METABOLISME ENERGETIQUE. 03/01/2009 Philippe Bouvet 1

Transcription

1 METABOLISME ENERGETIQUE 03/01/2009 Philippe Bouvet 1

2 Processus de la chaine métabolique: Catabolisme anaérobie du glucose: GLYCOLYSE. Pages: 5 à 7 Oxydation aérobie du PYRUVATE: Pages: 8 à 10 Complexe du pyruvate déshydrogénase: ACETYL-COA Pages: 11 à 14 Cycle de KREBS Pages: 15 à 18 Phosphorylation oxydative: Pages: 19 à 22 Energie issue de l alimentation: Pages: 23 à26 03/01/2009 Philippe Bouvet 2

3 Introduction Le métabolisme énergétique regroupe l ensemble des réactions qui s accompagnent (au sein d une cellule) de la production d énergie chimique utilisable par la cellule. Ces réactions sont toutes des réactions d oxydoréduction au cours desquelles une source d énergie (substance nutritive prélevée dans le milieu de culture) est oxydée. Ces oxydations cataboliques conduisent d une part à la production de coenzymes réduits et d autre part à la production d ATP. 03/01/2009 Philippe Bouvet 3

4 Le glucose et le mécanisme énergétique cellulaire. Bien que le glucose soit le nutriment le plus utilisé par les cellules de l organisme comme source énergétique, de nombreux autres glucides entrent dans le mécanisme de la glycolyse pour y être déradée et fournir de l énergie: Glycogène et Amidon (polysaccharides de stockage). Maltose, Saccharose et lactose (disaccharides). Galactose, Mannose et Fructose (monosaccharides). 03/01/2009 Philippe Bouvet 4

5 Glycolyse: Réactions d oxydoréduction, synthèses d ATP par phosphorylation de l ADP. Le pyruvate: oxydation complète dans les mitochondries et décomposition en molécules de dioxyde de carbone, puis transformation en Acétyl -coa. Acéthyl-coa, molécule qui va servir de substrat à une suite de réactions biochimiques. Le métabolisme: Cycle de Krebs: préparation, réactions de décarboxylations et régénération de l oxaloacétate. Chaine respiratoire: ré oxydation qui s accompagne de la création d un gradient transmembranaire de protons. 03/01/2009 Philippe Bouvet 5

6 La glycolyse anaérobie: Chaine métabolique d une importance fondamentale en biologie, elle est partagée par tous les êtres vivants, des bactéries les plus primitives, jusqu à l homme. Elle à une position clé dans le métabolisme cellulaire. Son ancienneté daterait des origines de la vie, et elle constituerait le plus ancien mode d obtention d énergie encore existant aujourd hui. Le rôle de la glycolyse est de fournir de l ATP. Malgré cela, la première partie de la glycolyse consiste en une activation du glucose qui utilise deux ATP (phase préparatrice). La deuxième partie quand à elle produit quatre ATP (phase productrice d énergie). BILAN FINAL DEUX ATP. 03/01/2009 Philippe Bouvet 6

7 Déroulement de la glycolyse: Elle s effectue dans le cytoplasme de la cellule. La glycolyse ne nécessite pas d oxygène. Lors du processus, on assiste à des réactions d oxydoréduction au cours desquelles un accepteur d électrons est réduit: Et à la synthèse d ATP par phosphorylation de l ADP. Elle réduit des coenzymes et s accompagne donc de l oxydation de molécules organiques. On peut dire qu elle correspond à l oxydation du glucose en pyruvate. 03/01/2009 Philippe Bouvet 7

8 Oxydation aérobie du pyruvate Le pyruvate, produit final de la glycolyse, suit des voies cataboliques différentes selon la nature de l organisme et les conditions métaboliques. En aérobie, le pyruvate entre dans la mitochondrie, où il subit une décarboxylation et une oxydation, de ces réactions résultent l acétyl-coa. a) Une réaction biochimique qui retire la fonction carboxyle et libère une molécule de CO2. b) Une réaction de transfert des électrons au NAD+ qui devient du NAD+H+. c) La troisième étape ajoute un coenzyme A qui va rendre l acétyl coa très réactif, pour alimenter par la suite le cycle de KREBS. 03/01/2009 Philippe Bouvet 8

9 Entrée du pyruvate dans la Mitochondrie En présence d oxygène la chaine respiratoire mitochondriale fonctionne et établit un gradient de protons à travers la membrane interne. Une protéine transporteuse d anions organiques existe dans cette membrane et transporte le pyruvate a travers la membrane interne en même temps qu un ion potassium chargé positivement. L énergie de cette charge positive est équivalente à celle d un proton pompé par les complexes de la chaine respiratoire mitochondriale. Le retour de cette charge positive vers la matrice, libère donc de l énergie qui servira à effectuer le transport du pyruvate. ( voir schéma suivant) 03/01/2009 Philippe Bouvet 9

