CHAPITRE 1 : BIOENERGETIQUE : DIA1

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1 CHAPITRE 1 : BIOENERGETIQUE : DIA1 : Le métabolisme cellulaire est constitué d un ensemble de réactions (bio)chimiques qui permettent à la cellule de survivre, de se différencier, de se diviser et d assurer ses fonctions physiologiques. Ce métabolisme cellulaire «se nourrit» notamment de molécules exogènes «simples» qui proviennent de l ingestion et de la digestion d aliments par l organisme multicellulaire. Les molécules exogènes simples qui dérivent du processus de digestion sont ensuite absorbées dans la circulation sanguine et transportées vers les cellules. Ces molécules exogènes simples sont, par exemple, des glucides (glucose provenant de polysaccharides alimentaires), des lipides simples (acides gras et glycerol provenant de lipides complexes alimentaires), des acides aminés (provenant de protéines alimentaires) et des nucléotides (provenant d acides nucléiques : ADN et ARN des cellules ingérées). DIA2 : Une fois à l intérieur de la cellule, ces molécules exogènes simples sont engagées dans des voies métaboliques et elles subissent des transformations biochimiques. L ensemble des voies métaboliques constituent le métabolisme cellulaire. Ces voies métaboliques sont représentées en couleurs différentes sur la figure de gauche. Il est important de constater que les voies métaboliques interagissent ou «communiquent» entre-elles : des points de contact ou de transit existent entre les différentes voies. Chaque voie métabolique est constituée de plusieurs réactions biochimiques successives. Dans chaque voie métabolique, au cours de chaque réaction biochimique, la molécule produite s appelle un métabolite. Ces voies métaboliques peuvent être comparées au plan de métro/rer d une grande ville comme Paris : il existe de nombreuses lignes de métro/voies métaboliques qui sillonnent la ville et la possibilité existe pour les passagers/métabolites de changer de ligne à certaines stations/points de contact ou de transit. Les voies métaboliques peuvent être linéaires ou circulaires (figure de droite). Dans le premier cas, la voie métabolique transforme un substrat ou réactif X en un produit Y en plusieurs réactions biochimiques. Dans le second cas, le substrat Y subit de nombreuses transformations biochimiques pour revenir après un cycle à ce même substrat Y ; on parle alors de cycle métabolique. Un des cycles les plus connus est le cycle de Krebs. DIA3 : On distingue deux grandes classes de voies métaboliques dans la cellule : les voies cataboliques, où les molécules simples subissent des transformations chimiques qui conduisent à des produits finaux très pauvres en énergie (CO2, H2O, NH3, ) et à la production d énergie dans la cellule, et les voies anaboliques qui permettent la synthèse de molécules endogènes complexes (protéines, acides nucléiques, lipides complexes, glycogène) mais qui nécessitent une consommation d énergie. De manière très simplifiée, les molécules simples qui rentrent dans les voies métaboliques cellulaires participent donc à la synthèse de molécules endogènes complexes (c'est-à-dire qu elles servent de matériaux de construction) ET à la production d énergie dans la cellule, énergie nécessaire notamment pour cette synthèse. 1

2 N oublions pas que les molécules endogènes complexes subissent aussi des transformations chimiques dans la cellule et rentrent donc aussi dans des voies cataboliques (ex : le glycogène, un polymère de glucose qui sert de stock cellulaire, est dégradé en glucose lors du jeûne ; les protéines endogènes ont un temps de demi-vie limité et sont donc catabolisées à plus ou moins long terme). DIA4 : Cette figure résume l antagonisme des voies métaboliques cataboliques et anaboliques, productrices et consommatrices d énergie. Cette énergie chimique est constituée des molécules d ATP, de NADPH, NADH et FADH2 sur lesquelles nous reviendrons dans la suite du cours. DIA5 : Les voies métaboliques sont localisées dans des compartiments cellulaires spécifiques. Par exemple : - noyau : synthèse d acides nucléiques (ADN, ARNm) - mitochondrie : cycle de Krebs, phosphorylation oxydative, oxydation des acides gras, quelques réaction de la gluconéogénèse - cytosol : glycolyse, synthèse des acides gras, quelques réactions de la gluconéogénèse - ribosome : synthèse de protéines - granules de glycogène : synthèse du glycogène - réticulum endoplasmique : synthèse de lipides et de stéroïdes Toutes les voies métaboliques ne sont pas actives dans tous les types cellulaires. Par exemple, la néoglucogenèse se déroule exclusivement dans le foie, le rein et l intestin grêle. Les conditions physiologiques d activation ou d inactivation de l une ou l autre voie métabolique sont par exemple : le jeûne><la prise de nourriture ; l exercice physique><le repos, DIA6 : Il est important ici de relire attentivement le chapitre 7 du cours de BA2 sur les réactions enzymatiques donné par le Prof. F. Bureau pour comprendre la suite Il existe donc des voies cataboliques qui fournissent de l énergie à la cellule et des voies anaboliques qui consomment cette énergie. L unité de base des voies métaboliques étant la réaction biochimique, il est important d identifier au sein de ces voies, les réactions biochimiques qui conduisent à une production d énergie, de travail ou de chaleur (les réactions exergoniques, qui libèrent des Joules, unité d énergie) et celles qui en consomment (les réactions endergoniques, qui consomment des Joules). Les premières, celles qui libèrent de l énergie, se déroulent spontanément, alors que les secondes ne sont pas spontanées: elles ne se déroulent que si la cellule fournit de l énergie ou du travail. Le physicien américain Josiah Willard GIBBS a introduit une nouvelle fonction d état, l énergie libre de Gibbs de x, ou Gx (unité : Joule/mole), qui mesure l énergie, le travail, la chaleur que pourrait libérer une mole de x. Gx dépend donc de la nature de la molécule X ( càd de la qualité et de la quantité des liaisons chimiques qui unissent les différents atomes qui composent la molécule X). 2

