytoplasmique, les trioses-phosphates sont oxyds

    en pyruvate, tandis quune partie de lnergie produite par cette oxydation sert phosphorylerlADP en ATP (oxydation phosphorylante de la glycolyse).2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 15/157

  • Lactivation1.3 Hexokinase

    OC 2

    Le glucose traverse les membranes plasmiques grce des protines transporteuses : les glu-cose permases (GLUT). Chacune des hexokinases est lie spcifiquement avec une forme deGLUT : hexokinase I avec GLUT1, hexokinase II avec GLUT4, ...

    Les hexokinases sont les enzymes qui activent le glucose cytoplasmique en glucose 6-phos-phate. Ce sont des protines de 95000 daltons, prsentes dans tous les tissus et dont la chaneunique dacides amins est constitue de la rptition de deux fois la mme squence.

    Elles catalysent la phosphorylation du glucose sur son carbone 6 par un transfert de phos-phate. LATP est le coenzyme donneur dnergie et de phosphate. Un proton est libr.Comme toutes les enzymes ATP les hexokinases ont le magnsium comme cofacteur.

    La raction couple est exergonique et irrversible.16/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmiqueChapitre 2

    La glycolyse cytoplasmique2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 17/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.1 Phosphohexose isomrase

    OC 3

    Le glucose 6-phosphate est un carrefour mtabolique. Il est le premier substrat de la glycolysecytoplasmique, voie mtabolique du cytoplasme conduisant du glucose 6-phosphate au pyru-vate.

    La phosphohexose isomrase catalyse la premire raction de cette voie mtabolique. Son substrat est l-D glucose 6-phosphate, dont le carbone 2 est le seul a avoir un hydroxyl

    en position axiale, ce qui facilite son oxydation. Lenzyme catalyse aussi lisomrisation du-D glucose 6-phosphate en -D glucose 6-phosphate

    Lenzyme transfre un hydrogne du carbone 2 vers le carbone 1, tandis que le pont hmi-ac-talique est dplac du carbone 1 vers le carbone 2. Cette oxydorduction intramolculaire iso-mrise la fonction aldhyde du Carbone 1 en alcool primaire et lalcool secondaire ducarbone 2 en ctone, de sorte que le glucose 6-phosphate est devenu fructose 6-phosphate.

    La raction se fait sans changement important dnergie interne. Elle est donc reversible.18/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique2.2 PhosphoFructoKinase I (enzyme-cl)

    OC 4

    La phosphofructokinase I (en abrg PFK I) comporte 4 protomres, avec 4 sites actifs pourune masse molculaire de 340000 daltons.

    Elle catalyse la phosphorylation du fructose 6-phosphate sur son carbone 1. LATP, en pr-sence de magnsium, est le coenzyme donneur dnergie et de phosphate. Un proton est lib-r.

    La raction couple est exergonique et irrversible. La PFK I est lenzyme la plus lente de cette voie mtabolique. Elle catalyse ltape dengage-

    ment des glucides dans le mtabolisme nergtique. Elle est donc lenzyme-cl de la glyco-lyse.

    La cintique de la PFK I est allostrique et on lui connat de nombreux effecteurs ; en parti-culier, elle est rtroinhibe par le produit final de la glycolyse, lATP.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 19/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.3 Aldolase

    OC 5

    La fructose 1,6-diphosphate aldolase est une enzyme quatre chanes formant un ensemblede 150000 daltons, prsente dans toutes les cellules.

    Elle catalyse la scission du fructofuranose 1,6-diphosphate en deux trioses phosphates. Laflche en pointill matrialise cette coupure du substrat. Pour ouvrir le pont hmi-actal len-zyme utilise une molcule deau. Au niveau du carbone 4, lenzyme cre une double liaisonentre le carbone et loxygne en soustrayant ces deux atomes un hydrogne et le radicalconstitu par les trois premiers carbones.

    Les carbones 4, 5 et 6 du fructose 1,6-diphosphate ont donn le phosphoglycraldhyde quiappartient la srie D comme le substrat. Les carbones 1, 2 et 3 donnent la phosphodihy-droxyactone, dont la fonction ctone sur le carbone 2 se reforme en restituant la molculedeau utilise.

    Bien que fortement endergonique la raction se produit parce que dans le cytoplasme laconcentration des trioses phosphates est 8 fois plus basse que celle du fructose 1,6-diphos-phate.20/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique2.4 Triose-Phosphate Isomrase

    OC 6

    Les deux trioses phosphates, produits de laldolase, sont des isomres. La transformation du ctose en aldose est faite par la triose phosphate isomrase, qui, comme

    la phosphohexose isomrase, catalyse une oxydorduction interne entre les carbones 1 et 2. Dans la suite de la glycolyse, seul le phosphoglycraldhyde va tre utilis : il y a donc

    conversion de la phosphodihydroxyactone en phosphoglycraldhyde.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 21/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.5 Phosphoglycraldhyde dshydrognase

    OC 8

    La phosphoglycraldhyde dshydrognase catalyse la premire oxydation de la glycolysecytoplasmique.

    Son substrat est le 3-phosphoglycraldhyde, et son coenzyme libre le NAD oxyd. Le mca-nisme est de type bibi ordonn. Le complexe enzyme-substrat se forme grce une liaisoncovalente entre la fonction thiol dune cystine de lenzyme et la fonction aldhyde du subs-trat. On appelle acyl-enzymes les complexes enzyme-substrat lis par des liaisons covalentes.A cause de cette addition, ltat doxydation du carbone 1 du phosphoglycraldhyde est pas-s du niveau aldhyde au niveau alcool secondaire, dont le potentiel doxydorduction est pluslev. Si pour voir clair nous imaginons lhydrolyse de cette liaison nous verrons reparatre lafonction thiol et la fonction aldhyde hydrate.

    Le complexe enzyme-substrat ainsi form, ragit avec le NAD+ par une oxydorduction cou-ple, o les hydrognes du carbone 1 sont transfrs sur le coenzyme, qui sera libr rduit,avec un proton.

    Le produit est toujours li lenzyme par une liaison covalente. Si nous imaginons nouveaulhydrolyse de cette liaison, nous librons cette fois la fonction thiol et une fonction acidecarboxylique : apparemment lacyl-enzyme a t oxyd dune fonction alcool secondaire une fonction ctone, un potentiel standard proche de celui du coenzyme NAD ; mais relle-ment le substrat 3-phosphoglycraldhyde a t oxyd en acide 3-phosphoglycrique un po-tentiel doxydorduction infrieur de plus de 200 mv celui du coenzyme. Lhydrolyselibrerait donc plus de 30 kJ/mol : cest une liaison riche en nergie.22/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique En fait le produit sera libr par phosphorolyse, grce un ion phosphate. Lnergie internede la liaison enzyme-produit est transfre sur une liaison anhydride dacide mixte entre lafonction acide carboxylique et cet ion phosphate. Le produit final est donc le 1,3-diphospho-glycrate, molcule riche en nergie.

    Lnergie interne change entre substrat et coenzyme ntant pas libre en chaleur, cetteraction est presque isonergtique et tout fait rversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 23/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.6 Phosphoglycrate kinase

    OC 9

    La phosphoglycrate kinase est constitue dune seule chane dacides amins dune masse de50000 daltons.

    Son substrat est le 1,3 diphosphoglycrate. Lenzyme catalyse le transfert direct du radical phosphoryl li par la liaison anhydride et de

    lnergie, sur lADP. Lhydrolyse de cette liaison librant environ 50 kJ/mol, aprs le trans-fert lenzyme produit encore 19 kJ/mol de chaleur. Cest une raction rversible.

    Lensemble des ractions catalyses par la phosphoglycraldhyde dshydrognase et par laphosphoglycrate kinase est une raction couple doxydation du substrat et de phosphoryla-tion de lADP en ATP, comme ce qui se passe dans la chane respiratoire mitochondriale.

    Cest pourquoi on lappelle oxydation phosphorylante de la glycolyse cytoplasmique. Larsniate est un dcouplant de cette oxydation phosphorylante parce quil prend la place du

    phosphate et empche le transfert de lnergie sur lATP.24/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique2.7 Phosphoglycrate mutase

    OC 10

    La phosphoglycrate mutase transforme le 3-phosphoglycrate en 2-phosphoglycrate. Son mcanisme daction est caractristique dun groupe denzymes quon appelle les mutases

    (5.4.2.n). Elle a pour coenzyme un acide 2,3-diphosphoglycrique, (en abrg 2,3 DPG). Le mcanisme est de type ping-pong : lenzyme, phosphoryle au dpart, transfre son phos-

    phate sur le 3-phosphoglycrate qui devient 2,3 DPG et reste li lenzyme. Dans le deuxime temps, lenzyme dphosphoryle ragit avec le 2,3 DPG pour rcuprer son

    phosphate et librer le 2-phosphoglycrate. La raction est presque isonergtique et donc, rversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 25/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.8 Enolase

    OC 11

    Lnolase est forme de deux chanes dacides amins, pesant 85000 g/mol. Elle catalyse la dshydratation du 2-phosphoglycrate. La molcule deau provient de lhy-

    drogne de la fonction alcool secondaire estrifie par lacide phosphorique et de lhydroxylede la fonction alcool primaire. La fonction alcool secondaire est transforme en fonction noldont les proprits sont intermdiaires entre alcool et acide. Donc, la liaison ester liant le ra-dical phosphoryl ce carbone est transforme en liaison phosphonol qui est riche en nergie.

