Métabolisme cellulaire:

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1 Métabolisme cellulaire: Molécules exogènes simples: Glucides Lipides simples Acides aminés Nucléotides

2 Les voies métaboliques X Y Interactions/points de transit entre voies métaboliques Voies métaboliques linéaires et cycles métaboliques

3 Métabolisme cellulaire: Molécules exogènes simples: Voies cataboliques: Production d Energie + CO2 + H2O + NH3 Métabolisme: Glucides Lipides simples Acides aminés Nucléotides Voies anaboliques: synthèse de molécules endogènes complexes (consommation d Energie)

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5 Un des objectifs de ce cours est de définir les voies métaboliques des glucides, des lipides, des acides aminés et des nucléotides: - quelles sont les molécules qui «entrent» et qui «sortent» de chaque voie? - quelles sont les étapes successives? (définir la structure chimique de chaque métabolite, le nom de chaque métabolite, le nom de chaque enzyme, ses cofacteurs et la présence d éléments régulateurs) - quels sont les points de contacts/de transit entre les différentes voies? («interactions» entre voies) - dans quels compartiments cellulaires/types cellulaires/tissus ces voies sont-elles actives? - dans quelles conditions ces voies sont-elles actives ou pas: régulation?

6 La réaction biochimique = l unité de base de la voie métabolique - Réaction biochimique exergonique: fournit de l énergie, du travail ou de la chaleur (J), spontanée - Réaction biochimique endergonique: qui nécessite de l énergie, du travail ou de la chaleur (J), pas spontanée - Gibbs: G, énergie libre de Gibbs: une fonction d état de la matière qui mesure la quantité d énergie, de travail ou de chaleur que pourrait libérer une mole de cette matière G a : énergie libre d une mole de a (Joule/mole)

7 G S P Gs: énergie libre de S Gp: énergie libre de P G G Gp < Gs G < 0 R Libération d E-T-C Réaction exergonique, spontanée R Gp = Gs G = 0 Pas de flux d E-T-C Réaction à l équilibre Réaction réversible Gp > Gs G > 0 apport d E-T-C nécessaire R Réaction endergonique, non spontanée

8 G = G + RT ln [P]i/[S]i = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i G: différence d énergie libre entre la fin et le début de la réaction à pression et température constantes (Joule/mole): Gp - Gs R: constante des gaz: 8,315 Joule Mole -1 degré -1 T: température absolue (K) (273 + X C, 298K si 25 C) [P]i et [S]i: concentrations molaires de P et de S en début de réaction (au temps t = 0; i = initial)(mole/litre) G : (Joule/mole), variation d énergie libre dans les conditions standards biochimiques: P = 1 atm, t = 25 C et chaque réactif est à une concentration 1M. Exceptions: H + (ph = 7, et donc [H + ] = 10-7 M) et H2O (55,5M). Par convention, on attribue la valeur de 1 pour ces deux réactifs. Dans ces conditions standards biochimiques, log 10 de 1 = 0 et G = G

9 G = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i R à l équilibre, G = 0 R à l équilibre, [P]eq/[S]eq = K eq G = -2,303RT log 10 [P]eq/[S]eq G = -2,303RT log 10 K eq K eq = 10 - G /2,303RT Si t = 25 C, K eq = 10 - G /5690 Si K eq = 1 G = 0 réaction à l équilibre Si K eq > 1 G < 0 réaction exergonique Si K eq < 1 G > 0 réaction endergonique La seule connaissance de la valeur de K eq permet de calculer G, et de prédire le type de réaction dans les conditions standards biochimiques

10 Relation directe entre la constante d équilibre biochimique K eq et G Ces deux CONSTANTES dépendent uniquement de la NATURE des réactifs S et P K eq = [P]eq/ [S]eq 1. K eq = 10 2 = 100/1 A l équilibre chimique, il y a 100 x plus de P que de S; la réaction arrive presque à complétion (presque tout le S est transformé en P) 2. K eq = 10-2 = 1/100 A l équilibre chimique, il y a 100 x plus de S que de P; la réaction est peu efficace.

11 G = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i Remplaçons G par sa valeur: -2,303RT log 10 [P]eq/[S]eq G = -2,303RT log 10 [P]eq/[S]eq + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i Pour la réaction biochimique S P, G mesure donc la «distance énergétique» qui sépare les conditions initiales «i» de la réaction des conditions d équilibre «eq» de cette même réaction G mesure donc la quantité d énergie - qu il faudra apporter à la réaction (si G>0) - qui sera dégagée par la réaction (si G<0) entre le moment i (concentrations initiales des réactifs) et le moment eq (concentrations eq des réactifs à l équilibre chimique) de la réaction Au moment où [P]i/[S]i atteint [P]eq/[S]eq, c est à dire au moment où la réaction atteint l équilibre chimique, G = 0 et donc plus aucune énergie n est libérée et plus aucune énergie n est nécessaire

