II. La glycolyse 1) Schéma général 2) Les dix étapes de la glycolyse 3) Bilan de la glycolyse 4) Devenir du pyruvate

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1 II- Métabolisme énergétique I. Introduction 1- Le métabolisme énergétique dans la cellule 2- Notions de bioénergétique 3- ATP et liaisons riches en énergie 4- Réactions d oxydation cellulaire et d oxydo-réduction 5- Les Coenzymes transporteurs d électrons II. La glycolyse 1) Schéma général 2) Les dix étapes de la glycolyse 3) Bilan de la glycolyse 4) Devenir du pyruvate III. Le cycle de Krebs 1) Décarboxylation oxydative du pyruvate 2) Place du cycle de Krebs dans le métabolisme, schéma général 3) Les huit étapes du cycle de Krebs 4) Bilan et régulation IV. La chaîne respiratoire mitochondriale 1) Place de la chaîne respiratoire dans le métabolisme 2) Organisation générale 3) Les cinq complexes de la chaîne respiratoire 4) Origine des substrats 5) Inhibiteurs et régulation V. Conclusion Bilan général du métabolisme énergétique

2 III. 2) Vue d ensemble et objectifs du cycle de Krebs (cycle tricarboxylique) Membrane externe Matrice (cycle de Krebs) crête Principales caractéristiques - voie intramitochondriale (matrice) -oxydation de l acétate activé (acétyl-coa) en CO2 +H2O - couplée à la formation de coenzymes réduits (3 NADH, 1 FADH2) permettant la synthèse d ATP : couplage obligatoire avec la chaîne respiratoire : voie aérobie 39

3 2H 8 étapes: - condensation de l acétate avec un composé en C4 - deux décarboxylations - quatre oxydations - une phosphorylation de GDP 2H CO2 2H GTP CO2 2H 40

4 III. 3) les huit étapes du cycle de Krebs Etape 1 formation de citrate = CH3 - C O + S- CoA Acétyl- CoA O = C - C OO - CH2 - Oxalo acétate H2O CoA-SH Condensation catalysée par la citrate synthase = CH2 - C O O - HO - C - C OO - CH2 - citrate - réaction fortement exergonique (hydrolyse de la liaison thioester) : irréversible - enzyme régulé 41

5 Etape 2 formation d isocitrate = CH2 - C HO -C - H -C - H citrate O O - H2O = CH2 - C C - = C - O O - H Cis- aconitate H2O = CH2 - C H - C - HO -C - H isocitrate O O - Isomérisation : Aconitase : déshydratation puis rehydratation. Permet la transformation d un alcool tertiaire en alcool secondaire 42

6 Etape 3 β décarboxylation oxydative de l isocitrate CH2 NAD + NADH, H + CH2 H -C- H - C - HO - C - H C = O H + CO2 CH2 H -C-H C = O isocitrate oxalosuccinate α cétoglutarate isocitrate déshydrogénase : - deux étapes catalysées par l enzyme : déshydrogénation en oxalo succinate instable, puis β décarboxylation en α céto glutarate - réaction fortement exergonique, irréversible -enzyme régulée -formation de NADH,H + 43

7 H - C - H C = O α cétoglutarate Etape 4 αdécarboxylation oxydative de l α céto glutarate CoA-SH CH2- COO- NAD + NADH α céto glutarate déshydrogénase CH2- COO- H - C - H C = O S-CoA + CO 2 Succinyl-CoA Deuxième décarboxylation oxydative α cétoglutarate déshydrogénase - complexe multienzymatique semblable à la pyruvate déshydrogénase (E 1, E 2, E3) - 5 coenzymes : TPP, acide lipoïque FAD (liés) TPP NAD +, CoA-SH (libres) E 1 E 2 E3 - formation - d une liaison thioester riche en énergie, - d un NADH, H+ - réaction fortement exergonique, irréversible -enzyme régulé S S FAD NAD 44

8 Réaction en 5 étapes 1 : décarboxylation 4 : réduction du FAD 2 : oxydation 5 : réduction du NAD+ 3 : transfert sur le CoA-SH α céto glutarate O -OOC- CH2- CH2- C- COO- PP E1 S S E2 = E3 FAD 1 CO 2 CH2 CH2 CHOH TPP E1 S S E2 Lipoyl-lysine oxydée FAD E3 ADH + H + NAD + PP E1 5 S S E2 4 E3 TPP - OOC- CH2- CH2 FADH 2 E1 HS HS E2 TPP E3 HS C S O E1 3 FAD E2 2 E3 FAD CoA-SH CH2- CH2 C- S-CoA O succinyl- CoA 45