    Lnolase agit avec le magnsium comme cofacteur. Elle est inhibe par les ions fluorures. La raction est rversible.26/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique2.9 Pyruvate kinase

    OC 12

    La pyruvate kinase est un oligomre constitu de 4 chanes dacides amins et dune massede 235000 daltons.

    Son substrat est le phosphonolpyruvate, molcule riche en nergie. Lenzyme catalyse le transfert direct du radical phosphoryl et de lnergie, sur lADP. Lhy-

    drolyse de la liaison du phosphonolpyruvate librant environ 62 kJ/mol, aprs le transfertlenzyme produit encore 31 kJ/mol de chaleur. Cette grande quantit de chaleur libre rendcette raction irrversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 27/157

  • La glycolyse cytoplasmique2.10 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glucose) (I)

    OC 13

    Pour commencer faire le bilan de la glycolyse, crivons et quilibrons les ractions cataly-ses par lhexokinase et par les quatre premires enzymes de la glycolyse cytoplasmique, laphosphohexose isomrase, la PFK, laldolase et la triose phosphate isomrase.

    Laddition de ces ractions, cest--dire la raction catalyse par les cinq enzymes la fois,montre quune mole de glucose capte par la cellule, a t active par 2 moles dATP pouraboutir 2 moles de phosphoglycraldhyde, 2 ADP et 2 protons.

    Lensemble de cette premire partie de la glycolyse est faiblement endergonique.28/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse cytoplasmique2.11 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glucose) (II)

    OC 13/1

    La suite du bilan de la glycolyse jusquau stade o la destine du pyruvate form va dpendrede la prsence dOxygne est calcul en faisant la somme du bilan prcdent avec les rac-tions quilibres des cinq enzymes suivantes dans le sens de loxydation.

    Au total la mole de glucose a servi rduire 2 moles de coenzyme NAD+ et phosphoryler2 moles dADP en ATP.

    Ces ractions dgagent une quantit notable de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 29/157

  • La glycolyse cytoplasmique30/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse anarobieChapitre 3

    La glycolyse anarobie2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 31/157

  • La glycolyse anarobie3.1 Lactate dshydrognase

    OC 14

    Les lactate dshydrognases dites LDH sont formes de 4 sous-units. Leur poids molculaireest de 140000 g/mol.

    En labsence doxygne, elles ralisent la dernire tape de la glycolyse. Le coenzyme NADrduit lors de loxydation phosphorylante, ne pouvant tre oxyd par la chane respiratoire mi-tochondriale, doit transmettre ses hydrognes un accepteur qui sera le pyruvate.

    Les LDH ont pour cofacteurs lion zinc et le coenzyme NAD. Le potentiel doxydorductiondu couple pyruvate/lactate tant de -180 mv, la raction doxydorduction couple sera exer-gonique dans le sens de la roxydation du NADH. La raction inverse est possible.32/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycolyse anarobie3.2 Bilan de la glycolyse anarobie (glucose)

    OC 15

    En labsence dOxygne la glycolyse sachve par la rduction du pyruvate par la LDH. Pour faire le bilan de cette glycolyse anarobie, additionnons les bilans de lhexokinase, de la

    glycolyse cytoplasmique et de la LDH. Ce qui, en partant du glucose, donne le rsultatsuivant : une mole de glucose est oxyde en prsence de deux moles dADP et de phosphatespour former deux moles de lactate, deux ATP et 2 moles deau.

    Lnergie de cette oxydation partielle se retrouve dans les deux liaisons riches en nergie delATP form et 122 kJ de chaleur.

    Pour former une mole dATP partir d ADP et de phosphate, la cellule en anarobiose devradonc utiliser 1/2 mole de glucose sanguin soit 90 grammes.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 33/157

  • La glycolyse anarobie34/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycognolyseChapitre 4

    La glycognolyse2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 35/157

  • La glycognolyse4.1 Glycogne phosphorylase

    OC 16

    Les glycogne phosphorylases sont des enzymes qui catalysent la premire raction de la gly-cognolyse. Ce sont de grosses protines dune masse molculaire de 500000 daltons.

    On les rencontre dans le cytoplasme des cellules contenant du glycogne (foie, muscles). Laphosphorylase du foie est forme de 4 sous-units, celle du muscle de 2 sous-units.

    Elle catalyse la phosphorolyse de la liaison glycosidique -1,4 qui unit le dernier glucosedune branche au reste de la molcule de glycogne. Le glucose ainsi dtach reoit le radicalphosphoryl sur son carbone 1, tandis que le glucose suivant rcupre la fonction alcool secon-daire sur son carbone 4.

    La raction est faiblement endergonique. La phosphorylation de lenzyme (sur une srine) est indispensable pour que lenzyme soit ac-

    tive.36/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycognolyse4.2 Phosphoglucomutase

    OC 17

    La phosphoglucomutase transforme le glucose 1-phosphate en glucose 6-phosphate. Elle a pour coenzyme un glucose 1,6-diphosphate. Le mcanisme est de type ping-pong : lenzyme, phosphoryle au dpart, transfre son phos-

    phate sur le glucose 1-phosphate qui devient glucose 1,6-diphosphate et reste li lenzyme. Dans le deuxime temps, lenzyme dphosphoryle ragit avec le glucose 1,6-diphosphate

    pour rcuprer son phosphate et librer le glucose 6-phosphate. Lenzyme et son coenzymeli sont bien retrouvs la fin.

    Lnergie interne du glucose 1-phosphate tant plus grande que celle du glucose 6-phosphate,la raction libre un peu de chaleur, mais elle reste reversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 37/157

  • La glycognolyse4.3 Bilan de la glycolyse cytoplasmique (glycogne)

    OC 18

    Lorsque la glycolyse se fait partir dun glucose dtach dune molcule de glycogne, ceglucose est dabord transform en glucose-6-phosphate par la glycognolyse.

    Mais, le bilan de la glycolyse cytoplasmique est exactement le mme que lorsque le glucose-6-phosphate est issu dun glucose libre.38/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La glycognolyse4.4 Bilan de la glycolyse anarobie (glycogne)

    OC 20

    En partant du glycogne et toujours en labsence doxygne, le bilan de la glycognolyse, dela glycolyse cytoplasmique et de la LDH est un peu diffrent : une mole de glucose dtachedu glycogne, est oxyde en prsence de 3 moles dADP et de 3 phosphates pour former deuxmoles de lactate, 3 ATP et 2 moles deau.

    Lnergie de cette oxydation partielle se retrouve dans les 3 liaisons riches en nergie delATP form et 112 kJ de chaleur.

    Pour former une mole dATP partir dADP et de phosphate, la cellule en anarobiose devradonc utiliser 1/3 de mole de glucose issu du glycogne soit 54 grammes de glycogne. Le ren-dement de la glycolyse anarobie partir du glycogne est plus lev qu partir du glucosesanguin.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 39/157

  • La glycognolyse40/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvateChapitre 5

    Mtabolisme du pyruvate2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 41/157

  • Mtabolisme du pyruvate5.1 Entre dans la mithocondrie

    OC 21

    En prsence dOxygne la chane respiratoire mitochondriale fonctionne et tablit un gradientde protons travers la membrane interne.

    Une protine transporteuse danions organiques existe dans cette membrane qui a plus daffi-nit pour le pyruvate que la LDH. Cette protine transporte le pyruvate travers la membraneinterne en mme temps quun ion Potassium charg positivement.

    Lnergie de cette charge positive est quivalente celle dun proton pomp par les com-plexes de la chane respiratoire mitochondriale (thorie chimio-osmotique). Le retour de cettecharge positive (ion Potassium) vers la matrice libre donc de lnergie qui servira effectuerle transport du pyruvate.42/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.2 Le pyrophosphate de thiamine = TPP

    OC 22

    Pour expliquer le fonctionnement de lenzyme qui va utiliser ce pyruvate, il nous faut dcrireplusieurs coenzymes que nous rencontrons pour la premire fois.

    Le pyrophosphate de thiamine (ou Thiamine pyrophosphate, en abrg TPP) est le premier deces coenzymes.

    Sa structure comprend une pyrimidine, gauche, substitue dune fonction amine et dun ra-dical mthyl et lie par un pont mthylne un deuxime noyau. Ce noyau quon appelle thia-zole est constitu de 3 Carbones, dun Azote et dun Soufre. Il porte un radical mthyl et unechane latrale dont le deuxime Carbone est un alcool primaire. Cet alcool est estrifi parune molcule dacide phosphorique, lie un autre acide phosphorique par une liaison anhy-dride dacide.

    Le deuxime phosphate est li par une liaison covalente avec lenzyme. La thiamine pyro-phosphate est donc un coenzyme li.

    Son poids molculaire est de 422 g/mol. Lensemble de la pyrimidine et du noyau thiazole constitue la thiamine, ou vitamine B1. Le

    besoin quotidien de vitamine B1 est de 1 2 mg/jour. La partie active du coenzyme TPP est situe dans le noyau thiazole. LAzote quaternaire ta-

    blit avec le Carbone voisin une liaison double qui donne lHydrogne port par ce Carboneun caractre labile, cest--dire quil peut se dtacher facilement du noyau.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 43/157

  • Mtabolisme du pyruvate5.3 Aldhyde + thiazole

    OC 23

    Le pyrophosphate de thiamine est le coenzyme transporteur daldhydes, lexception du for-maldhyde.

    Grce son Hydrogne labile la thiamine peut sadditionner sur la double liaison de la fonc-tion aldhyde : lHydrogne est port sur latome dOxygne tandis que le noyau se lie au Car-bone de laldhyde.