3 DIA7 : Cette nouvelle mesure, l énergie libre G, va nous permettre de définir si une réaction biochimique est exergonique ou endergonique, c'est-à-dire si elle est spontanée ou pas. Soit une réaction biochimique S P A S et à P sont associées une énergie libre Gs et Gp qui les caractérise. Si la réaction biochimique implique plusieurs S et plusieurs P, comme par exemple S1 + S2 P1 + P2 alors, nous devrons considérer l énergie libre totale Gs = Gs1 + Gs2 à gauche de la flèche et l énergie totale Gp = Gp1 + Gp2 à droite de la flèche. Gs et Gp représentent donc la somme des énergies libres de chaque molécule à gauche et à droite de la flèche. Rapportons les énergies libres Gs et Gp sur un diagramme avec en abscisse R, la progression de la Réaction biochimique, et en ordonnée G, l énergie libre. Dans un premier temps, concentrons nous d abord sur le début et la fin de la réaction biochimique, en négligeant la partie centrale. Gp Gs, ou G (en Joule/mole), la variation de G entre la fin et le début de la réaction, nous permet de prédire si la réaction sera exergonique, libèrera de l énergie et sera donc spontanée, ou si elle sera endergonique et nécessitera un apport d énergie provenant de la cellule pour se produire. Si G = 0, le système est à l équilibre et il n y a ni fourniture ni apport d énergie et la réaction est réversible. DIA8 : La formule de Gibbs nous permet de calculer G à partir de G et des concentrations de réactifs S et P en début de réaction (i = initial). G est défini comme la variation d énergie libre dans des conditions standards ( ) ET biochimiques ( ), c est à dire la variation d énergie libre qui surviendrait dans des conditions standards biochimiques bien définies, à savoir une pression de 1 atm ( ), une température de 25 C ( ), un ph constant de 7( ), une concentration en H2O et en Mg constantes ( ) et une concentration initiale de 1 mole/litre (1M) pour chaque réactif ( ). Dans ces conditions standards adaptées à la réalité biochimique de la cellule, il n y a pas de variation du ph ( ) qui reste à ~7, et donc [H+] est et reste de 10-7 M au cours de la réaction biochimique. De même, les concentrations en H2O ( ) (55,5 M) et Mg ( ) (1mM) ne changent pas au cours de la réaction biochimique dans la cellule. Donc, par convention, dans les réactions biochimiques ( ), si H+, Mg ou H20 sont des réactifs, on leur attribue la valeur de 1 comme concentrations molaires. Pour tous les autres réactifs, les conditions standards biochimiques sont de 1mole/l (1M)( ). Donc, le G de la réaction S P dépend de la nature des réactifs mis en présence ( G, premier terme de la somme) et de leurs concentrations initiales réelles (en début de réaction (t=0), second terme de la somme). DIA9 : Comment calculer G? On sait que lorsque la réaction est à l équilibre, G = 0. Le reste est simple Il y a donc une relation directe et simple entre la constante d équilibre biochimique, K eq, et G ; donc la seule connaissance de la valeur de la constante d équilibre biochimique K eq permet de prédire si la réaction biochimique est exergonique ou 3

4 endergonique dans les conditions standards de [S] = [P] = 1M, et donc la spontanéité de la réaction, c'est-à-dire son sens : de S vers P ou de P vers S. DIA10 : Tableau de la relation entre K eq et G. Ce sont deux constantes qui caractérisent les réactifs. Elles ne dépendent que de la nature des réactifs. DIA11 : G est une mesure de la distance énergétique qui sépare le système qui se trouve dans les conditions initiales «i» du même système lorsqu il est dans la position d équilibre. Donc, au fil du temps, lorsque la réaction biochimique progresse, les concentrations initiales «i» de S et P vont changer jusqu à atteindre les concentrations «eq» de l équilibre chimique. A ce moment là, G = 0 et le système ne fournit plus d énergie ni n en demande. DIA12 : C est G qui au final, dans les conditions cellulaires réelles, détermine le type de réaction biochimique, sa spontanéité et donc son sens. En effet, dans la situation réelle de la cellule, les concentrations des réactifs ne sont pas égales à 1M (ou très rarement ), et donc il faut aussi tenir compte du deuxième terme de la somme qui contient les concentrations réelles des réactifs au début de la réaction biochimique. Donc, pour une réaction biochimique particulière, on pourrait avoir un G >0 qui prédit une réaction endergonique dans les conditions standards biochimiques. En réalité, les concentrations réelles des réactifs dans la cellule sont telles que finalement G<0 et la réaction est exergonique et spontanée! Pour cela, il suffit que 2,303RTlog 10 [P]/[S] soit négatif et d une valeur absolue supérieure à G. DIA13 et 14: Dans la cellule, de nombreuses réactions biochimiques sont couplées. Lors du couplage de réactions biochimiques, les G de chaque réaction s additionnent pour donner le G total des deux réactions couplées. Si la première est faiblement endergonique et la suivante fortement exergonique, le couplage donnera une réaction totale exergonique. Dans la cellule, les réactions biochimiques endergoniques sont souvent couplées à l hydrolyse de l ATP en ADP + Pi. Cette réaction d hydrolyse de l ATP est fortement exergonique et libère une quantité d énergie importante qui est nécessaire pour que la réaction endergonique couplée se produise. Il est donc extrêmement important pour la cellule de produire des quantités suffisantes d ATP A l inverse, la réaction de production d ATP à partir d ADP (= réaction fortement endergonique) est couplée à des réactions fortement exergonique (ex : pyruvate kinase (PEP en pyruvate), phosphoglycerate kinase (1,3 bisphosphoglycerate en 3 phosphoglycerate) et créatine kinase (créatine phosphate en créatine)). Les réactions 6 et 7 de la glycolyse sont aussi un exemple de couplage réactionnel. DIA15 : Si on examine maintenant la courbe représentant la valeur de l énergie libre G tout au long de la réaction biochimique, on constate qu entre le début et la fin de la réaction, G présente un pic de valeur très élevé : c est l énergie qui est obligatoirement requise pour que la réaction progresse de S en P ; elle s appelle l énergie d activation S-P, ou G*. Cette énergie doit être absorbée par le(s) réactif(s) 4