9 Etape 5 conversion du succinyl-coa en succinate CH 2 CH 2 C O GDP + P i GTP CoA SH S CoA Succinyl-CoA Succinyl CoA synthétase CH 2 CH 2 Succinate Phosphorylation du GDP Succinyl- CoA synthétase ou succinyl thiokinase -transformation d une liaison thioester (CoASH) en anhydride phosphorique (GTP) - réaction réversible 46

10 Etape 6 oxydation du succinate en fumarate CH 2 FAD FADH2 CH 2 succinate déshydrogénase Succinate Fumarate Oxydation par la succinate déshydrogénase - flavoprotéine, liée à la membrane interne de la mitochondrie (complexe II de la chaîne respiratoire) - formation d un FADH2 lié à l enzyme, donc formation de 2 ATP O O dans la chaîne respiratoire - O O - C C CH 2 CH HC CH 2 C CH 2 C O O - Malonate O O - Succinate -inhibition compétitive par le malonate, -analogue du substrat 47

11 Etape 7 hydratation du fumarate CH HC Fumarate H 2 O HO fumarase CH HC H L-Malate Réaction réversible, stéréo spécifique 48

12 Etape 8 oxydation du malate NAD+ NADH, H+ Malate déshydrogénase HO C H CH 2 COO- L Malate O = C CH 2 COO- Oxalo acétate Oxydation par la L- malate déshydrogénase - formation d un NADH, H+, donc de 3 ATP dans la chaîne respiratoire - réaction très endergonique, mais possible car couplée à la citrate synthase très exergonique : la concentration en oxalo acétate est très faible 49

13 Bilan de la dégradation d un acétyl-coa en CO 2 + H 2 O Dans le cycle de Krebs couplé à la chaîne respiratoire cétyl- CoA + 3 NAD + 1 FAD + 1 GDP + 1 Pi 3 H 2 O 2 CO 2 + CoASH + 3 NADH, H + + 1FADH 2 + 1GTP + 1H 2 0 Substrat Isocitrate α cétoglutarate Succinyl CoA Succinate Fumarate Malate Oxalo acétate Coenzyme NADH, H+ NADH, H+ ~S CoA GTP ATP FADH2 NADH, H+

14 Régulation du cycle de Krebs La vitesse d oxydation de l acétyl CoA dans le cycle de Krebs dépend : - de la concentration en acétyl- CoA ( glycolyse et β oxydation des acides gras). - de l accumulation des produits énergétiques : NADH (fonctionnement de la chaine respiratoire) et ATP ( niveau énergétique de la cellule) - de l accumulation de produits intermédiaires du cycle 51

15 Les trois enzymes régulés sont ceux qui catalysent une réaction irréversible : X inhibition stimulation 1) la citrate synthétase 2) l isocitrate déshydrogénase Oxaloacétate Malate FADH 2 Acétyl-CoA citrate, NADH, ATP succinyl- CoA X acétyl CoA, ADP 1 Citrate Citrate synthase Isocitrate X NADH, ATP 2 Isocitrate ADP déshydrogénase NADH α-cétoglutarate α-cétoglutarate NADH, X déshydrogénase succinyl- CoA 3 Succinyl-CoA GTP ATP La régulation du cycle de krebs est coordonnée avec la glycolyse : leur régulation se fait en parallèle par les memes produits énergétiques 3) l α céto glutarate déshydrogénase 52

16 Conclusions La complexité du cycle de Krebs s explique par : - la conservation efficace de l énergie - le cycle de Krebs sert d intermédiaire entre catabolisme et anabolisme - certains intermédiaires en C4 et C5 servent à la synthèse d autres composés (acides aminés, nucléotides, hème) - certains intermédiaires sont des produits de dégradation d autres composés que le glucose et les acides gras : acides aminés Glucose Acides gras Aspartate acides aminés pyrimidines stérols Glutamate acides aminés purines hème 53