    Lorsquelle est lie au TPP la fonction aldhyde est provisoirement transforme en fonctionalcool secondaire. Cette modification des proprits de laldhyde ressemble celle du phos-phoglycraldhyde au cours de loxydation phosphorylante de la glycolyse cytoplasmique.44/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.4 Le lipoamide

    OC 24

    Lacide lipoque est un coenzyme qui a la structure dun acide gras 8 Carbones. Un noyau est form par les trois derniers Carbones et deux atomes de Soufre lis par une liai-

    son covalente. La fonction acide du Carbone 1 est lie par une liaison amide une lysine de lenzyme : le

    lipoamide est donc un coenzyme li. La masse molculaire de lacide lipoque libre est de 206 daltons. Lacide lipoque nest pas synthtis partir dun aliment indispensable pour lhomme.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 45/157

  • Mtabolisme du pyruvate5.5 Dihydrolipoamide / lipoamide

    OC 25

    Le lipoamide est un coenzyme transporteur dHydrogne. En rduisant la liaison qui unit lesdeux atomes de Soufre on fixe deux atomes dHydrogne. La forme rduite est appele dihy-drolipoamide.

    Le potentiel doxydorduction standard du couple lipoamide / dihydrolipoamide est de -290mv.46/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.6 Le coenzyme A

    OC 26

    Le coenzyme A est un cofacteur trs important dont la structure sapparente celle des coen-zymes nuclotidiques de la chane respiratoire.

    On y trouve dabord la structure de lAMP : adnine, ribose et acide phosphorique. Une deu-xime molcule dacide phosphorique estrifie le Carbone 3 du ribose.

    Le phosphate li au Carbone 5 est galement li par une liaison anhydride dacide cette fois une autre molcule dacide phosphorique. Cette troisime molcule dacide phosphorique es-trifie la fonction alcool primaire dun petit acide six Carbones : lacide pantoque. Lacidepantoque est li par une liaison amide avec un acide -amin, isomre de lalanine, quon ap-pelle la -alanine. Celle-ci enfin, est lie par une autre liaison amide un driv dcarboxylde la cystine : la cystamine.

    La masse molculaire totale est de 768 daltons. Le coenzyme A est un coenzyme libre, mais compte tenu de sa masse importante et de son

    caractre polaire, il nest pas capable de franchir les membranes. Il est prsent dans le cyto-plasme et dans la matrice mitochondriale.

    Lacide pantoque est amidifi par la -alanine. Ils forment ensemble lacide pantothniqueou vitamine B5.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 47/157

  • Mtabolisme du pyruvate5.7 Acyl-coenzyme A

    OC 27

    La partie active du coenzyme A est la fonction thiol de la cystamine terminale. Cest pourcela quon crit CoA-SH pour indiquer la forme libre du coenzyme.

    Le coenzyme A est un transporteur de radicaux acides. La fonction acide carboxylique des acides organiques est lie la cystamine par une liaison

    acyl-thiol dont lhydrolyse libre une quantit dnergie suprieure 30 kJ/mol. Cest uneliaison riche en nergie.

    La plupart des acides carboxyliques du mtabolisme ont une forme active lie au coenzymeA. On les appelle acyl-coenzyme A. Par exemple lacide actique est activ en actyl-coen-zyme A.48/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.8 Pyruvate dshydrognase (I) : dcarboxylase

    OC 28

    La pyruvate dhydrognase est un complexe multienzymatique dun poids molculaire de10 millions, accroch la face interne de la membrane interne de la mitochondrie.

    Sa structure comprend 96 sous-units, qui catalysent trois activits enzymatiquessuccessives : une dcarboxylase, une transactylase et une dshydrognase. Elle comprendaussi trois espces de coenzymes lis : des thiamine pyrophosphates, des lipoamides et desflavines adnine dinuclotides. Son activit fera intervenir des coenzymes libres : NAD etcoenzyme A.

    Le substrat initial est le pyruvate qui vient de franchir la membrane interne de la mitochondrie.La dcarboxylase lie au TPP, commence par dcarboxyler le pyruvate en actaldhyde. Il in-tervient une molcule deau pour librer lion bicarbonate. Lactaldhyde est aussitt fix surle noyau thiazole du TPP.

    La dcarboxylase va transfrer cet actaldhyde sur le coenzyme li la transactylase (lipoa-mide). Ce faisant, elle spare le radical actyl dune part et un hydrogne dautre part qui vontse fixer respectivement sur les deux atomes de soufre. Imaginons que nous hydrolysions laliaison entre le soufre du dernier carbone et le radical : cela donnerait dune part lacide ac-tique et dautre part le dihydrolipoamide. Ce transfert est donc une oxydorduction au coursde laquelle lactaldhyde a t oxyd en acide actique et le lipoamide rduit en dihydroli-poamide. Le potentiel doxydorduction du couple actaldhyde/acide actique (-580 mv)2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 49/157

  • Mtabolisme du pyruvatetant trs infrieur celui du couple lipoamide/dihydrolipoamide (-290 mv) une partie delnergie produite par cette raction couple est conserve dans la liaison acyl-thiol qui unitlacide actique au dihydrolipoamide : cest une liaison riche en nergie.50/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.9 Pyruvate dshydrognase (II) : transactylase

    OC 28/1

    La transactylase transfre nouveau le radical actyl et lnergie de la liaison riche en ner-gie sur un coenzyme A libre et lHydrogne de ce coenzyme sur le Soufre libr du dihydro-lipoamide. Le produit est lactyl-coenzyme A.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 51/157

  • Mtabolisme du pyruvate5.10 Pyruvate dshydrognase (III) : lipoyl dshydrognase

    OC 28/2

    La dshydrognase enfin qui est une flavoprotine dont le noyau flavine a un potentiel doxy-dorduction de -290 mv, roxyde le dihydrolipoamide en lipoamide en transportant les Hy-drognes sur la flavine pour rduire un coenzyme NAD+ en NADH et librer un proton.

    Lensemble des ractions catalyses par ce multienzyme libre 38 kJ de chaleur par mole depyruvate oxyde.

    Le pyruvate ayant subi successivement une dcarboxylation et une oxydation, on appellelensemble : dcarboxylation oxydative.

    Comme toutes les ractions de dcarboxylation, celle du pyruvate est irrversible.52/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Mtabolisme du pyruvate5.11 Pyruvate dshydrognase (bilan)

    OC 28/3

    Le bilan des ractions successives catalyses par les sous-units de la pyruvate dshydrog-nase fait apparatre les substrats et les produits rels du complexe multienzymatique.

    En fin de compte, le pyruvate est oxyd en actate, qui est libr sous forme dactyl-CoA,avec une liaison riche en nergie. Un bicarbonate est libr, le premier des atomes de Carboneprovenant du glucose tre totalement oxyd.

    Les Hydrognes enlevs au pyruvate servent rduire le NAD+ en NADH, qui ira la chanerespiratoire, do sortiront trois autres liaisons riches en nergie. Enfin 38 kJ seront librs parlenzyme sous forme de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 53/157

  • Mtabolisme du pyruvate54/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de KrebsChapitre 6

    Le cycle de Krebs2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 55/157

  • Le cycle de Krebs6.1 Dfinition

    OC 29

    Lactyl-coenzyme A, produit final de la pyruvate dshydrognase, va entrer dans les rac-tions dune nouvelle voie mtabolique qui fait partie de la glycolyse arobie : le cycle tricar-boxylique ou cycle de KREBS.

    Cest une voie mtabolique doxydation qui consomme de lacide actique et produit du bi-carbonate et des coenzymes transporteurs dHydrogne pour la chane respiratoire mitochon-driale.

    Lacide actique entre dans le cycle sous forme active dactyl-coenzyme A. Un autre substrat, loxaloactate est utilis par la premire raction et entirement rgnr

    par la dernire.56/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.2 Citrate synthase

    OC 30

    La citrate synthase est la premire des 8 enzymes du cycle de KREBS. Elle est localise dansla matrice mitochondriale. Sa masse molculaire est de 98000 daltons.

    Elle utilise deux substrats selon un mcanisme de type bibi alatoire. Lun de ces substrats est lactyl-coenzyme A. Lautre est loxaloactate, qui possde une

    fonction ctone sur son Carbone 2. Le citrate synthase catalyse laddition de lactyl-coenzyme A sur la double liaison de cette

    ctone en dirigeant lun des Hydrognes du Carbone 2 de lacide actique vers lOxygne etle reste de lactyl-CoA sur le Carbone. Elle hydrolyse la liaison riche en nergie pour librerle coenzyme A et un proton.

    Le produit final est le citrate, un compos de 6 Carbones comportant une fonction alcool ter-tiaire et trois fonctions acides. Cest cause de ces trois acides carboxyliques que KREBS aappel son cycle de ractions, le cycle tricarboxylique.

    La raction est trs exergonique et cet quilibre lui permet de se produire facilement mmelorsque la concentration doxaloactate est basse dans la mitochondrie. Mais en consquence,la raction est irrversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 57/157

  • Le cycle de Krebs6.3 Aconitase

    OC 31

    Le citrate est ensuite pris en charge par laconitase. Cette enzyme a pour cofacteurs un centreFer-Soufre et le glutathion (en abrg GSH), tripeptide qui sert de rserve dHydrogne pourmaintenir lenzyme dans un tat rduit.

