v Introduction :
Par un mécanisme
de dégradation, la glycolyse, on obtient du pyruvate. Ce dernier va subir une
décarboxylation oxydative, puis entrer dans un mécanisme d’oxydations
successives pour finir en CO2. Ce cycle est
appelé cycle des acides décarboxyliques ou encore cycle de Krebs.
Pour découvrir
ce cycle, Krebs s’est inspiré de ses travaux antérieurs avec Henselut sur le cycle de l’urée.
La plaque
tournante de ce cycle est la découverte de l’Acétyl_CoenzymeA (ou Acétyl_CoA)
Du cycle de
Krebs résulte la formation de CO2 et d’une
réserve énergétique utile à la biosynthèse (= formation de macromolécules)
Il se déroule
essentiellement dans les mitochondries alors que la glycolyse se déroule dans
le cytoplasme. Il se pose donc le problème du passage au travers de la double
membrane mitochondriale (utilisation de transporteurs)
v Décarboxylation oxydative
de l’acide pyruvique :
In vitro :
CH3–CO–COOH + ½ O2 Þ CH3–COOH +
CO2
In vivo :
L’acide acétique n’est pas un bon
métabolique.
Il y a formation
d’un CO2 et transformation immédiate de
l’acide pyruvique en un composé C2 appelé, faute de mieux à l’époque, « Acétate
actif ».
C’est la forme
qui peut entrer dans le cycle de Krebs par condensation avec un acide
oxaloacétique, formant ainsi un acide citrique.
CH2–COOH
« Acétate
actif » + COOH–CH2–CO–COOH Þ OH–CH–COOH
CH2–COOH
acide
oxaloacétique
acide citrique
Ø Nature
de l’Acétate actif :
Lipmann,
1946 :
découverte du CoenzymeA (= HS–CoA)
Lyman, 1951 : découverte de
l’Acétyl_CoenzymeA (= CoA–S ~ CO–CH3)
∆G0 = –7,52 kCal
Le groupement
actif est le groupement –SH.
CH3–CO–COOH + HS–CoA
Þ CoA–S ~ CO–CH3 +
CO2
Acide pyruvique CoA réduit
Acétyl_CoA
NAD+ NADH+H+
Cette réaction
est catalysée par l’enzyme Co–carboxylase (ou acide lipoïque)
Ø Mécanisme
de la réaction de décarboxylation oxydative de l’acide pyruvique :
Cette réaction
est catalysée par le complexe enzymatique de la pyruvate déshydrogénase.
Lorsque
plusieurs enzymes sont en jeu, un complexe multienzymatique a les
avantages :
-
D’être
plus stable qu’une enzyme isolée,
-
Une
étroite proximité d’une enzyme à l’autre permettant :
-
D’éviter
des réactions parasites,
-
D’accélérer
la réaction.
(le produit de
l’une est immédiatement le substrat de l’autre)
§ 1ère étape :
Le TPP est tout
d’abord ionisé pour présenter un carbanion (et un N+ qui joue le
rôle de puit à électron pour stabiliser le carbocation) Le groupement carboxyle
du pyruvate se fixe au TPP et subit ensuite la décarboxylation.
§ 2ème étape :
Le groupement
hydroxy–éthyle lié au TPP va être oxydé pour former un groupement acétyle.
Simultanément, ce groupement va être transféré sur la Lipoamide. On retrouve le
carbanion du TPP.
Le site actif est le pont disulfure S–S et va servir d’oxydant. Il est fixé à l’enzyme par une longue chaîne latérale flexible (= résidu Lysine)
§ 3ème étape :
Le groupe
acétyle est transféré de l’Acétyl_Lipoamide sur le CoenzymeA réduit pour former
l’Acétyl_CoA et on retrouve la Dihydrolipoamide.
§ 4ème étape :
Il y a la
régénération de la forme oxydée de la Lipoamide avec le concours d’un FAD
réduit en FADH2.
§ Résumé :
les
intermédiaires sont transférés d’un site à l’autre par le groupement
prostatique de la Transacétylase (long bras flexible)
Il correspond à
un cordon entrant en interaction avec la TPP de la sous–unité de la
déshydrogénase adjacente, avec l’unité flavinique de la Dihydrolipoyl
Transacétylase et avec la Dihydrolipoyl Déshydrogénase.
v Cycle de Krebs proprement
dit :
Ø Principe
d’ensemble :
L’acide
oxaloacétique (C4) se condense avec l’Acétyl_CoA (C2) pour former
le citrate (C6) qui présente une isomérisation. Cet isomère subit deux
décarboxylations oxydatives et donne le succinate (C4) et va régénérer
l’acide oxaloacétique (C4)
Le C2
rentre dans le cycle est plus réduit que les deux CO2 qui en sorte.
Il doit sûrement y avoir des réactions d’Oxydoréduction.
En effet, il y
a :
-
3
ions hydrures (= électrons) qui se fixent au NAD+ pour former du
NADH+H+,
-
2
ions hydrures qui se fixent au FAD pour former du FADH2.
En s’oxydant,
les NAD+ et FAD fournissent l’énergie
nécessaire pour former 11 molécules d’ATP. On remarque qu’ils font partie de la
chaîne des transporteurs d’électrons.
On observe aussi la sortie d’un GTP dont la structure ressemble à celle de l’ATP. Il est d’ailleurs très facilement transformé en ATP.
Ø Condensation
de l’acide oxaloacétique avec l’Acétyl–CoA :
Il s’agit d’une
condensation aldolique suivie par une hydrolyse catalysée par la Citrate
synthétase. La réaction présente une molécule intermédiaire entre la
condensation et l’hydrolyse : la citrileCoA. C’est cet intermédiaire qui
crée la force motrice de la formation du citrate.