10 Schéma du pyruvate dans la mitochondrie 03/01/2009 Philippe Bouvet 10

11 La pyruvate déshydrogénase Elle est un complexe multienzymatique, accroché à la face interne de la mitochondrie. Sa structure comprend 96 sous-unités, qui catalysent trois activités enzymatiques successives: Une décarboxylase. une transacétylase. Une déshydrogénase. Elle comprend également trois espèces de coenzymes liées: Des thiamines phosphates. Des lipoamides. Des flavines adénine di nucléotides. Son activité fera intervenir des coenzymes libres: NAD et coenzyme A. 03/01/2009 Philippe Bouvet 11

12 Phase 1 décarboxylase Cette enzyme à cofacteur thiamine pyrophosphate (TPP) réalise la décarboxylation du pyruvate en acétaldéhyde. Il en résulte une molécule d eau qui libère l ion bicarbonate. L acétaldéhyde est aussitôt fixée sur le noyau thiazole du TPP. La décarboxylase va transférer cet acétaldéhyde sur le coenzyme lié à la transacétylase ( lipoamide). Ce faisant, elle sépare le radical acétyl d une part et un hydrogène d autre part qui vont se fixer respectivement sur les deux atomes de souffre. Ce transfert est donc une oxydoréduction au cours de laquelle l acétaldéhyde a été oxydé en acide acétique et le lipoamide réduit en dihydrolipoamide. ( voir schéma ) 03/01/2009 Philippe Bouvet 12

13 Phase 2 et 3: transacétylase déshydrogénase La transacétylase transfère à nouveau le radical acétyl et l énergie de la liaison riche en énergie sur un coenzyme A libre, et l hydrogène de ce coenzyme sur le souffre libéré du dihydrolipoamide. Ce produit est l acéthyl-coenzyme A. La déshydrogénase enfin qui est une flavoproteine dont le noyau flavine a un potentiel d oxydoréduction, ré oxyde le dihydrolipoamide en transportant les hydrogènes sur la flavine pour réduire un coenzyme NAD+ en NADH et libérer un proton. L ensemble des réactions catalysées par ce multi enzyme libère 38 kj de chaleur par mole de pyruvate oxydée. Comme toutes les réactions de décarboxylation celle du pyruvate est irréversible. ( voir schéma ) 03/01/2009 Philippe Bouvet 13

14 03/01/2009 Philippe Bouvet 14

15 03/01/2009 Philippe Bouvet 15

16 Cycle des acides tricarboxyliques: Ce cycle est la plaque tournante du métabolisme cellulaire. Il est alimenté par le catabolisme des glucides, des lipides et des protéines. Il n existe que chez les organismes aérobie.. Cette étape finale du catabolisme des carbohydrates, des acides gras et des acides aminés assure la plus grande des besoins énergétiques de la cellule, grâce à la formation de coenzymes réduits qui seront ré oxydés dans la chaine respiratoire. 03/01/2009 Philippe Bouvet 16

17 Cycle de KREBS: IL se déroule dans la matrice de la mitochondrie. IL transforme l acétyl-coa en gaz carbonique, en NADH+H+, en ATP et en FADH2. IL comporte huit réactions enzymatiques décomposables en réactions simples. L acétylcoenzyme A qui est le premier substrat du cycle de KREBS en est également le dernier. 03/01/2009 Philippe Bouvet 17

18 03/01/2009 Philippe Bouvet 18

19 Phosphorylation oxydative ou chaine respiratoire: Lors des réactions du catabolisme que sont la glycolyse et le cycle de Krebs il y a production de coenzymes réduits (NADH et CoQH2). Ces coenzymes vont être ré oxydés par la chaine respiratoire, au niveau des crêtes de la membrane interne mitochondriale. Cette ré oxydation s accompagne d un gradient transmembranaire de protons. Ce gradient est une forme de stockage de l énergie contenu dans les coenzymes, qui dérive elle-même de l énergie contenue dans les molécules dégradées au cours du catabolisme. Le gradient de proton va servir à fabriquer de l ATP, molécule énergétique utilisable, au niveau de l ATP synthéase, une protéine membranaire mitochondriale. Ce mécanisme est aussi connu sous le nom de Théorie chimiosmotique. 03/01/2009 Philippe Bouvet 19