    Laconitase soustrait dabord une molcule deau au citrate en crant une double liaison entrele Carbone qui porte la fonction alcool tertiaire et le Carbone situ en dessous. Le composintermdiaire nest pas libr mais immdiatement rhydrat en additionnant cette fois unemolcule deau dans lautre sens de sorte que le produit final qui est lisocitrate, porte unefonction alcool secondaire sur le Carbone 4.

    Lensemble des deux ractions catalyses par laconitase est faiblement endergonique et r-versible.58/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.4 Isocitrate dshydrognase

    OC 32

    Lisocitrate dshydrognase a une masse de 160000 daltons et nagit quen prsence de ca-tions divalents.

    Cest une dshydrognase NAD qui oxyde lisocitrate en oxalosuccinate et rduit le NAD+en NADH plus un proton. Le potentiel doxydorduction du couple isocitrate / oxalosuccinatetant trs proche de celui du couple NAD+ / NADH, la raction est presque isonergtique.

    Lorsque dans un mtabolite une fonction acide carboxylique se trouve en par rapport unectone, cette fonction acide est facilement dcarboxyle : cest la -dcarboxylation. Dans lecas prsent la fonction acide carboxylique centrale est dcarboxyle par lenzyme et grce une molcule deau, libre sous forme dun ion bicarbonate, qui est le deuxime des atomesde Carbone provenant du glucose tre totalement oxyd.

    Le produit final de la raction est l-ctoglutarate. Pour respecter les conventions de FIS-CHER, nous allons retourner la formule de ce compos qui apparatra ensuite avec sa fonctionctone sur le Carbone numro 2.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 59/157

  • Le cycle de Krebs6.5 -ctoglutarate dshydrognase (I) : dcarboxylase

    OC 33

    L-ctoglutarate dcarboxylase est un complexe multienzymatique dune masse molculairede 3.300.000, fixe la face interne de la membrane interne de la mitochondrie.

    Sa structure comprend 20 sous-units, qui catalysent trois activits enzymatiques : une dcar-boxylase, une transsuccinylase et une dshydrognase. Elle comprend aussi trois espces decoenzymes lis : TPP, lipoamide et FAD. Elle fera intervenir des coenzymes libres : NAD etcoenzyme A.

    La raction catalyse est la dcarboxylation oxydative de l-ctoglutarate. La dcarboxylase lie au TPP, dcarboxyle l-ctoglutarate en succinaldhyde. Il intervient

    une molcule deau pour librer lion bicarbonate. Le succinaldhyde est aussitt fix sur lenoyau thiazole du TPP.

    La dcarboxylase va transfrer ce succinaldhyde sur le coenzyme li la transsuccinylasequi est le lipoamide. Ce faisant, elle spare le radical succinyl dune part et un hydrognedautre part qui vont se fixer respectivement sur les deux atomes de soufre. Ce transfert estune oxydorduction au cours de laquelle le succinaldhyde a t oxyd en acide succinique etle lipoamide rduit en dihydrolipoamide. Le potentiel doxydorduction du couple aldhyde/acide tant trs infrieur celui du couple lipoamide/dihydrolipoamide une partie de lnergieproduite par cette raction couple est conserve dans la liaison acyl-thiol entre lacide succi-nique et le dihydrolipoamide : cest une liaison riche en nergie.60/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.6 -ctoglutarate dshydrognase (II) : transsuccinylase

    OC 33/1

    La transsuccinylase transfre nouveau le radical succinyl et lnergie de la liaison sur uncoenzyme A libre et lHydrogne de ce coenzyme sur le Soufre libr du dihydrolipoamide.Le produit est le succinyl-coenzyme A.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 61/157

  • Le cycle de Krebs6.7 -ctoglutarate dshydrognase (III) : lipoyl dshydrognase

    OC 33/2

    La dshydrognase enfin dont le noyau flavine a un potentiel doxydorduction de -290 mv,roxyde la dihydrolipoamide en lipoamide en rduisant un coenzyme NAD+ et libre un pro-ton. Lensemble des ractions catalyses par ce complexe multienzymatique libre 37 kJ dechaleur par mole d-ctoglutarate oxyde.

    Comme toutes les ractions de dcarboxylations, celle de l-ctoglutarate est irrversible.62/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.8 -ctoglutarate dshydrognase (bilan)

    OC 33/3

    Le bilan des ractions successives catalyses par les sous-units de l-ctoglutarate dshy-drognase fait apparatre les substrats et les produits rels du complexe multienzymatique.

    En fin de compte, l-ctoglutarate est oxyd en succinate, qui est libr sous forme de suc-cinyl-CoA, avec une liaison riche en nergie. Un bicarbonate est libr, le troisime et dernierdes atomes de Carbone provenant du glucose tre totalement oxyd.

    Les Hydrognes enlevs l-ctoglutarate servent rduire le NAD+ en NADH, qui seraroxyd par la chane respiratoire, avec production de 3 autres liaisons riches en nergie. En-fin 37 kJ seront librs par lenzyme sous forme de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 63/157

  • Le cycle de Krebs6.9 Succinyl thiokinase

    OC 35

    Les succinyl thiokinases sont des protines 4 chanes protiniques, dune masse de 70000daltons, quon rencontre dans la matrice mitochondriale.

    La succinyl thiokinase transfre la liaison riche en nergie du succinyl-coenzyme A pour fairela synthse du GTP partir de GDP et de phosphate.

    Ce transfert direct dnergie se fait avec une perte de chaleur minime. Le succinate est le produit de la raction, qui libre aussi le GTP et le coenzyme A libre.64/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.10 Nucloside diphosphate kinase

    OC 36

    La nucloside diphosphate kinase est une enzyme prsente dans toutes les cellules. Elle catalyse le transfert du troisime phosphate et de sa liaison riche en nergie dun nuclo-

    side triphosphate vers un nucloside diphosphate. Elle permet ainsi lchange dnergie entre lATP et les autres coenzymes transporteurs

    dnergie : GTP principalement, mais aussi UTP et CTP.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 65/157

  • Le cycle de Krebs6.11 Succinate dshydrognase

    OC 37

    La succinate dshydrognase est une flavoprotine de la membrane interne qui est aussi lecomplexe II de la chane respiratoire mitochondriale. Nous avons examin sa structure aucours de ltude de la chane respiratoire.

    Le Succinate est oxyd en fumarate et les Hydrognes transmis au coenzyme Q. Le potentiel standard doxydorduction du couple succinate / fumarate est peine infrieur

    celui du couple coenzyme QH2 / coenzyme Q. Par consquent, la raction est faiblement exer-gonique et rversible.

    Le produit final est le trans-fumarate, spcifiquement.66/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.12 Fumarase

    OC 38

    La fumarase est une enzyme localise dans la matrice des mitochondries. Elle est forme de4 sous-units et pse 220000 g/mol.

    Elle catalyse laddition dune molcule deau sur le fumarate et produit spcifiquement le L-malate.

    La raction est faiblement exergonique et rversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 67/157

  • Le cycle de Krebs6.13 Malate dshydrognase

    OC 39

    La malate dshydrognase est la dernire enzyme du cycle. Elle agit dans la matrice mito-chondriale. Cest une petite protine dune masse de 62000 daltons.

    Elle catalyse loxydation du malate en oxaloactate, couple la rduction du NAD+ enNADH et libre un proton.

    Le potentiel doxydorduction standard du couple malate / oxaloactate se situe vers -170 mv,cest--dire au dessus de celui du coenzyme NADH / NAD+ (-320 mv). La raction est doncendergonique.

    Lquilibre de la raction est dplac en faveur du malate, donc loxaloactate est toujours enconcentration faible dans les mitochondries.

    La diminution du rapport NADH / NAD+ lors de lactivit de la chane respiratoire entraneune activation de la production doxaloactate par la malate dshydrognase. Ce supplmentdoxaloactate permet la citrate synthtase de fixer plus dactyl-coenzyme A et la vitessedes ractions du cycle augmente.68/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.14 Chane respiratoire mitochondriale (NADH) (bilan)

    OC 40/1

    La chane respiratoire mitochondriale roxyde les coenzymes transporteurs dHydrogne etcette oxydation est couple avec la phosphorylation de lATP.

    Ainsi la roxydation dun NADH produit par les dshydrognases du cycle de KREBS,consomme 1/2 mol dOxygne et produit 3 liaisons riches en nergie dans lATP et 125 kJ dechaleur.

    Ces quantits de chaleur produite sont bien sr dpendantes des concentrations intramito-chondriales relles (et non standard) des substrats : elles sont en ralit toujours infrieures ce bilan.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 69/157

  • Le cycle de Krebs6.15 Chane respiratoire mitochondriale (succinate) (bilan)

    OC 40/2

    De mme, la roxydation dune flavoprotine comme la succinate dshydrognase consomme1/2 mol dOxygne et produit 2 liaisons riches en nergie dans lATP et 82 kJ de chaleur.

    Ces quantits de chaleur produite sont bien sr dpendantes des concentrations intramito-chondriales relles (et non standard) des substrats : elles sont en ralit toujours infrieures ce bilan.70/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.16 Cycle de Krebs (bilan)

    OC 41

    Faisons maintenant le bilan des ractions du cycle de KREBS. Au total, un actyl-coenzymeA, trois moles de NAD oxyd, un coenzyme Q, un GDP et un phosphate produisent deux bi-carbonates, 3 NAD rduits, un coenzyme QH2, un GTP, le coenzyme A libre et 66 kJ.

    Grce laction dune NDP-kinase, les liaisons riches en nergie du coenzyme GTP peuventtre transfres sur lATP.