5 S pour atteindre un état de transition très instable. Cet état de transition ne correspond à aucun «intermédiaire réactionnel», il correspond à un état où les angles et longueurs des liaisons chimiques du substrat sont distordus. Cette énergie est puisée sous forme de chaleur dans l environnement dans lequel la réaction a lieu. La présence d un enzyme dans le milieu réactionnel a pour conséquence de fortement diminuer l énergie d activation G*, ce qui augmente fortement la vitesse de la réaction de S vers P. Par contre, l enzyme n a aucune influence sur G et ne modifie donc pas le sens de la réaction! L enzyme agit en se liant à cet état de transition, ce qui est fortement exergonique et diminue d autant l énergie d activation. Cette énergie d activation est une barrière énergétique essentielle, puis qu elle prévient la dégradation spontanée des macromolécules cellulaires riches en énergie, comme les protéines, les polysaccharides, les acides nucléiques et les acides gras. DIA16 : Les enzymes augmentent fortement la vitesse de réaction : quelques exemples Autre exemple : Saccharose (ou sucrose) + H20 fructose + glucose G = -29,3 kj/mole Malgré un G très négatif qui signe une réaction très exergonique et donc très spontanée, sans enzyme, on ne trouvera pas de fructose ni de glucose si on met du saccharose dans un verre d eau. Par contre, en présence d enzyme saccharase, ~1000 réactions sont catalysées par seconde. Dans ce cas-ci, sans enzyme, la vitesse de la réaction est nulle, car l énergie d activation G* est très élevée. DIA17 : Les voies métaboliques sont finement régulées, afin de permettre la survie, la différenciation et assurer les fonctions de la cellule. Les métabolites doivent circuler dans ces voies dans la bonne direction et à la bonne vitesse. Comme chaque substrat est en fait le produit de la réaction biochimique précédente, si les conditions métaboliques ne changent pas, la vitesse v1 de la réaction précédente est égale à la vitesse v2 de la suivante, et la concentration de S reste constante au cours du temps. Si v1 augmente car plus de réactif A pénètre dans la voie métabolique de manière transitoire, v2 augmentera aussi, et donc la concentration de S restera constante. Il y a homéostasie au niveau moléculaire. Les voies métaboliques doivent aussi pouvoir s adapter aux changements physiologiques plus ou moins prolongés ou transitoires (jeûne ou prise de nourriture ; repos ou exercice physique, variation de la composition alimentaire (riche en protéines (viande), riche en glucides (sucreries), ). Elles doivent parfois s adapter à des changements drastiques et définitifs, comme la différenciation d un type cellulaire en un autre (cellules souches de la moëlle osseuse en globules rouges, par ex). La régulation du flux de métabolites dans une voie métabolique se fait au niveau de certains enzymes de cette voie. Deux grands mécanismes de régulation des enzymes co-existent : - ceux qui contrôlent le nombre d enzymes, càd leur expression dans la cellule, - ceux qui contrôlent l activité catalytique de l enzyme. 1. présence ou pas de signaux extracellulaires, comme les hormones (insuline), les neurotransmetteurs (acétylcholine), les cytokines,... ; activation ou pas de facteurs de transcription, contrôle de la transcription par les facteurs de transcription, de la 5

6 stabilité de l ARNm codant pour l enzyme, de la vitesse de traduction de cet ARNm, de la demi-vie de l enzyme. 2. Séquestration de l enzyme et de son substrat dans des compartiments différents (ex : hexokinase intracellulaire et glucose extracellulaire), concentration du substrat (cf chapitre 7 du cours de BA2 sur les enzymes, Prof. F. Bureau), présence d un effecteur allostérique (positif ou négatif) qui agit sur une enzyme allostérique, la modification covalente de l enzyme (phosphorylation/déphosphorylation), la présence et la liaison à des protéines régulatrices. DIA18 : La molécule d ATP est la principale «monnaie énergétique» de la cellule : c est le jerrican d essence, la bonbonne de gaz ou la pile électrique de la cellule. Elle est produite au cours du catabolisme (Pi + ADP ATP + H2O). La réaction inverse, ATP + H2O ADP + Pi, libère l énergie nécessaire pour effectuer des «travaux cellulaires» au cours des réactions anaboliques, comme la synthèse de macromolécules, le transport actif contre un gradient chimique, la contraction musculaire, DIA19 : Pourquoi l hydrolyse de l ATP en ADP libère-t-il tant d énergie, de travail? ( G = -30,5 kj/mole). 1. l hydrolyse de la liaison phosphoanhydride entraîne la formation d ADP 2- à partir d ATP 4-, ce qui diminue fortement les forces de répulsion électrostatiques dans l ADP par rapport à l ATP, et, de ce fait, l ADP est donc une molécule plus stable que l ATP (càd avec une énergie libre G ADP inférieure à celle de l ATP (G ATP )). 2. De même, le phosphate inorganique Pi est stabilisé sous forme d un hybride de résonance, plus stable que le phosphate présent dans l ATP. 3. Enfin, l ADP 2- est rapidement ionisé en ADP 3- + H +, enrichissant le milieu réactionnel qui est très pauvre en H + (ph7, [H + ]=10-7 M). Comme les produits de la réaction d hydrolyse de l ATP sont très stables, ils sont aussi très pauvres en énergie ; cette énergie a donc été libérée dans le milieu réactionnel. DIA20 : Les concentrations d ATP, d ADP et de Pi varient en fonction du type cellulaire, et donc le G de la réaction d hydrolyse de l ATP variera aussi en fonction du type cellulaire! Par exemple, dans le globule rouge, le G = -52,5 kj/mole. DIA21 : Dans la cellule, l ATP 4- et l ADP 3- établissent des liaisons électrostatiques avec le Mg 2+ : MgATP 2- et MgADP -. DIA22 : Nécessité du maintien d une concentration d ATP élevée dans la cellule : Si la concentration d ATP cellulaire n est pas maintenue élevée, c'est-à-dire si sa concentrations chute dans la cellule (ex : sa production n est plus assurée), la réaction ATP + H2O ADP + Pi arrivera tôt ou tard à l équilibre. Or, à l équilibre de toute réaction biochimique, G = 0. Cette réaction ne libère donc plus d énergie ou de travail La cellule a développé des mécanismes élaborés, puissants et très efficaces pour maintenir la concentration d ATP élevée dans la cellule en assurant sa production constante. 6

7 DIA23 : Par exemple, lors d un exercice physique, dans un premier temps, la concentration d ATP chute et celle d ADP augmente dans le cytoplasme de la fibre musculaire (la contraction musculaire nécessite de l énergie apportée par l hydrolyse de l ATP ). Des mécanismes cytoplasmiques catalysés par l adenylate kinase ou la créatine kinase vont assurer dans ces conditions une production cytoplasmique d ATP à partir d ADP, rétablissant ainsi des concentrations physiologiques de ces deux réactifs. Si l effort se prolonge, une production mitochondriale d ATP se met en place. Après l effort, l ATP généré dans la mitochondrie par phosphorylation oxydative (voir chapitres suivants) va permettre de rétablir le stock de créatine phosphate cytoplasmique dans le muscle avant le prochain effort. DIA24 : D autres molécules que l ATP sont capables de libérer de grandes quantités d énergie ou de travail lors de leur hydrolyse. Cependant, tous ces autres composés sont cinétiquement stables : leur énergie d activation est extrêmement élevée et la vitesse de la réaction est donc très faible en l absence d enzyme. Par rapport aux autres composés, l énergie d activation de l ATP est relativement basse. 7