20 Chaine respiratoire mitochondriale: Elle est un ensemble de quatre complexes protéiques, auxquels sont associés deux cofacteurs qui assurent l interface entre les complexes. 1) Phase d oxydoréduction permettant d éjecter quatre protons hors de la matrice mitochondriale. 2) Le complexe I va ensuite retrouver son état d oxydation antérieur en transmettant l électron au coenzyme Q (ubiquinone). 3) Le complexe II oxyde le succinate en fumarate, puis retrouve son état antérieur en réduisant l ubiquinone (contient deux électrons). 4) Complexe III phase d oxydoréduction et transmission d électrons au cytochrome C. La ré oxydation fournie l énergie nécessaire pour éjecter quatre protons hors de la matrice. 5) Le complexe IV reçoit les électrons qu il réduit à son tour. Puis par oxydation, retrouver son état antérieur et éjecter quatre protons est l oxygène. 6) L oxygène réduit va former, avec les protons de la matrice, une molécule d eau, ce qui augmentera le gradient de proton. 03/01/2009 Philippe Bouvet 20

21 La synthèse de l ATP: La chaine respiratoire a permis la création d un gradient de PH entre la matrice mitochondriale et l espace inter membranaire des mitochondries. Mais la synthèse de l ATP n a pas encore eu lieu. Celle-ci est effectuée par une autre protéine membranaire, l ATP synthéase qui est semblable à une pompe ionique chargée de réguler les flux d ions de part et d autre de la membrane. En fonctionnement normal elle expulserait deux ions pour chaque molécule d ATP hydrolysée. Toutefois, le gradient électrochimique des ions est tel que la pompe marche à l envers. L entrée des deux ions assure la synthèse d une molécule d ATP à partir d ADP et de phosphate inorganique. ( voir schéma suivant) 03/01/2009 Philippe Bouvet 21

22 Chaine respiratoire: 03/01/2009 Philippe Bouvet 22

23 Sans énergie pas de vie: Sur notre planète, toute l énergie comprise dans les molécules organiques provient du soleil. L énergie entre dans la biosphère sous forme de lumière et en sort sous forme de chaleur. 03/01/2009 Philippe Bouvet 23

24 Energie issue de l alimentation: D où provient t elle? A travers l énergie solaire, les végétaux sont capables de transformer cette énergie solaire en énergie chimique par un processus de photosynthèse. Ce phénomène, va permettre aux plantes de fabriquer surtout des glucides, mais aussi des protéines et des graisses au départ de l eau et du gaz carbonique de l air qu elles peuvent fixer grâce à la chlorophylle. Ces macronutriments deviennent à leur tour fournisseurs d énergie. Elle est nécessaire pour: Le maintien des fonctions vitales de l organisme (température, respiration, rythme cardiaque). Pour l activité physique (contraction musculaire). Pour la croissance et la réparation des tissus. 03/01/2009 Philippe Bouvet 24

25 L alimentation, source d énergie et de nutriments: La plupart des denrées alimentaires sont en réalité des produits complexes qui comprennent un mélange de composants: Les macronutriments (protéines, lipides,glucides et alcool )qui fournissent énergie et matériaux de construction nécessaires pour la croissance et l entretien du corps humain. Les micronutriments (vitamines, minéraux et oligo-éléments), d autre part, n apportent pas d énergie mais sont indispensables pour le bon fonctionnement de l organisme. D autres composants de l aliment (fibres, antioxydants, ) jouent des rôles importants pour l obtention d une santé optimale. 03/01/2009 Philippe Bouvet 25

26 ENERGIE ISSUE DE L ALIMENTATION Pour demeurer en bonne santé, notre corps à besoin de plus de 40 nutriments différents. Les macronutriments sont nécessaires en plus grande quantité que les micronutriments. 03/01/2009 Philippe Bouvet 26

27 CONCLUSIONS: Au cours du travail effectué pour la réalisation de cet exposé, je me suis très souvent demandé quelles étaient les causes et les raisons de la complexité de l être humain? Mais en même temps émerveillé par la conception, et la précision de cette chaine métabolique que nous venons d explorer ensemble, et qui daterait des origines de la vie, tout en constituant certainement le plus ancien mode d obtention de l énergie encore existant aujourd hui. A l aube de ce nouveau siècle, permettons nous de rêver et de croire un instant, qu il sera celui de la compréhension de la vie, par et à travers l hêtre humain. << science sans conscience n est que ruine de l âme.>> RABELAIS. 03/01/2009 Philippe Bouvet 27

28 Bibliographie /01/2009 Philippe Bouvet 28