    Loxydation de lacide actique est totale jusquau gaz carbonique contenu dans les bicarbo-nates. Les ractions nont pas consomm doxaloactate ni daucun autre mtabolite interm-diaire du cycle de KREBS.

    Lnergie de cette oxydation sert rduire les coenzymes qui seront roxyds par la chanerespiratoire mitochondriale.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 71/157

  • Le cycle de Krebs6.17 Cycle de Krebs + C.R.M. (bilan)

    OC 42

    Additionnons les bilans de la chane respiratoire mitochondriale, ce bilan du cycle deKREBS : les 3 NADH produits par loxydation dune mole dacide actique dans les rac-tions du cycle de KREBS, vont tre roxyds par la chane respiratoire mitochondriale en per-mettant la synthse de 9 liaisons riches en nergie et librant 375 kJ de chaleur.

    La roxydation du coenzyme QH2 produit par la succinate dshydrognase permet aussi lasynthse de deux liaisons riches en nergie, en librant 82 kJ de chaleur.

    Au total, lacide actique dun actyl-coenzyme A est oxyd par les enzymes du cycle deKREBS et de la chane respiratoire, en prsence de deux moles dOxygne pour produire deuxmoles de gaz carbonique sous forme de bicarbonates, douze liaisons riches en nergie dansles molcules dATP et enfin 523 kJ de chaleur.72/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Le cycle de Krebs6.18 Bilan de la glycolyse arobie (glucose)

    OC 43

    Le bilan total de la glycolyse arobie est la somme des bilans de lhexokinase, de la glycolysecytoplasmique, de la pyruvate dshydrognase, du cycle de KREBS et de la chane respira-toire mitochondriale.

    Loxydation du glucose capt par la cellule se fait grce 6 moles dOxygne respiratoire etaboutit la production de 6 moles de CO2 sous forme de bicarbonates, de 38 liaisons richesen nergie et de 1694 kJ de chaleur.

    Dans ce bilan, lnergie de loxydation du glucose apparat sous forme dATP, mais aussi dechaleur. Le calcul est fait dans des conditions standard, mais les concentrations relles dessubstrats demandent plus dnergie pour permettre la synthse des liaisons riches en nergiede lATP et librent donc moins de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 73/157

  • Le cycle de Krebs6.19 Bilan de la glycolyse arobie (glycogne)

    OC 44

    Dans le cas o la glycolyse se fait partir dun glucose dtach du glycogne, le bilan se cal-cule en faisant la somme des bilans de la glycognolyse, de la glycolyse cytoplasmique, de lapyruvate dshydrognase, du cycle de KREBS et de la chane respiratoire mitochondriale.

    Loxydation de ce glucose produit 39 liaisons riches en nergie au lieu de 38, soit un rende-ment en ATP peine plus lev que celui du glucose libre.

    Dans ce bilan, lnergie de loxydation du glucose apparat sous forme dATP, mais aussi dechaleur. Le calcul est fait dans des conditions standard, mais les concentrations relles dessubstrats demandent plus dnergie pour permettre la synthse des liaisons riches en nergiede lATP et librent donc moins de chaleur.74/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La lipolyse (PAES)Partie II

    La lipolyse (PAES)Rappel des objectifs

    Dcrire les tapes1 de loxydation des acides gras (lieu, enzymes de la -oxydation, enzymesdu cycle de KREBS, ractions catalyses, quilibres et rversibilits, cas des acides gras in-saturs). Faire les bilans en ATP de la combustion et de lutilisation biologique dun acidegras satur ou insatur.

    1. Montrer le mcanisme (dune raction) ouDcrire les tapes (dune voie mtabolique) : dfinir les corps chimiques en prsence, crire et quilibrer la (les) raction(s) ; faire le bilan chimique et nergtique.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 75/157

  • La lipolyse (PAES)76/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydationChapitre 7

    La -oxydation2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 77/157

  • La -oxydation7.1 La lipolyse (dfinition)

    OC 46

    Les acides gras sont aussi des nutriments utiliss par les cellules pour produire de lnergie. Loxydation des acides gras en gaz carbonique permet la production de lATP. Cest un en-

    semble de voies mtaboliques : la lipolyse. Le substrat passe par des carrefours mtaboliques :acyl-coenzyme A, actyl-coenzyme A, coenzymes transporteurs dhydrognes.

    On distingue entre ces carrefours les voies mtaboliques suivantes :

    -oxydation, de lacyl-CoA aux actyl-CoA. Cycle de KREBS, de lactate au bicarbonate ; Chane respiratoire mitochondriale, des coenzymes transporteurs dHydrogne

    leau et de lADP lATP.

    Les acides gras de la lipolyse proviennent de lhydrolyse des lipides :

    lipolyse priphrique (hydrolyse des triglycrides du tissu adipeux) digestion des lipides alimentaires.78/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.2 La -oxydation (dfinition)

    OC 47

    La -oxydation est donc une voie mtabolique qui fait partie de la lipolyse. Elle se situe principalement dans les mitochondries et dpend de la prsence dOxygne. En

    consquence la lipolyse est un mtabolisme nergtique strictement arobie. La -oxydation de certains acides gras se fait aussi dans les peroxysomes, organites du cyto-

    plasme qui mtabolisent les peroxydes comme leau oxygne.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 79/157

  • La -oxydation7.3 Acyl thiokinases

    OC 48

    Les acylthiokinases sont des enzymes du cytoplasme qui activent les acides gras capts parles cellules, en les liant au coenzyme A par une liaison riche en nergie. Pour faire cette liaisonlenzyme utilise lnergie fournie par lhydrolyse, en prsence de Magnsium, de lATP enAMP et en pyrophosphate. Il se forme un acyl-enzyme o lAMP est fix lacide gras parune liaison riche en nergie. Puis lenzyme catalyse le transfert de lacide gras et de lnergiede la liaison sur le coenzyme A, et libre lAMP et un proton.

    La majorit de lnergie provenant de lhydrolyse de lATP est conserve dans la liaison richeen nergie de lacyl-coenzyme A, produit final des acyl-thiokinases.80/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.4 Pyrophosphatase

    OC 49

    Cette activation de lacide gras en acyl-CoA est rendue irrversible par la prsence dans lesmmes cellules dune enzyme trs active, la pyrophosphatase, qui hydrolyse irrversiblementtout le pyrophosphate produit.

    Lnergie de cette deuxime hydrolyse est libre sous forme de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 81/157

  • La -oxydation7.5 La carnitine

    OC 50

    La carnitine est un coenzyme indispensable la -oxydation. Elle est constitue dune chane de 4 Carbones qui porte une fonction acide carboxylique sur

    le Carbone 1, un alcool secondaire sur le Carbone 3 et sur le dernier, une amine quaternairesubstitue par trois radicaux mthyl.

    La masse molculaire de la carnitine est de 161 daltons. Les deux fonctions acide et aminesont charges lectriquement dans le milieu intracellulaire.

    La fonction alcool secondaire peut tre estrifie par un acide gras : cest une acyl-carnitine.Lacyl-carnitine est un lipide ionis deux charges lectriques opposes (btane).

    Chez lhomme, la carnitine nest pas un aliment indispensable.82/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.6 Carnitine-palmityl transfrase (enzyme-cl) ; carnitine translocase

    OC 51

    Les acyl-coenzymes A entrent dans les mitochondries grce une enzyme et des protinestransporteuses qui fonctionnent ensemble.

    La carnitine palmityltransfrase I (CPT I)qui a pour substrats les acyl-CoA du cytoplasme, estune protine de 90000 daltons, appartenant la membrane externe de la mitochondrie.

    Elle transfre le radical acyl des acyl-coenzymes A sur la carnitine. La liaison riche en nergiedu coenzyme A est ouverte, mais lnergie correspondante est conserve dans lnergie in-terne de lacyl-carnitine.

    Celle-ci pntre alors dans la membrane interne quelle traverse grce lacyl-carnitine trans-locase (CT).

    Enfin lacyl-carnitine, parvenue la farce interne de la membrane interne, est le substrat de lacarnitine palmityltransfrase II (CPT II , 69000 daltons), qui reporte le radical acyl et lner-gie de lacyl-carnitine sur un coenzyme A de la matrice.

    La carnitine palmityltransfrase I de la membrane externe de la mitochondrie est lenzyme laplus lente de la lipolyse. Elle catalyse ltape dengagement de lacide gras dans le mtabo-lisme nergtique : elle est donc lenzyme-cl de la lipolyse.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 83/157

  • La -oxydation7.7 Acyl-CoA dshydrognases ; Electron Transfer Flavoprotein (ETF) ; ETF dshydrognase

    OC 52

    Loxydation de lacide gras commence ds que lacyl-CoA est form dans la matrice mito-chondriale.

    Les acyl-CoA dshydrognases sont constitues de 4 sous-units pour une masse molculairede 160 180000 daltons. Une dentre elles est spcifique des acyl-CoA 16 et 18 Carbones.

    Cest une flavoprotine qui oxyde lacyl-CoA entre les carbones et pour produire unedouble liaison disomrie trans, et rduit en mme temps son coenzyme FAD. Aprs la lib-ration du produit, le dhydroacyl-CoA, les hydrognes sont transmis une petite flavopro-tine de la matrice, lETF, qui joue le rle de coenzyme transporteur dlectrons. Une ETF-dshydrognase de la membrane interne de la mitochondrie roxyde enfin lETF et transmetles hydrognes au coenzyme Q de la chane respiratoire. Les ractions catalyses par ces pro-tines sont rversibles.84/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.8 Enoyl-CoA hydratases (Crotonase)

    OC 53

    Le dhydroacyl-coenzyme A est reconnu par les noyl-CoA hydratases, enzymes de la ma-trice qui ont 6 sous-units et psent 155000 g/mol. La crotonase est une noyl-CoA hydratasespcifique des dhydroacyl-CoA chane courte. Une autre noyl-CoA hydratase (EC4.2.1.74) est spcifique des dhydroacyl-CoA chane longue.