8 CHAPITRE 2 : LA GLYCOLYSE DIA1 : Il est important ici de relire attentivement le chapitre 8 du cours de BA2 du Prof. F. Bureau sur les Glucides. Le glucose occupe une position centrale dans le métabolisme de nombreux organismes. Ceci est, entre autres, la conséquence de la capacité de la cellule à utiliser le glucose comme source d énergie (l énergie libre standard G associée à l oxydation complète du glucose en CO2 et H2O est de -2,84 kj/mole), à pouvoir le stocker sous forme de polymères (glycogène (cellule animale) ou amidon (cellule végétale)), à l utiliser pour la synthèse des nucléotides (via la synthèse de ribose 5- phosphate et la voie des pentoses phosphates) et des polysaccharides qui serviront dans l élaboration de la matrice extracellulaire et de la paroi cellulaire des bactéries. DIA2 : L équation générale de la glycolyse est présentée. Le processus global est exergonique. La glycolyse est un processus irréversible. Cette équation peut être dissociée en deux équations dont l une est exergonique et l autre endergonique. C est une voie métabolique universelle qui se déroule dans le cytoplasme des cellules. Cette voie constitue la seule source d énergie pour certaines cellules, dont les globules rouges, les cellules de la médullaire rénale et du cerveau (les neurones) ainsi que les spermatozoïdes. Le pyruvate généré lors de ce processus peut être métabolisé en - lactate en condition anaérobie (fermentation lactique ; contraction musculaire intense) ou même aérobie (globules rouges et cellules de la rétine) ; - éthanol (fermentation alcoolique) en condition d hypoxie ou anaérobie (la levure de bière) - propionate (fermentation propionique) en condition anaérobie (bactéries du rumen) - acétate (fermentation acétique) en condition anaérobie (bactéries du rumen) - Acétyl Coenzyme A en condition aérobie. Les Acétyl Coenzyme A générés entrent ensuite dans le cycle de Krebs et ce processus permet par la suite la production d ATP dans la mitochondrie. DIA3 et 4: Le processus de glycolyse est divisé en 2 phases distinctes : la phase préparatoire, au cours de laquelle 2ATP sont consommés, et la phase de rendement (ou de bénéfice), au cours de laquelle 4ATP et 2NADH sont produits (bilan : 2ATP et 2NADH produits). Il se compose de 10 réactions biochimiques qui vont être détaillées. DIA5 : Lors de la première étape de la glycolyse, le D-glucose est phosphorylé par une hexokinase en présence d ATP et de Mg ++. Le troisième et dernier phosphate de l ATP est transféré sur le C6 du D-glucose. Une kinase est une enzyme qui catalyse le transfert du troisième phosphate de l ATP sur une molécule acceptrice. Il existe chez l homme 4 hexokinases (kinase d hexoses) : I, II, II et IV ; la IV est aussi appelée glucokinase hépatique. DIA6 : Cette deuxième étape est réversible, vu la faible différence d énergie libre ( G =1,7kJ/mole) 8

9 DIA7 : La troisième étape de la glycolyse est catalysée par la phosphofructokinase de type 1. L activité catalytique de cette enzyme (une «enzyme allostérique») subit une régulation allostérique complexe par l ATP, l ADP, l AMP et, de manière indirecte, par le ribulose 5-phophate (les «effecteurs allostériques»). DIA8 : Cette étape est réversible car aux concentrations physiologiques de réactifs dans le cytoplasme de la cellule, le G n est que légèrement positif. Dans le sens de la formation du fructose 1,6-bisphosphate, c est une étape clé de la synthèse de glucose à partir de dérivés à 3 carbones dans le foie et le cortex rénal (la gluconéogénèse) DIA9 : La dernière étape de la phase préparatoire est l isomérisation réversible du dihydroxyacétonephosphate en glycéraldéhyde 3-phosphate. DIA10 : La première étape de la phase de rendement est l oxydation et la phosphorylation du glycéraldéhyde 3-phosphate en 1-3 bisphosphoglycerate. Cette étape est particulièrement complexe et nécessite du NAD + (ou Coenzyme I), la forme oxydée du Nicotinamide Adénine Dinucléotide. La concentration de NAD + dans le cytoplasme de la cellule étant particulièrement faible (<10-5 M), il est impérieux pour que la glycolyse soit entretenue que le NADH produit au cours de cette réaction soit continuellement réoxydé en NAD +. DIA11 : Le site catalytique de l enzyme glycéraldéhyde 3-phosphate déhydrogénase contient une cystéine qui, en présence de NAD +, est à l état de thiolate (S - ) beaucoup plus réactif que le SH. Un lien covalent thiohemiacétal se forme entre le substrat et le site catalytique de l enzyme. L intermédiaire est ensuite oxydé par le NAD + qui forme du NADH qui quitte le site catalytique de l enzyme et est remplacé par le NAD + suivant. Le lien covalent thioester qui unit l enzyme à l intermédiaire réactionnel est ensuite attaqué par un phosphate inorganique et génère le produit final ainsi que l enzyme sous sa forme initiale. Nous allons revenir ultérieurement sur le NAD +, ce coenzyme d oxydo-réduction. DIA12 : L enzyme phosphoglycerate kinase transfère le phosphate du 1,3- bisphosphoglycerate à l ADP, générant le 3-phosphoglycerate et une molécule d ATP. Le nom de l enzyme correspond en fait à la réaction inverse où le 3- phosphoglycerate est phosphorylé en 1,3-bisphosphoglycerate en présence d ATP. Cette réaction inverse se produit au cours de la gluconéogénèse. DIA13 La phosphoglycerate mutase convertit le 3-phosphoglycerate en 2-phosphoglycerate en présence de Mg ++. DIA14: 9

10 L énolase catalyse la formation d une molécule d H20 et de PEP (phosphoenolpyruvate). DIA15 : La dernière étape de la glycolyse consiste en un transfert du groupement phosphate du PEP sur l ADP, générant de l ATP et de l enol pyruvate. Cette réaction est catalysée par la pyruvate kinase. Le produit de la réaction, l enol pyruvate passe rapidement et spontanément (en l absence de toute enzyme = tautomérisation) à l autre isomère du pyruvate, le céto pyruvate, une forme plus stable de pyruvate. Cette stabilisation du pyruvate sous sa forme céto contribue fortement au G très négatif de la réaction : PEP + H20 pyruvate + Pi G = -61,9kJ/mole ADP + Pi ATP + H2O G = +30,5kJ/mole PEP + ADP pyruvate + ATP G = -31,4kJ/mole DIA16 : L équation générale (càd le bilan) de la glycolyse avant et après simplification. DIA17 : Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide est composé de deux nucléotides liés par leurs groupes phosphates. Un des nucléotides contient, en plus du ribose et du phosphate, une adénine ancrée au C1 du ribose, l autre contient un nicotinamide. Ce dinucléotide est hydrosoluble. La partie nicotinamide du dinucléotide dérive d une vitamine hydrosoluble, la niacine (ou vitamine PP ou vitamine B3 ou acide nicotinique) Le couple NAD + /NADH (ou Coenzyme I) est un coenzyme impliqué dans le transfert d électrons au cours de réactions d oxydation (= de déshydrogénation) catalysées par des déhydrogénases (cf Gly-6): NAD + + 2e- + 2H + NADH + H + La forme oxydée NAD + est donc un accepteur de 2 électrons et d un proton (formant ensembles un «ion hydrure») d un substrat S qui subit une oxydation (ou déshydrogénation) sous l action d une déhydrogénase La forme réduite NADH est un donneur d ion hydrure. Le second proton retiré du substrat S en cours d oxydation est libéré dans le milieu réactionnel. La concentration de NAD + /NADH dans la cellule est très faible (10-5 M), et le coenzyme est préférentiellement sous sa forme oxydée NAD +. Il est essentiel que le NAD + soit régénéré à partir du NADH vu sa faible concentration cellulaire et son importance dans la glycolyse qui ne peut s arrêter par manque de NAD +. L homologue phosphorylé NADP + /NADPH est un coenzyme impliqué dans le transfert d électrons au cours des réactions de réduction : NADPH + H + NADP + + 2e- + 2H + C est donc un donneur d ion hydrure au substrat S en cours de réduction. Sa concentration cellulaire est de 10-6 M. DIA18 : Image du site catalytique de l enzyme lactate déhydrogénase (LDH) : on y voit le coenzyme NAD +. Ce coenzyme n est pas lié de manière covalente à l enzyme. 10