17 IV. 1. Place de la chaîne respiratoire mitochondriale dans le métabolisme L énergie potentielle des nutriments est transformée en énergie chimique (ATP) utilisable par la cellule. Exemple du glucose : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O G o = kj/mol Stade 1 : Acides gras Glucose Production d acétyl CoA Acides aminés ADH, H+ FADH2 e - e - Chaîne respiratoire ADP + Pi e - e - Acétyl- CoA ATP Pyruvate Glycolyse Complexe dehydrogenase pyruvate CO2 Stade 2 : oxydation de l acétyl CoA Oxaloacetate Citrate e - Cycle de Krebs e - e - NADH, H+ FADH2 CO 2 e - CO 2 Stade 3 : L oxydation du glucose (et des acides gras) s accompagne d un transfert d électrons et d H+ vers des coenzymes, transporteurs d électrons qui sont : - soit des nucléotides à nicotinamide (NAD +, NADH + H+ ) - soit des nucléotides flaviniques (FAD, FADH2) transfert d électrons et phosphorylation oxydative 2H + + 1/2 O 2 oxydation et phosphorylation H 2 O sont couplés par un gradient de protons 54

18 IV. 2. Organisation générale de la chaîne respiratoire Membrane externe mitochondrie Matrice (cycle de Krebs) crête Membrane interne Espace intermembranaire matrice Complexe V Formée d une série de transporteurs d électrons organisés en cinq complexes membranaires ordonnés séquentiellement et reliés par deux transporteurs d e - mobiles (Coenzyme Q et cytochrome c) et d une ATP synthase (complexe V) 55

19 Complexe I ou NADH- Coenzyme Q réductase Espace intermembranaire 4H + UQH2 III UQ 2H+ 2 H + matrice NADH+ H + NAD + NADH, H + UQH2 NAD + UQ - réoxyde le NADH en NAD + - transfère 2e- + 2H+ vers l ubiquinone (Coenzyme Q) très diffusible dans la membrane, qui va migrer vers le complexe III - Pompe à protons 56

20 Complexe II ou succinate- Coenzyme Q réductase UQH 2 III FAD FADH 2 UQ Succinate Fumarate Cycle de Krebs 2 H + Matrice - Réoxyde le FADH2 ou le succinate - transfert de 2H+ + 2e- vers le Coenzyme Q (ubiquinone) - pas de pompage de protons ( trop peu de changement d énergie libre) 57

21 - autres sources de FADH2 :glycérol P déshydrogénase - (navette) et acyl CoA déshydrogénase (β oxydation). Glycerol 3 phosphate Glycéro phosphate déshydrogénase Dihydroxyacétone phosphate II FAD FAD UQ Succinate déshydrogénase Matrice mitochondriale succinate FAD Acyl CoA Acyl CoA déshydrogénase 58

22 Complexe III ou cytochrome c réductase I 4H + Cyt c IV QH2 Q II 2H + - transfert séquentiel complexe de 2 e - d 1 QH 2 (divalent) vers 2 cytochromes (monovalents) UQH2 UQ 2 cyt c Fe 2+ 2 cyt c Fe 3+ Pompe à protons 59

23 Complexe IV cytochrome c oxydase 4H + 2 Cyt c (Fe 2+ ) Cyt c 2 Cyt c (Fe 2+ ) 2 Cyt a, (Fe3+) Espace intermembranaire III 2 Cyt a, (Fe2+) matrice cytochromes a 2e- 2e- H 2 O ½ O H+ 2 cyt c Fe 2+ 2 cyt c Fe 3+ 2 cyt a Fe 2+ 2 cyt a Fe 3+ H 2 O 1/2 O H + - pompe à protons 60

24 Complexe V ATP synthase et force protomotrice Problème du couplage entre l oxydation du NADH et la phosphorylation de l ADP : NADH + H+ 1/2 O 2 H 2 O + NAD + ( G =- 220 KJ/ mol) ADP + Pi + H+ ATP + H 2 O ( G = 30.5 KJ/ mol) Théorie chimio osmotique de Mitchell ( 1961) : - nécessité de l intégrité de la membrane - existence d un gradient de protons - existence d une ATP synthase H+ 61