    La raction daddition dune molcule deau sur la double liaison se fait de manire ce quele carbone reste le plus oxyd. Le produit sera donc un -hydroxyacyl-CoA. En fait, lesnoyl-CoA hydratases sont trs peu spcifiques : peu spcifiques de lisomrie de la doubleliaison ce qui leur permet disomriser les cis-dhydroacyl-CoA en trans-dhydroacyl-CoA ;peu spcifiques de la position de la double liaison, ce qui lui permet disomriser les --d-hydroacyl-CoA en --dhydroacyl-CoA ; peu spcifiques, enfin, de lorientation de lhy-droxyl de la fonction alcool, ce qui lui permet disomriser les D--hydroxyacyl-CoA en L--hydroxyacyl-CoA. Ces proprits disomrase sont importantes pour permettre la -oxyda-tion des acides gras insaturs. Le produit final est toujours un L--hydroxyacyl-CoA.

    La raction est rversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 85/157

  • La -oxydation7.9 L--hydroxyacyl-CoA dshydrognases

    OC 54

    Les L--hydroxyacyl-CoA dshydrognases sont formes de deux sous-units. Lune dentreelles (EC 1.1.1.211) est plus spcifique des L--hydroxyacyl-CoA chanes longues.

    Elles catalysent loxydation des L--hydroxyacyl-CoA en -ctoacyl-CoA, couple la r-duction du NAD+ en NADH et un proton.

    La raction est endergonique. Lquilibre de la raction est donc dplac en faveur des L--hydroxyacyl-CoA, donc la di-

    minution du rapport NADH/NAD+ lors de lactivit de la chane respiratoire entrane une ac-tivation de la -oxydation.86/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.10 -cto thiolases

    OC 55

    Les -ctothiolases interviennent ensuite pour dtacher les carbones 1 et 2 du -ctoacyl-CoA.

    Il y a plusieurs -ctothiolases spcifiques des -ctoacyl-CoA chane plus ou moinslongue. Ce sont des protines 4 chanes peptidiques dune masse de 170000 daltons.

    Lenzyme transfre le carbone et le radical qui lui fait suite sur une nouvelle molcule decoenzyme A.

    Un actyl-coenzyme A a t dtach de lacide gras. Dans le -ctoacyl-CoA, le carbone est une ctone. Dans le produit final, on voit en imaginant lhydrolyse de lacyl-coenzyme A, que cette fonc-

    tion a t transforme en acide carboxylique. La -ctothiolase catalyse donc une ractiondoxydorduction exergonique qui permet de synthtiser la liaison acyl-thiol, riche en ner-gie, liant la nouvelle molcule de coenzyme A au reste de lacide gras.

    Cette raction est nanmoins parfaitement rversible.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 87/157

  • La -oxydation7.11 -oxydation dun acide gras satur (dpart)

    OC 56

    Les produits de la -ctothiolase sont lactyl-CoA qui entre dans le cycle de KREBS, et unacyl-CoA, ayant deux Carbones de moins quau dbut, qui sera nouveau le substrat duneacyl-CoA dshydrognase et va donc recommencer la -oxydation.88/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.12 -oxydation dun acide gras satur (deuxime tour)

    OC 56/1

    La chane grasse va perdre deux Carbones chaque fois que les activits des 4 enzymes sesuccderont, en librant un actyl-CoA. La voie mtabolique se droulera autant de fois quily a de paires de Carbones dans la chane, jusqu ce que lacyl-CoA restant ait moins de4 carbones.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 89/157

  • La -oxydation7.13 -oxydation dun acide gras satur (dernier tour)

    OC 56/2

    Lorsque le -ctoacyl-CoA na plus que 4 Carbones, la -ctothiolase a pour produits deuxactyl-CoA.

    Ainsi, loxydation de lacide palmitique qui a 16 Carbones, implique 7 fois le passage par lesractions de la -oxydation et produit 8 actyl-CoA.90/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.14 -oxydation dun acide gras insatur

    OC 56/3

    De mme, loxydation de lacide olque qui a 18 Carbones, implique 8 fois le passage par cesractions et produit 9 actyl-CoA.

    Lors du troisime tour de -oxydation, la -ctothiolase produit un ,-cis-dhydrolauryl-CoA, cause de la double liaison de lolate de dpart. Ce ,-cis-dhydrolauryl-CoA seraisomris en ,-trans-dhydrolauryl-CoA puis hydrat en L--hydroxylauryl-CoA par lacrotonase. Au del, la -oxydation se poursuivra normalement.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 91/157

  • La -oxydation7.15 Bilan de la -oxydation (un tour)

    OC 57

    Un acyl-CoA de n carbones est oxyd par une acyl-CoA dshydrognase en rduisant uncoenzyme Q, puis hydrat par la crotonase, oxyd de nouveau par la -hydroxyacyl-CoA ds-hydrognase en rduisant un NAD et enfin scind par la -ctothiolase qui produit un acyl-CoA avec n - 2 carbones et un actyl-CoA.

    La roxydation du coenzyme QH2 par la chane respiratoire mitochondriale permet la syn-thse de 2 liaisons riches en nergie, et celle du NADH fournit 3 liaisons riches en nergie.

    En somme, la transformation de chaque paire de carbones en actyl-CoA par la -oxydationet la chane respiratoire mitochondriale, consomme une mole dOxygne, et produit outrelactyl-CoA, 5 liaisons riches en nergie de lATP.

    Quant lactyl-CoA, il sera oxyd compltement par le cycle de KREBS et la chane respi-ratoire mitochondriale. Le bilan de ces deux voies runies consomme encore 2 moles dOxy-gne et produit 2 bicarbonates et 12 liaisons riches en nergie.92/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La -oxydation7.16 Bilan de la -oxydation (palmitate)

    OC 58

    Prenons lexemple dun acide gras satur comme lacide palmitique qui a 16 carbones. Lac-tivation du palmitate par une acyl-thiokinase utilise une mole dATP et libre un pyrophos-phate et un AMP. Le pyrophosphate est hydrolys par la pyrophosphatase et lAMPretransform en ADP par la myokinase qui consomme une deuxime mole dATP.

    Le palmitate va passer 7 fois par la -oxydation associe la chane respiratoire. 7 acyl-CoAsuccessifs seront oxyds par 7 moles doxygne en produisant 8 actyl-CoA et permettront dephosphoryler 35 moles dATP.

    Les 8 actyl-CoA vont tre oxyds par le cycle de KREBS et la chane respiratoire mitochon-driale, grce 16 moles doxygne en produisant 16 bicarbonates tandis que 96 moles dADPseront transformes en ATP.

    Le bilan total de loxydation du palmitate par la cellule stablit donc ainsi : loxydation dunemole de palmitate, soit 256 grammes, se fait grce 23 moles doxygne, cest--dire515 litres ; cela produit 16 moles de bicarbonate, et 129 moles dADP sont transformes enATP. Notez bien aussi la grande quantit deau produite dans cette lipolyse.

    Le bilan thermodynamique des ractions de la lipolyse nest pas simple car il dpend de lalongueur de la chane grasse du substrat. La chaleur produite atteint presque 6000 kJ/mol depalmitate dans les conditions standard. Dans ce bilan, lnergie de loxydation du glucose ap-parat sous forme dATP, mais aussi de chaleur. Le calcul est fait dans des conditions stan-dard, mais les concentrations relles des substrats demandent plus dnergie pour permettrela synthse des liaisons riches en nergie de lATP et librent donc moins de chaleur.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 93/157

  • La -oxydation7.17 Bilan de la -oxydation (olate)

    OC 59

    Soit maintenant un acide gras insatur comme lacide olque qui a 18 Carbones et une doubleliaison. Lactivation de lolate par une acyl-thiokinase utilise une mole dATP et libre unpyrophosphate et un AMP. Le pyrophosphate est hydrolys par la pyrophosphatase et lAMPretransform en ADP par la myokinase qui consomme une deuxime mole dATP.

    Lolate va passer 8 fois par la -oxydation associe la chane respiratoire. A cause de ladouble liaison, le produit de la -ctothiolase sera lun de ces passages un dhydroacyl-CoAau lieu dun acyl-CoA. Il sera donc directement le substrat de la crotonase sans interventiondune acyl-CoA dshydrognase : donc cette tape une molcule de coenzyme Q ne sera pasrduite, ce qui diminue le bilan de deux liaisons riches en nergie. Donc, 7 acyl-CoA et undhydroacyl-CoA seront oxyds par 8 moles doxygne en produisant 9 actyl-CoA et per-mettront de phosphoryler 40 - 2 = 38 moles dATP.