11 DIA19 : Le nicotinamide dérive d une vitamine, la niacine (ou vitamine PP (pour Pellagre Preventive («qui prévient le pellagre») ou acide nicotinique, car sa synthèse en laboratoire se fait à partir de la nicotine). La synthèse de cette vitamine in vivo à partir du tryptophane est insuffisante pour assurer les besoins chez l homme et les animaux, surtout lors de régimes pauvres en tryptophane, comme l alimentation riche en maïs. Le déficit en niacine cause le «pellagre» chez l homme et la maladie de la langue noire chez le chien, deux maladies caractérisées par 3D : Diarrhée, Dermatite et Démence. Il semble que cette vitamine et le coenzyme I qui en dérive soient particulièrement importants dans les épithélia de la peau et de l intestin, ainsi que dans le cerveau où la glycolyse est cruciale pour l apport d énergie. Cette maladie affecte toutes les déhydrogénases qui utilisent le NAD + ou le NADP + comme coenzyme. L addition de niacine dans l alimentation soigne les deux maladies. Une exception cependant : les alcooliques ; dans ce dernier cas, on observe une réduction de l absorption intestinale de la niacine et les besoins en vitamine de l organisme ne sont plus couverts. De plus, l alcool, qui est virtuellement dépourvu de vitamines, constitue chez certains alcooliques la principale source de calories DIA20 : Le pyruvate généré au cours de la glycolyse peut être métabolisé de différentes manières, selon la présence (condition aérobie) ou la pauvreté/l absence (hypoxie/condition anaérobie) d oxygène dans le milieu réactionnel. Dans le premier cas, nous verrons ultérieurement que le pyruvate est oxydé en acétyl-coenzyme A qui pénètre dans le cycle de Krebs et est dégradé en CO2 et H2O. Le NADH généré au cours de la glycolyse est oxydé en NAD + par transfert des électrons à l O2 dans la mitochondrie (voir chapitre phosphorylation oxydative). Le NAD + régénéré permet à la glycolyse de se poursuivre. Dans les conditions d hypoxie ou anaérobie, le processus de fermentation se met en place pour régénérer le NAD + à partir du NADH sans impliquer l oxygène ni la mitochondrie. Deux types de fermentation sont abordées ici : la fermentation lactique et la fermentation alcoolique. Dans les deux cas, le processus permet de régénérer du NAD + à partir du NADH sans oxygène et donc à la glycolyse de se poursuivre. DIA21 : Au cours de la fermentation lactique, le pyruvate généré lors de la glycolyse est réduit en lactate par la lactate dehydrogénase (LDH). En même temps, le NADH est oxydé en NAD + ; la glycolyse peut se poursuivre DIA22 : Au cours d un effort musculaire intense, la quantité d oxygène délivrée aux muscles n est pas suffisante et la fermentation lactique se met en place rapidement, avec un beaucoup moins bon rendement énergétique : seuls 2 ATP sont produits par molécule de glucose oxydée. Les molécules de glucose consommées au cours de ce type d effort proviennent essentiellement du glycogène musculaire (stock cellulaire de glucose). 11

12 L acide lactique produit au niveau du muscle est évacué via le sang, où il s ionise en lactate + H +, et contribue à la chute du ph sanguin (acidose métabolique) qui limite donc la durée de l effort dans ces conditions. Le lactate sanguin est pris en charge par le foie après l effort où il servira à produire de nouvelles molécules de glucose (gluconéogénèse) et régénérer le stock de glycogène musculaire. La dette en oxygène est la quantité d oxygène qui est consommée par l organisme après l effort pendant la phase de récupération pour produire du glucose à partir du lactate (gluconéogénèse hépatique qui nécessite de l ATP) et reconstituer le stock musculaire de glycogène. Chez le crocodile, la concentration en lactate lors d une attaque atteint des niveaux extrêmement élevés et la période de repos après un tel effort est très longue (rétablissement d un ph sanguin dans des valeurs normales, production de glucose à partir du lactate pour rétablir le stock de glycogène musculaire). Le cycle de réactions qui convertit le glucose en lactate dans le muscle et le lactate en glucose dans le foie s appelle le cycle de Cori. Il n y a pas de mitochondrie dans les hématies (ou globules rouges). Donc pas de possibilité de transférer les électrons du NADH à l O2. Le globule rouge utilise donc la voie de la fermentation lactique pour produire ses molécules d ATP. Au sein des tumeurs, la vascularisation est souvent insuffisante pour amener les grandes quantités d O2 nécessaires à la division des cellules tumorales, du moins au début du processus tumoral. Les cellules tumorales sont donc dans des conditions d hypoxie chronique qui activent le processus de glycolyse et de fermentation lactique (effet Warburg). Vu le faible rendement énergétique de la fermentation lactique (2ATP/glucose) par rapport aux conditions aérobies (30-32ATP/glucose), le transport de glucose du sang vers la cellule tumorale et la glycolyse sont augmentés d un rapport 10 dans ces cellules. DIA23 : La cellule tumorale produit et exprime à sa surface plus de transporteur GLUT1 et GLUT3 du glucose et produit plus d enzymes de la glycolyse dans le cytoplasme, ceci sous l action d un facteur de transcription qui est induit par l hypoxie : le HIF (hypoxia-inducible transcription factor). L augmentation du transport de glucose et de la glycolyse dans les cellules des tumeurs (= effet Warburg) est mise à profit pour les détecter. Un analogue du glucose marqué à l isotope F 18 sur le C2 du glucose est injecté au patient : le F 18 2-fluoro 2-deoxyglucose (FdG). Cet analogue est transporté par les GLUT dans les cellules puis phosphorylé par les hexokinases. Ce composé, une fois phosphorylé, ne peut pas être métabolisé plus, et s accumule donc sous forme de 6- phospho-fdg dans les cellules. Ce composé émet des positrons (ou anti-électron) qui sont détectés par des détecteurs placés autour du patient (Tomographie par Emission de Positrons (Positron Emission Tomography, ou PET scan). Positron : particule de masse et de spin identiques à l électron, mais de charge opposée (= anti-électron). Dans la matière, la rencontre d un positron avec un électron entraîne l émission d énergie sous forme de 2 photons gamma. CT Scan : Tomographie Computérisée (Computed Tomography) utilisant les rayons X classiques. Masse atomique du F : 19. DIA24 : 12