25 Structure de l ATP Synthase Sous unité Fo : transmembranaire, Inhibée par l oligomycine types de chaînes transmembranaires ifférentes = 1a, 2b, 12c anal à protons ADP + Pi H + b a matrice c δ α β α ATP Sous unité F1 : 3 sites catalytiques (fixes) δ ADP + Pi Espace intermembranaire ATP γ ε tige centrale (mobiles) H + matrice appartient à la famille des ATPases Espace Inter membranaire H + H+ H + Les sous unités c tournent dans le sens inverse des aiguilles d une montre sous l effet des protons qui entrent dans la matrice. Cette rotation entraîne la tige centrale de la sous unité F1 vis à vis des différents sites catalytiques, ce qui engendre leur transconformation concertée, et leur permet de synthétiser, puis de libérer l ATP 62 H + H + H + H+ H +

26 Bilan énergétique de la chaîne respiratoire NADH + H+ 1/2 O 2 H2O + NAD+ G =- 220 KJ/ mol ADP + Pi + H+ ATP + H 2 O G = 30.5 KJ/ mol Relation entre Potentiel standard rédox et Energie libre : G =- nf E Constante de Faraday (96.5 kj/volt /mole) E (V) G ( KJ/ mol) 0,37V Flux d électrons 0,23V 0,59V Production d ATP possible lorsque E est > 0.18v (donc G > 30.5 KJ/ mol ) Rendement théorique : 3 ATP par paire d e - du NADH 2 ATP par paire d e - du FADH2 La synthèse d ATP est proportionnelle au gradient de protons 63

27 4) Origine des substrats de la chaîne respiratoire mitochondriale - ADP : les nucléotides ne diffusent pas à travers la membrane mitochondriale interne. L ADP utilisé par l ATP synthase provient du cytosol. ATP translocase (antiport): Échange d un ADP avec un ATP 1 2 ADP cyt 3- ADP mit 3- ATP cyt 4- ATP mit 4- Inhibée par l atractyloside Membrane interne - Pi: phosphate translocase ( symport) H 2 PO - 4 H 2 PO 4 H + H + - Membrane interne Utilisation du gradient de protons 64

28 Transport des hydrogènes cytosoliques vers la matrice mitochondriale Navette glycérophosphate (muscle, cerveau) NADH, H+ FADH2 NADH, H+ Navette malate aspartate (foie, rein, cœur) NADH, H+ cytosol matrice 65

29 5) Inhibiteurs de la chaîne respiratoire ATP translocase oténone amytal Antimycine A CN-, CO oligomycine atractyloside Effets des poisons de la chaine respiratoire : -soit inhibition de la chaîne respiratoire : diminution de la consommation d O2 par les mitochondries, inhibition du cycle de krebs soit découplage du transport d e- et de la hosphorylation : ccélération de la chaîne respiratoire et du cycle de Krebs, ugmentation de la consommation d O2 ar les mitochondries. as de synthèse d ATP x : Dinitrophénol (DNP), arséniate 66

30 Régulation de la chaîne respiratoire Disponibilité de l ADP [ADP] + [ATP] = cte ; à l état basal, ATP>>ADP si [ADP] augmente, la vitesse de la chaine respiratoire augmente très rapidement et de façon très intense 67

31 Bilan énergétique de la dégradation du glucose en CO2 + H2O (en utilisant la navette malate/ aspartate) Réaction ATP ou Coenzymes réduits formés Glucose Glucose 6P -1 ATP Fructose 6P Fructose 1,6 bis P -1ATP 2 glycéraldéhyde 3P 2 1,3 bis phosphoglycérate 2 NADH 2 1,3 bis phosphoglycérate 2 3 P glycérate + 2 ATP Nombre d ATP formés P énol pyruvate 2 pyruvate + 2 ATP pyruvate 2 acétyl CoA 2 NADH 6 2 isocitrate 2 α cétoglutarate 2 NADH 2 α cétoglutarate 2 succinyl CoA 2 NADH 2 succinyl CoA 2 succinate 2 ATP (= 2GTP) 2 succinate 2 fumarate 2 FADH2 2 malate 2 oxalo acétate 2 NADH Total 38 En aérobiose, formation de 38 ATP /mole de glucose = 1155 kj /mol L oxydation du glucose en CO2 + H2O fournit G = kj/mol En anaérobiose, formation de 2 ATP ( -2, +4 = 2) donc dégradation beaucoup plus rapide du glucose