    Les 9 actyl-CoA vont tre oxyds par le cycle de KREBS et la chane respiratoire mitochon-driale, grce 18 moles doxygne en produisant 18 bicarbonates tandis que 108 molesdADP seront transformes en ATP. Le bilan total de loxydation de lolate stablit doncainsi : loxydation dune mole dolate se fait grce 25,5 moles dOxygne. Cela produit18 moles de bicarbonates, et 144 moles dADP sont transformes en ATP.94/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • La rgulation du mtabolisme nergtique (PCEM2)Partie III

    La rgulation du mtabolisme nergtique (PCEM2)Rappel des objectifs

    Montrer le mcanisme1 de la rgulation du mtabolisme nergtique par lADP. Montrer le mcanisme de la rgulation de la glycolyse par lOxygne. Dfinir2 leffet PAS-

    TEUR. Montrer comment les muscles mettent en uvre successivement les diffrentes rserves ner-

    gtiques au cours de leffort prolong. Montrer le mcanisme de la thermognse par laction dcouplante des hormones thyro-

    diennes. Dcrire les tapes de la -oxydation et de la ctognse dans le foie, et celui de la rutilisation

    des corps ctoniques dans le cerveau ou le muscle cardiaque. Savoir tablir le bilan de loxydation des lipides en corps ctoniques et de la rutilisation de

    ces corps ctoniques ; comparer ce bilan celui de loxydation totale des lipides.

    1. Montrer le mcanisme (dune raction) ouDcrire les tapes (dune voie mtabolique) : dfinir les corps chimiques en prsence, crire et quilibrer la (les) raction(s) ; faire le bilan chimique et nergtique.

    2. Dfinir : prciser dans une phrase concise lessence dun objet ou les limites dun concept en excluant toute notion trangre et en comprenant toutes les variations possibles de lobjet ou du concept cern.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 95/157

  • La rgulation du mtabolisme nergtique (PCEM2)96/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • IntroductionChapitre 8

    Introduction Dans tous les tissus, le mtabolisme nergtique est command par un facteur principal : le

    taux dATP, ou plus prcisment la charge nergtique du coenzyme ATP/ADP. La rgulation de chacune des voies mtaboliques de la glycolyse ou de la lipolyse est ensuite

    commande par la vitesse des enzymes qui contrlent chacune de ces voies mtaboliques. Les enzymes qui ont le rle rgulateur le plus important sont les enzymes-cls :

    Chane respiratoire mitochondriale : ATP/ADP translocase Cycle de KREBS : isocitrate dshydrognase Glycolyse cytoplasmique : phosphofructokinase -oxydation : carnitine-palmityl-transfrase Lipolyse priphrique : lipase hormonosensible

    La rgulation dpend aussi de la disponibilit des diffrents substrats et coenzymes libres :ADP bien sr, mais aussi Oxygne, phosphates, coenzymes transporteurs dHydrogne, oxa-loactate, etc...

    Le muscle squelettique, au cours de leffort, est un bon modle pour tudier la rgulation dumtabolisme nergtique. Au cours du passage du repos leffort, le mtabolisme nergtiquesadapte progressivement la consommation dATP.

    Le mtabolisme nergtique passe alors par diffrentes tapes : dabord anarobie-alactique(faisant appel lhydrolyse de cratine-phosphate), puis glycolyse anarobie (produisant lelactate) enfin en arobiose, la glycolyse partir du glycogne musculaire et hpatique, et lalipolyse partir des triglycrides du tissu adipeux.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 97/157

  • Introduction98/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulairesChapitre 9

    Rgulation des oxydations cellulaires2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 99/157

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.1 Mitochondrie

    RM 44/1

    La respiration cellulaire est un mode de production de liaisons riches en nergie (sous formedATP) qui se caractrise par des oxydations phosphorylantes :

    actives au sein dune membrane riche en cytochromes dont laccepteur final dlectrons est lOxygne dont lintermdiaire entre oxydation et phosphorylation (couplage) est un potentiel de

    membrane.

    Elle se distingue des fermentations, qui produisent aussi des liaisons riches en nergie (sousforme dATP) par des oxydations phosphorylantes :

    actives au sein dun compartiment soluble (cytoplasme par exemple) dont laccepteur dlectrons nest pas lOxygne (par exemple le pyruvate) dont les intermdiaires entre oxydation et phosphorylation (couplage) sont des mol-

    cules riches en nergie (par exemple 1,3 diphosphoglycrate).

    La mitochondrie est le sige de la respiration. Elle comporte une double membrane : mem-brane externe et membrane interne spares par lespace intermembranaire. A lintrieur dela membrane interne est un compartiment soluble appel matrice. Les enzymes de la chanerespiratoire mitochondriale sont situes dans la membrane interne de la mitochondrie.

    Le schma gnral de la chane mitochondriale (RM 46) est expliqu sur un agrandissementde la partie encadre de cette mitochondrie.100/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.2 Chane Respiratoire Mitochondriale (schma gnral)

    RM 46

    Pour comprendre ces bilans, il faut examiner le fonctionnement densemble de cette voie m-tabolique. La chane respiratoire mitochondriale est associe aux crtes de la membrane in-terne des mitochondries dont une est schmatise sur ce dessin. Cette membrane spare lamatrice ( droite) de lespace intermembranaire ( gauche). Dans la membrane interne, onrencontre les principaux complexes enzymatiques de la chane respiratoire, symboliss pardes cercles jaunes.

    Les substrats et les produits, ports par des coenzymes, sont des couples doxydorduction in-diqus sur ce dessin par le rapport forme rduite sur forme oxyde.

    Le complexe I, en haut gauche, oxyde le NADH en NAD+, rduit le coenzyme Q en coen-zyme QH2 et pompe des protons de la matrice vers lespace intermembranaire.

    Le complexe II, en haut droite oxyde le succinate en fumarate et rduit le coenzyme Q encoenzyme QH2.

    Le complexe III, en haut au milieu, oxyde le coenzyme QH2 en coenzyme Q, rduit lecytochrome c ferrique en cytochrome c ferreux et pompe des protons de la matrice vers les-pace intermembranaire.

    Le complexe IV, en bas droite, oxyde le cytochrome c ferreux en cytochrome c ferrique, r-duit loxygne en eau et pompe des protons de la matrice vers lespace intermembranaire.

    Lactivit de pompage des protons par les complexes I, III et IV conduit une grande diff-2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 101/157

  • Rgulation des oxydations cellulairesrence de concentration des protons : on dit quil stablit un gradient de concentration de pro-tons. Ce gradient se manifeste par une diffrence de pH entre la matrice et lespaceintermembranaire, ce dernier tant plus acide que la matrice.

    Le complexe V, en bas, laisse, au contraire, revenir les protons de lespace intermembranairevers la matrice et utilise lnergie produite pour phosphoryler lADP en ATP. Deux protinestransporteuses (ATP-translocase et porine) permettent enfin au coenzyme ATP/ADP de pas-ser travers les membranes.102/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.3 Chane Respiratoire Mitochondriale (substrats et produits)

    OC 61

    La chane respiratoire mitochondriale est rgule par effet de substrat. Le NADH et les autressubstrats des flavoprotines (succinate, acyl-CoA et -glycrophosphate) sont apports large-ment par les voies du mtabolisme nergtique (glycolyse, lipolyse).

    LOxygne est apport aux mitochondries par les poumons..., hmoglobine..., myoglobine...La respiration est rgule par le rythme cardiaque qui contrle le dbit dOxygne dans lestissus.

    Le phosphate minral entre dans les mitochondries grce une protine transporteuse qui as-sure un taux suffisant de cet ion dans la matrice des mitochondries. Au pH de la matrice(7,00), la concentration en H+ est par dfinition 10-7 M.

    LADP enfin, transport par lATP/ADP translocase, est le facteur limitant qui contrle leplus la chane respiratoire au niveau du complexe V (ATPase).2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 103/157

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.4 Chane respiratoire mitochondriale (NADH) (bilan)

    OC 62

    Les substrats consomms pour la synthse de lATP par la chane respiratoire dans la matricemitochondriale sont : le NADH apport par les dshydrognases intramitochondriales et lesnavettes, les protons, lOxygne de la respiration, lADP entrant dans la mitochondrie et lephosphate minral.

    Le NADH produit de la glycolyse ou de la lipolyse, nest jamais limitant car il existe danslorganisme des rserves de glycogne ou de triglycrides toujours suffisantes pour alimenterles dhydrognases extramitochondriales et intramitochondriales.

    A ltat normal les protons et le phosphate ne sont pas limitants car leur concentration dans lamitochondrie est toujours en excs.

    La disponibilit en Oxygne est habituellement suffisante pour permettre le fonctionnementde la chane respiratoire. La diminution de la ventilation pulmonaire ou du dbit cardiaque(hypoxie) entrane le ralentissement de la chane respiratoire.

    Le facteur limitant est lADP, substrat de lATPase, entrant dans la mitochondrie grce latranslocase. Lorsque le rapport ATP/ADP est lev, le flux dADP entrant dans la mitochon-drie est faible et la chane respiratoire est ralentie. Au cours de leffort, le rapport ATP/ADPdiminue, le flux dADP augmente et la chane respiratoire fonctionne nouveau plus rapide-ment.104/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.5 Chane respiratoire mitochondriale (succinate) (bilan)

    OC 62/1

    Les substrats consomms pour la synthse de lATP par la chane respiratoire partir desautres dshydrognases (flavoprotines : SDH, Acyl-CoA DH et GP DH) sont : lHydrognetransport par les flavoprotines, les protons, lOxygne de la respiration, lADP entrant dansla mitochondrie et le phosphate minral.

    Les substrats des flavoprotines de la glycolyse ou de la lipolyse, ne sont jamais limitants caril existe dans lorganisme des rserves de glycogne ou de triglycrides toujours suffisantespour alimenter les dshydrognases extramitochondriales et intramitochondriales.