13 Dans certains microorganismes comme la levure, le pyruvate est métabolisé en ethanol et CO2 en 2 étapes. La seconde étape permet de régénérer le NAD + à partir du NADH et à la glycolyse de se poursuivre. La levure du boulanger et du brasseur est la Saccharomyces Cerevisiae qui exprime donc la pyruvate decarboxylase. Le processus de fermentation alcoolique génère du CO2 : les bulles du champagne et la levée de la pâte. Les cellules des vertébrés n expriment pas la pyruvate decarboxylase mais bien l enzyme qui catalyse la seconde étape : l alcool deshydrogénase. Dans le foie, cette enzyme catalyse l oxydation de l ethanol et génère de l acetaldehyde et du NADH (réaction inverse à celle montrée sur la dia). DIA25 : La TPP (ou thiamine pyrophosphate) est un coenzyme dérivé de la thiamine, ou vitamine B1. La thiamine pyrophosphate est obtenue par remplacement de la fonction hydroxyle OH du C de la thiamine par un pyrophosphate. La vitamine B1 est inactive et doit être transformée en TPP par ajout d un pyrophosphate pour l être. La vitamine B1 est hydrosoluble et dénaturée à 100 C. Elle n est pas synthétisée par l organisme et doit être trouvée en quantité suffisante dans l alimentation. Ce coenzyme intervient dans des réactions enzymatiques où un lien covalent entre 2C est clivé. Quelques exemples d enzymes où ce cofacteur joue un rôle sont donnés. DIA26 : Les pathologies associées à une carence en vitamine B1 sont : - le béri béri («je ne peux pas, je ne peux pas» en cinghalais, Sri Lanka) : asthénie très importante, amaigrissement, insuffisance cardiaque et troubles neurologiques comme paresthésies, hypoesthésie, amyotrophie, hyporéflexie, irritabilité, troubles de la mémoire et de la concentration. Le passage d une alimentation basée sur le riz rouge, riche en vitamine B1, à une alimentation basée sur le riz blanc, dépourvu de vitamine B1, a entraîné l apparition de carence et de cas de béri béri. En effet, le polissage industriel des grains de riz entraîne la perte du péricarpe qui contient la vitamine B1. - alcoolisme (pas de vitamines dans l alcool!), nutrition parentérale exclusive, la présence de thiaminase dans certains aliments (certains poissons mangés crus). Dans les cas graves d alcoolisme, une encéphalopathie peut apparaître : l encéphalopathie de Wernicke (confusion, troubles de la vision, coma). Elle est souvent associée à la psychose de Korsakoff (le patient invente des histoires pour masquer ses troubles de la mémoire) dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff. Le traitement de l alcoolique chronique désorienté ou aggressif aux urgences comprend l injection de 100mg de vitamine B1 en intramusculaire. En cas de suspicion d alcoolisme chronique et de syndrome de W-K, le diagnostic s établit après avoir testé l ethanol, la vitamine B1, le pyruvate (cycle de Krebs) et l activité transcétolase (voie des pentoses phosphates) dans le sang. 13

14 CHAPITRE 3 :GLUCONEOGENESE : DIA1 : Il est important de relire attentivement le chapitre 8 du cours de BA2 du Prof. F. Bureau sur les glucides. Après de simples réactions, différents substrats peuvent rentrer dans la phase préparatoire de la voie métabolique de la glycolyse : les polysaccharides alimentaires (amidon et glycogène, polymères de glucose) et endogène (glycogène hépatique et musculaire), les disaccharides et les monosaccharides. - Les α-amylases salivaires et pancréatiques hydrolysent les liaisons α1 4 qui unissent les monomères de D-glucose dans l amidon et le glycogène, générant des oligo et disaccharides. Les liaisons α1 4 et α1 6 du maltose et de la dextrine sont respectivement hydrolysées par la maltase et la dextrinase, des disaccharidases portées par l épithélium en brosse de la cellule intestinale, en 2 molécules de D-glucose. Celui-ci traverse la paroi intestinale et est déversé dans la circulation sanguine. - Le glycogène endogène du foie et du muscle est mobilisé par une réaction phosphorolytique (pas par une hydrolyse ) en présence de phosphate inorganique, de glycogène phosphorylase (liaisons α1 4) et d enzyme débranchant (liaisons α1 6). Une mutase assure ensuite le transfert du phosphate du C1 au C6 du D- glucose. Le glucose 6-P ainsi généré rentre soit dans la voie de la glycolyse, soit dans celle des pentoses phosphates. - Les disaccharides alimentaires sont hydrolysés par des disaccharidases portées par la bordure en brosse de l épithélium intestinal. Dextrine + nh20 nd-glucose (dextrinase) Maltose + H20 2D-glucose (maltase) Lactose + H20 D-galactose + D-glucose (lactase) Sucrose (ou saccharose) + H20 D-fructose + D-glucose (sucrase ou saccharase) Trehalose + H20 2D-glucose (trehalase) Le trehalose est un disaccharide de glucose où les deux molécules sont unies par une liaison 1,1alpha glycosidique très stable. Le trehalose est utilisé par l industrie agroalimentaire (boissons énergisantes) et pharmaceutique. - Les monosaccharides générés sont transportés au travers de l épithélium intestinal et aboutissent dans la circulation sanguine. L intolérance au lactose (càd aux produits laitiers en général) est due à la disparition progressive et parfois totale de la lactase de la bordure en brosse des cellules intestinales chez certaines populations à l âge adulte. Le lactose non digéré passe alors dans le gros intestin et est en partie métabolisé par les bactéries en produits toxiques responsables des crampes et douleurs intestinales. Le lactose non digéré et ses métabolites toxiques augmentent l osmolarité du contenu intestinal, favorisant la rétention d eau dans l intestin et la diarrhée qui accompagne cette forme d intolérance DIA2 : Le fructose, présent tel quel dans les fruits ou résultat de l hydrolyse du sucrose, est transformé différemment selon le type de tissu : muscle et rein versus foie. Les molécules rouges sont celles qui pénètrent dans la voie de la glycolyse. DIA3 : Le D-galactose, généré dans l intestin par l action de la lactase, passe dans la 14