12 Remarque 1: Dans une réaction biochimique «réelle», càd en dehors des conditions standards biochimiques, c est au final G (et pas G ) qui va déterminer le type de réaction, sa spontanéité et donc son sens G = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i G = +3 J/mole R cond. standards: endergonique 2,303RT log10 [P]i/[S]i = -7 J/mole conc. initiales réelles des réactifs G = -4 J/mole R cond. réelles: exergonique Ceci est particulièrement vrai lorsque P, le produit de la réaction, est consommé dans une seconde réaction biochimique (P Q): sa concentration dans le milieu réactionnel est alors très basse et [P]i/[S]i<<1 et le second terme de la somme est fortement négatif

13 Remarque 2: Cas des réactions biochimiques couplées: Les variations d énergie libre standards de deux réactions couplées sont additives. 1. A B + C G = +5 J/mole réaction endergonique 2. B D G = -8 J/mole réaction exergonique A D + C G = -3 J/mole réaction exergonique Grâce au couplage des deux réactions, la transformation de A en C + D devient spontanée, alors que celle de A en B + C ne l était pas. Exemple de couplage réactionnel 1. Glucose + Pi glucose-6p + H2O G = 13,8 kj/mole 2. ATP + H2O ADP + Pi G = -30,5 kj/mole ATP + glucose glucose-6p + ADP G = -16,7 kj/mole

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15 La réaction enzymatique: G* = énergie d activation sans enzyme G G* G R + enzyme: diminution de l énergie d activation G*, augmentation de la vitesse de la réaction G G* G R

16 Saccharose + H2O fructose + glucose G = -29,3 kj/mole Produits indétectables en l absence d enzyme saccharase! Si saccharase: 1000 réactions par seconde!

17 Mécanismes généraux de régulation des voies métaboliques: A S P v1/e1 v2/e2 Si v1 = v2, alors [S] est constante; si v1 augmente, v2 augmente aussi Quantité d enzyme Qualité de l enzyme (activité)

18 ATP: la principale «monnaie énergétique» de la cellule: ADP + Pi ATP + H2O G = +30,5kJ/mole ATP + H2O ADP + Pi ATP + H2O AMP + PPi G = -30,5kJ/mole G = -45,6kJ/mole

19 ATP: adénine, ribose et 3 phosphates (phosphore α, β et γ) liés au C5 du ribose Attaque de la liaison phosphoanhydride par H20

20 G de l hydrolyse de l ATP en ADP et Pi varie en fonction du type cellulaire: Ex: Globule rouge G = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]i = -30,5-22 = -52,5 kj/mole

21 Liaison électrostatique entre ATP 4- ou ADP 3- et Mg 2+ dans la cellule: MgATP 2- et MgADP - MgATP 2- + H2O MgADP - + Pi 2- + H +

22 MgATP 2- + H2O MgADP - + Pi 2- + H + G = G + 2,303RT log 10 [P]i/[S]I G = -2,303RT log10 [P]eq/[S]eq + 2,303RT log10 [P]i/[S]i Si [P]i/[S]i = [P]eq/[S]eq: réaction à l équilibre et G=0! Il faut donc que la cellule produise «constamment» du S (de l ATP) pour que le rapport [P]i/[S]i soit bas et donc que 2,303RT log 10 [P]i/[S]i soit négatif et de valeur absolue élevée Homme au repos: Exercice physique: 40 kg ATP produits/consommés par 24 h 0,5 kg ATP produit/consommé par minute

23 Synthèse d ATP pendant l exercice physique intense 1. Contraction musculaire: ATP + H20 ADP + Pi ADP + ADP ATP + AMP G 0, adénylate kinase cytoplasmique (transphosphorylation entre nucléotides) ADP + créatine phosphate ATP + créatine G = -12,5kJ/mole, créatine kinase cytoplasmique 2. Arrêt de la contraction musculaire (après l effort): rétablissement des stocks de créatine phosphate cytoplasmiques: Mitochondrie (O2!): ADP + Pi ATP + H20 Cytoplasme: ATP + créatine ADP + créatine phosphate

24 G (kj/mole) Phosphoenolpyruvate + H2O Pyruvate + Pi -61,9 1,3-biphosphoglycerate + H20 3-phosphoglycerate + Pi -49,3 Créatine phosphate + H2O créatine + Pi -43,0 ADP + H20 AMP + Pi -32,8 ATP + H2O ADP + Pi -30,5 ATP + H20 AMP + PPi -45,6 AMP + H20 adénosine + Pi -14,2 PPi + H20 2Pi -19,2 Acetyl-Coenzyme A + H20 acetate + CoA + H+ -31,4 Ces réactions ne se produisent pas in vivo sans enzyme, car l énergie d activation est EXTREMEMENT élevée (entre 200 et 300 kj/mole). La réaction impliquant l ATP a une énergie d activation relativement basse par rapport aux autres réactions.

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