    A ltat normal les protons et le phosphate ne sont pas limitants car leur concentration dans lamitochondrie est toujours en excs.

    La disponibilit en Oxygne est habituellement suffisante pour permettre le fonctionnementde la chane respiratoire. La diminution de la ventilation pulmonaire ou du dbit cardiaque(hypoxie) entrane le ralentissement de la chane respiratoire.

    Le facteur limitant est lADP, substrat de lATPase, entrant dans la mitochondrie grce latranslocase. Lorsque le rapport ATP/ADP est lev, le flux dADP entrant dans la mitochon-drie est faible et la chane respiratoire est ralentie. Au cours de leffort, le rapport ATP/ADPdiminue, le flux dADP augmente et la chane respiratoire fonctionne nouveau plus rapide-ment.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 105/157

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.6 ATP/ADP translocase (enzyme-cl)

    OC 60

    LATP translocase de la membrane interne de la mitochondrie permet le transport de lADPde lespace intermembranaire vers la matrice.

    Elle facilite le transport dune molcule dADP porteuse de 3 charges ngatives de lespaceintermembranaire vers la matrice, en change dune molcule dATP porteuse de 4 chargesngatives dans lautre sens.

    La vitesse de ce transport dADP vers la matrice est ltape la plus lente de la chane respira-toire mitochondriale dans les conditions physiologiques et cest donc cette translocase quicontrle la vitesse de la chane.

    Grce cette translocase, toute diminution du rapport ATP/ADP dans le cytoplasme est r-percute sur le rapport ATP/ADP de la matrice, ce qui entrane une acclration de la chanerespiratoire.106/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.7 Chane Respiratoire Mitochondriale (schma gnral)

    RM 46/2

    Examinons les effets des variations des concentrations dATP et dADP comme rgulateursde la chane respiratoire mitochondriale.

    Au repos la concentration dATP est trs suprieure celle de lADP dans le cytoplasme aussibien que dans la mitochondrie. Lors dun effort considrable la concentration dATP diminuesensiblement mais rarement de plus de 50% : les variations de la concentration dATP sontdonc faibles. Au contraire, lADP dont la concentration est trs faible au repos, slve destaux de 10 100 fois plus levs ds le dbut de leffort.

    Laugmentation du taux de lADP cytoplasmique active les protines de transport des mem-branes mitochondriales et provoque lentre de lADP dans la matrice de la mitochondrie, ole taux de lADP augmente par consquent dans les mmes proportions que dans le cyto-plasme.

    Laugmentation du taux dADP facilite par effet de substrat lactivit de lATPase qui phos-phoryle aussitt cet ADP en ATP en utilisant lnergie des protons de lespace intermembra-naire quelle laisse entrer dans la matrice. Il en rsulte une diminution du gradient de protonsautour de la membrane interne.

    La diminution du gradient de protons facilite son tour le pompage des protons de la matricevers lespace intermembranaire par les complexes I, III et IV de la chane respiratoire. Lesractions doxydorduction couples ce pompage sont donc aussi facilites avec une acc-2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 107/157

  • Rgulation des oxydations cellulaireslration de loxydation des substrats (NADH et succinate) et de la consommation doxygne. En somme, la seule augmentation du taux dADP dans la matrice de la mitochondrie (grce

    lADP/ATP translocase) suffit acclrer toutes les ractions des complexes de la chane res-piratoire mitochondriale. Rciproquement labsence dADP dans la matrice provoque larrtdes oxydations de toutes les enzymes.108/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.8 Cycle de Krebs (schma gnral)

    OC 64

    Le cycle de KREBS est une voie mtabolique de la mitochondrie, qui oxyde lacide actiquede lactyl-CoA en bicarbonate, en prsence de coenzymes qui transportent les Hydrognesvers la chane respiratoire mitochondriale.

    La rgulation du cycle de KREBS dpend des substrats : actyl-CoA, coenzymes transpor-teurs dHydrogne (NAD, Flavoprotines), ADP et phosphates.

    Ltape dengagement des acides tricarboxyliques dans le cycle de KREBS est catalyse parlisocitrate dshydrognase, qui est la plus active dans la rgulation de ce cycle.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 109/157

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.9 Cycle de Krebs (bilan)

    OC 65

    Les substrats consomms au cours du cycle de KREBS dans la matrice mitochondriale sont :lactyl-CoA fourni par la -oxydation ou par la pyruvate dshydrognase, lHydrognetransport par le NADH et les flavoprotines, lADP ou le GDP, le phosphate minral et leau.

    Lactyl-CoA nest jamais limitant car il existe dans lorganisme des rserves de glycogneou de triglycrides suffisantes pour alimenter la glycolyse ou la lipolyse.

    A ltat normal le phosphate nest pas limitant dans la mitochondrie. LADP entrant dans la mitochondrie grce la translocase ou le GDP rsultant de lechange

    de phosphate entre les deux nuclotides, sont contrls par le rapport ATP/ADP comme pourla chane respiratoire.

    Les coenzymes transporteurs dHydrogne (NADH et flavoprotines) sont roxyds par lachane respiratoire. Lorsque le rapport ATP/ADP est lev, la chane respiratoire est ralentieet loxydation des coenzymes est lente : le cycle de KREBS est frein en proportion. Au coursde leffort, le rapport ATP/ADP diminue, la chane respiratoire et le cycle de KREBS red-marrent.

    Loxaloactate nest pas consomm ni produit au cours du cycle de KREBS. La molculedoxaloactate qui est le produit de la dernire raction de cette voie mtabolique est en mmetemps le substrat de la premire raction : cest ce qui fait que cette voie mtabolique est uncycle. Pour augmenter lactivit du cycle il faut fournir un supplment doxaloactate. Ceciest possible partir du pyruvate grce la pyruvate carboxylase qui est active allostrique-ment par lactyl-CoA, le substrat du cycle de KREBS.110/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.10 Isocitrate dshydrognase (enzyme-cl)

    OC 63

    Lisocitrate dshydrognase est lenzyme qui catalyse la troisime raction du cycle deKREBS. Elle est la premire des oxydo-rductases (dshydrognases) de cette voie mtabo-lique.

    Cest une dshydrognase NAD qui oxyde lisocitrate en oxalosuccinate et rduit le NAD+en NADH plus un proton. Le potentiel doxydorduction du couple isocitrate/oxalosuccinatetant trs proche de celui du couple NAD+/NADH, la raction est presque isonergtique.

    Cette raction est suivie dune -dcarboxylation. Cest une enzyme allostrique, qui catalyse ltape dengagement des acides tricarboxyliques

    dans le cycle de KREBS. Elle est rtro-inhibe par le NADH et par lATP, produit final de la chane respiratoire, la-

    quelle le cycle de KREBS est troitement coupl. Elle est active au contraire par lADP et leCa++.2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 111/157

  • Rgulation des oxydations cellulaires9.11 Cycle de Krebs (schma gnral)

    OC 64/1

    Le cycle de KREBS est une voie mtabolique dont les intermdiaires sont eux-mmes des car-refours mtaboliques. Ainsi ce cycle est-il au centre de ce quon appelle mtabolisme inter-mdiaire. Cette position implique des dpendances troites entre ces diffrentes voies.

    Lisocitrate dshydrognase est la premire dshydrognase du cycle et cest elle qui fournit la chane respiratoire le premier coenzyme rduit qui permettra la phosphorylation delADP. Cest elle encore qui libre sous forme de bicarbonate le premier Carbone de lactateoxyd. Son substrat, lisocitrate, de mme que les substrats prcdents sont des carrefours m-taboliques par lesquels lactyl-CoA peut tre mtabolis (ctognse, lipognse) lorsque lecycle de KREBS est inhib ou ralenti. Lisocitrate dshydrognase occupe donc la positiondenzyme-cl du cycle de KREBS.

    Lisocitrate dshydrognase est contrle par le rapport NAD+/NADH qui dpend de lacti-vit de la chane respiratoire, et par un effet allostrique du rapport ATP/ADP, galementcontrl par la chane respiratoire et le mtabolisme nergtique.112/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation de la glycolyseChapitre 10

    Rgulation de la glycolyse2002 - 2003 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 113/157

  • Rgulation de la glycolyse10.1 Glycolyse anarobie (bilan)

    OC 67

    En labsence dOxygne, les substrats consomms pour la glycolyse anarobie sont : le glu-cose, lADP et le phosphate minral.

    Le glucose nest jamais limitant car il existe dans lorganisme des rserves de glycogne tou-jours suffisantes pour alimenter les dshydrognases de la glycolyse.

    A ltat normal le phosphate nest pas limitant dans la mitochondrie. Le facteur limitant est lADP, substrat des phosphoglycrate et pyruvate kinases. Lorsque le

    rapport ATP/ADP est lev, le taux dADP dans le cytoplasme est faible et la glycolyse estralentie. Au cours de leffort, le rapport ATP/ADP diminue, le taux dADP augmente et la gly-colyse redmarre.114/157 Oxydations Cellulaires - Pr A. Raisonnier 2002 - 2003

  • Rgulation de la glycolyse10.2 PhosphoFructoKinase I (enzyme-cl)

    OC 66

    La phosphofructokinase I (en abrg PFK I) est lenzyme-cl de la glycolyse. Elle catalyse la phosphorylation du fructose 6-phosphate sur la fonction alcool de son

    Carbone 1. LATP est le coenzyme donneur dnergie et de phosphate. La raction couple est exergonique et irrversible. La PFK est lenzyme la plus lente de cette voie mtabolique. Ell