15 circulation sanguine et est capté par le foie. Dans cet organe, le galactose est phosphorylé en galactose 1-P par la galactokinase. Ce galactose 1-P est ensuite métabolisé en glucose 1-P en présence d une transférase et d Uridine DiPhosphateglucose (UDP-glucose) qui fonctionne comme une sorte de coenzyme de la réaction. L UDP-glucose métabolisé en UDP-galactose lors de cette réaction est régénéré en deux réactions impliquant l UDP-glucose 4-épimérase et le cofacteur NAD + comme agent d oxydo-réduction. NB : erreur sur la figure : lors de la seconde réaction de l épimérase, c est le NADH qui fournit deux électrons et un proton au substrat, et pas le NAD +. Le glucose 1-P est métabolisé en glucose 6-P sous l action de la phosphoglucomutase ; le glucose 6-P est un des métabolites de la phase préparative de la glycolyse. Le déficit d un de ces 3 enzymes du métabolisme du galactose chez l homme provoque la galactosémie, une maladie métabolique caractérisée par une augmentation de la concentration de galactose sanguin. Dans ce cas, le galactose est métabolisé en galactitol qui se dépose dans le cristallin et cause une cataracte sévère. Dans les formes sévères de la maladie, on observe aussi un retard mental, une croissance réduite et des altérations hépatiques. La présence de galactose dans l alimentation de ces patients doit être strictement limitée... DIA4 : Le mannose d origine alimentaire (fruits, légumes) est phosphorylé en mannose 6-P par une hexokinase, puis isomérisé en fructose 6-P qui s engage dans la voie de la glycolyse. DIA5 : Résumé des voies d entrée des poly-, di- et mono-saccharides dans la phase préparative de la voie de la glycolyse (en rouge). NB : Starch = amidon DIA6 : la néoglucogénèse, ou gluconéogénèse, est une voie métabolique qui permet de synthétiser du glucose à partir de différents précurseurs à 3, 4 ou 5 C. Ces précurseurs sont le lactate, le pyruvate, le glycerol et certains acides aminés. Cette voie est présente et active dans le foie, le cortex du rein et l intestin grêle. Elle permet de maintenir une concentration stable en glucose dans le sang (glycémie stable) dans des conditions de jeûne (pas d apport d aliment et stocks de glycogène hépatique et musculaire épuisés après 24 heures) ou après un exercice physique intense (stocks de glycogène épuisés). Dans le cas du jeûne prolongé, les précurseurs du glucose sont les acides aminés dérivés des protéines musculaires et le glycérol dérivé des triacylglycérols. Les acides gras dérivés des triacylglycérols ne participent pas à la gluconéogénèse. Dans le cas de l exercice physique, le précurseur principal est le lactate généré par la glycolyse suivie de la fermentation lactique dans le muscle. Du lactate est aussi continuellement produit par la glycolyse et la fermentation lactique dans les globules rouges (qui sont dépourvus de mitochondries) et est déversé dans le sang, puis récupéré par le foie. Certains tissus ou organes sont en effet (presque) totalement dépendants du glucose sanguin comme seule source d énergie : cerveau, globule rouge, testicule, médullaire du rein et la plupart des tissus pendant la vie embryonnaire. 15

16 Le cerveau consomme 120g de glucose par jour, soit plus de 50% du glucose stocké sous forme de glycogène dans le foie et les muscles, soit ~75% de la consommation totale de glucose par l organisme en 24 heures. Un chapitre spécial sera consacré à la gluconéogénèse hépatique chez les ruminants. Ce chapitre-ci est donc spécifique des animaux monogastriques DIA7 : La néoglucogénèse partage 7 des 10 réactions biochimiques de la glycolyse. Ce sont les réactions réversibles, avec G proche de 0 dans les conditions cellulaires réelles. Pour les 3 réactions irréversibles (avec G fortement négatif), les deux voies métaboliques utilisent des enzymes différents et parfois dans des compartiments cellulaires différents ; les deux voies sont donc irréversibles. Elles prennent place essentiellement dans le cytoplasme. Elles sont finement régulées pour ne pas être actives en même temps (voir plus loin). DIA8 et 9: Selon que le précurseur de la néoglucogénèse est le pyruvate (à gauche sur la figure) ou le lactate (produit par les globules rouges ou lors d efforts musculaires intenses, à droite sur la figure), le chemin réactionnel pour produire le PEP est légèrement différent. Les deux voies passent cependant par la mitochondrie lors de la première réaction. 1. Le pyruvate cytosolique est transporté dans la mitochondrie ; il peut aussi être produit par transamination de l alanine dans la mitochondrie. L alanine provient du catabolisme des protéines musculaires en cas de jeûne. Le pyruvate est ensuite converti en oxaloacetate par la pyruvate carboxylase mitochondriale en présence de HCO3 -, d ATP et de biotine qui sert de coenzyme : Pyruvate + ATP + HCO3 - oxaloacetate + ADP + Pi La pyruvate carboxylase mitochondriale DOIT être stimulée par l Acétyl-CoA, son effecteur allostérique positif, pour être active ; sans lui, l enzyme est inactif. L acétyl- CoA provient de l oxydation des acides gras, ce qui signifie que ces acides gras servent de source d énergie à ce moment et que la cellule hépatique peut passer de la glycolyse à la gluconéogénèse. Comme la mitochondrie ne possède pas de transporteur d oxaloacétate, ce dernier est réduit en malate par la malate deshydrogénase mitochondriale en présence de NADH + H + : Oxaloacétate + NADH + H + malate + NAD + G~0 kj/mole Le malate quitte alors la mitochondrie par un transporteur spécifique. Il est reoxydé en oxaloacétate dans le cytoplasme par la malate deshydrogenase cytosolique avec production de NADH + H + cytosolique (ce qui est essentiel pour la suite de la gluconéogénèse, voir ci-dessous) : Malate + NAD + oxaloacetate + NADH + H + L oxaloacetate cytosolique est finalement converti en PEP par la PEP carboxykinase en présence de GTP : Oxaloacétate + GTP PEP + GDP + CO2 Le bilan de ces 4 réactions est donc : Pyruvate + ATP + HCO3 - + GTP PEP + ADP + Pi + GDP + CO2 La nécessité de passer par la mitochondrie pour effectuer ces réactions est liée au fait que la pyruvate carboxylase est une enzyme mitochondriale et que la matrice mitochondriale est riche en NADH. Ce passage mitochondrial permet donc 16

17 «d exporter» un NADH de la matrice mitochondriale vers le cytoplasme, pauvre en NADH, ce qui permet l entretien de la gluconéogenèse (voir ci-dessous). De plus, la voie de la gluconéogénèse «emprunte» dans la mitochondrie un ou plusieurs intermédiaires métaboliques du cycle de Krebs (oxaloacétate et malate, voir plus loin : cycle de Krebs). Lorsque le pyruvate est le précurseur dans la gluconéogénèse, une molécule de NADH est produite dans le cytoplasme. Ceci est essentiel car elle sera consommée au cours d une des réactions suivantes de la gluconéogénèse. Une molécule de NADH est bien sûr consommée dans la mitochondrie, mais la concentration de NADH dans la mitochondrie est beaucoup plus grande que dans le cytoplasme et ceci n a pas d effet sur les réactions biochimiques mitochondriales. 2. Lorsque le lactate est le précurseur de la gluconéogénèse, la conversion du lactate en pyruvate dans le cytoplasme entraîne la formation d un NADH cytoplasmique essentiel pour l entretien de la gluconéogénèse. Lorsqu ensuite le pyruvate pénètre dans la mitochondrie et est métabolisé en oxaloacétate, il n y a plus de nécessité de consommer un NADH mitochondrial pour pouvoir le produire par après dans le cytoplasme. De ce fait, l oxaloacétate est directement métabolisé en PEP dans la mitochondrie par la PEP carboxykinase mitochondriale. Le PEP produit dans la mitochondrie passe ensuite dans le cytoplasme. DIA10 : Les deux autres étapes irréversibles de la gluconéogénèse sont décrites. La première a lieu dans le cytoplasme et génère du fructose 6-P. La seconde procède dans la lumière du réticulum endoplasmique, où se trouve l enzyme glucose 6- phosphatase qui produit le glucose qui sera déversé dans la circulation sanguine vers les muscles, les globules rouges et le cerveau, notamment. DIA11 : Le bilan de la gluconéogénèse à partir du pyruvate est présenté. Pour chaque molécule de glucose produite à partir de deux pyruvates, il faut hydrolyser 4 ATP et 2 GTP riches en énergie. Deux molécules de NADH sont également nécessaires C est le prix à payer pour assurer la stabilité de la glycémie pendant le jeûne et l apport d énergie aux globules rouges et au cerveau dans cette condition Le processus métabolique de la gluconéogénèse est irréversible, vu le G négatif, tout comme l est la glycolyse. DIA12 : Les acides aminés sont catabolisés en pyruvate ou dans un des intermédiaires métaboliques du cycle de Krebs (oxaloacétate, fumarate, succinyl-coa et α- cetoglutarate ; voir plus loin : cycle de Krebs). L oxaloacétate sert à la fois d intermédiaire métabolique dans la gluconéogénèse à partir du pyruvate et du lactate (voir plus haut) et dans le cycle de Krebs. C est donc un point de contact/transit important entre le cycle de Krebs et la gluconéogénèse dans la mitochondrie. Les acides aminés alanine et glutamine sont les plus glucogéniques ; ils proviennent des tissus extrahépatiques (ex : muscles), sont captés par le foie et subissent un processus catabolique dans les mitochondries hépatiques. DIA13 : 17

18 Le glycerol, produit du catabolisme des triacylglycérols (ou triglycérides), peut participer à la gluconéogénèse en étant phosphorylé par la glycérol kinase en glycérol 3-P en présence d ATP. Le glycérol 3-P est ensuite oxydé en dihydroxyacétone phosphate, un intermédiaire métabolique de la gluconéogénèse, en présence de NAD +, par la glycérol 3-P dehydrogénase. L autre produit du catabolisme des triacylglycérols, les acides gras, ne participent pas à la gluconéogénèse chez les mammifères : ils peuvent être métabolisés jusqu à l acétyl- CoA, mais pas plus loin en pyruvate. En effet, il n existe pas chez les mammifères d enzyme catalysant la réaction de formation du pyruvate à partir de l acétyl-coa DIA14 : La biotine (ou vitamine B8) est une vitamine hydrosoluble qui joue un rôle clé dans les réactions de carboxylation : c est un transporteur de CO2 activé qui est lié de manière covalente à l enzyme (enzyme biotinylé) sur une lysine du site actif et qui assure le transfert de ce CO2 activé d un site catalytique à l autre de l enzyme (ex : pyruvate carboxylase). Sur le premier site, l ion bicarbonate et la biotine sont convertis en carboxybiotine en présence d ATP. Le bras de la biotine passe alors du site catalytique 1 au site catalytique 2 grâce à sa flexibilité. Au niveau de ce second site catalytique, le CO2 est libéré et le pyruvate est carboxylé en oxaloacétate, régénérant l enzyme biotinylé. La biotine est présente dans de nombreux aliments et est synthétisée par la flore bactérienne (ex : panse des ruminants). La carence en biotine est rare. Les blancs d œufs contiennent de l avidine, une protéine qui lie la biotine avec une grande affinité et qui prévient son absorption intestinale. Cette association est à la base de marquage de cellules ou de tissus à l aide d anticorps couplés de manière covalente à la biotine et révélés à l aide de l avidine couplée elle-même à un fluorochrome ou une enzyme (ex : FITC (Fluorescent IsoThioCyanate) ou phosphatase alcaline). DIA15 : Dans la plupart des tissus, la voie catabolique principale au départ du glucose 6-P est la glycolyse qui mène au pyruvate, à l acétyl-coa, au cycle de Krebs et à la production d ATP. Il existe aussi dans les cellules qui se divisent abondamment (cellules hématopoïétiques, peau, muqueuse intestinale, tumeur,..) une autre voie catabolique importante au départ du glucose 6-P: la voie du pentose phosphate. Cette voie qui se déroule entièrement dans le cytoplasme permet à la cellule de produire des nucléotides, précurseurs de l ARN, de l ADN et des coenzymes nucléotidiques. Dans d autres tissus, cette voie permet aussi de produire du NADPH à partir du NADP +. Nous verrons plus loin que le NADPH est essentiel pour la synthèse des acides gras (foie, tissu adipeux et glande mammaire au cours de la lactation) et des stérols (cholestérol et stéroïdes : foie, glande surrénale et gonades), ainsi que pour contrer les effets cellulaires néfastes des radicaux libres de l oxygène (le radical superoxide et le radical hydroxyl qui causent des dégats oxydatifs aux protéines, aux lipides et aux nucléotides notamment dans les globules rouges, le cristallin et la cornée qui sont en contact direct avec l O2 et ses radicaux libres). Dans ces cellules, un cycle s installe qui permet de produire de grandes quantités de NADPH : 6 molécules de ribulose 5-P produites sont recyclée en 5 molécules de glucose 6-P qui réintègre la voie pour produire d avantage de NADPH. 18