Ø Isomérisation
du citrate en iso–citrate :
Elle permet au
citrate de subir la décarboxylation oxydative. Elle se déroule en 2
étapes :
-
Déshydratation
(élimination d’un –OH),
-
Hydratation
(ajout d’un –OH) sur un autre carbone.
L’isomérisation est catalysée par l’Aconitase et présente une molécule intermédiaire : la Cis–aconitase.
Ø Oxydation
et décarboxylation de l’iso–citrate en a–cétoglutarate :
Il s’agit de la
1ère oxydation du cycle. Elle est catalysée par l’Iso–citrate
déshydrogénase et présente une molécule intermédiaire :
l’oxalosuccinate qui va rapidement perdre un CO2 pour
former a–cétoglutarate.
La plus part des
déshydrogénases travaillent avec le NAD+ /NADH+H+. Il existe 2
types de déshydrogénases :
-
Travail
avec NAD+ dans les mitochondries,
-
Travail
avec NADP+ dans le cytoplasme et un peu de
mitochondries.
Régulation :
-
Stimulation
par ADP,
-
Inhibition
par l’ATP.
Les dépenses
d’énergie par l’organisme se fait par la déphosphorylation de l’ATP en ADP.
La présence donc d’ADP signale une consommation d’énergie qui active le cycle. Il y aura alors phosphorylation d’ADP pour régénérer l’ATP.
Ø Décarboxylation
oxydative de l’a–cétoglutarate :
a–cétoglutarate + CoA + NAD+ Þ
Succinate_CoA + CO2 +
NADH+H+
" forte
ressemblance avec :
pyruvate +
CoA + NAD+ Þ Acétyl_CoA
+ CO2 +
NADH+H+
On observe d’ailleurs
les mêmes cofacteurs…
-
TPP,
-
Lipoamide,
-
CoenzymeA,
-
FAD,
-
NAD+.
…
et le même genre système de complexe enzymatique, ici le complexe de la Succinyl_CoA_synthétase avec
:
-
L’a–cétoglutarate
déshydrogénase : A’,
-
La
Transsuccinylase : B’,
-
La
Dihydrolipoyl déshydrogénase : C’.
Elle se déroule
aussi en 4 étapes.
§ 1ère étape :
Il s’agit d’une
décarboxylation : il en résulte la formation d’un a–succinaldéhyde
(et l’élimination d’un CO2 )
§ 2ème étape :
Il s’agit d’une
oxydation par l’acide lipoïque : il en résulte la formation d’une liaison
acyl–thiol entre l’acide lipoïque réduit et le radical succinyle.
§ 3ème étape :
Le radical
succinyle est transféré sur le CoenzymeA (CoA~SH) Il en
résulte la formation du Succinyl_CoA.
§ 4ème étape :
La réaction se
termine par la ré–oxydation de l’acide lipoïde par le NAD et la transformation du
Succinyl_CoA en Succinate.
Ø Régénération
de l’oxaloacétate par oxydation du succinate :
Elle se déroule
en 3 étapes.
§ 1ère étape :
Il s’agit d’une
oxydation catalysée par la Succinate déshydrogénase qui travaille avec
la FAD. Elle fait partie de la membrane interne de la mitochondrie (les autres
enzymes sont dans la matrice) et elle est directement liée à la chaîne de
transporteurs d’électrons.
Elle contient 4
atomes de Fer et 4 atomes de Sulfure inorganique.
Le FADH2 produit ne se
dissocie de l’enzyme : il reste fixé par une liaison covalente. Les 2
électrons du FADH2 sont transférés
directement sur les atomes de Fer de l’enzyme. L’accepteur final sera
l’Oxygène.
§ 2ème étape :
Il s’agit d’une
hydratation du furamate catalysée par une enzyme spécifique qui forme du malate
de conformation lévogyre uniquement.
§ 3ème étape :
Il s’agit d’une oxydation
avec comme accepteur d’Hydrogène : le NAD+.
Ø Bilan
stoechiométrique :
-
2
atomes de Carbone entrent dans le cycle par l’Acétyl_CoA,
2 atomes de
Carbone (différents de ceux qui sont entrés) sortent sous forme de CO2.
-
4
paires d’Hydrogène quittent le cycle lors de l’oxydation.
-
2
molécules d’eau sont consommées.
-
3
ATP sont formés par 1 NADH+H+,
2 ATP sont
formés par 1 FADH2,
1 ATP est formé
par 1 GTP,
Le cycle de
Krebs est strictement aérobie (même si l’O2 moléculaire
n’intervient pas à ce niveau) contrairement à la glycolyse qui peut fonctionner
en condition anaérobie.
v Le cycle de Krebs :
source de processus biosynthétiques :
La cellule va
puiser dans des éléments du cycle pour former d’autres molécules ; par
exemple, le Carbone des porférines proviennent du Succinyl_CoA. Également,
beaucoup d’acides aminés vont être former à partir du a–cétoglutarate.
Le cycle est à
l’origine de beaucoup de biosynthèse et il doit être réapprovisionné en
conséquence. Il faut de l’oxaloacétate car l’Acétyl_CoA ne peut entrer
directement dans le cycle qu’en se condensant en oxaloacétate par la
carboxylation à partir du pyruvate (catalysée par la pyruvate carboxylase) Il
s’agit d’une réaction anaplérotique (= réaction de réapprovisionnement de
l’oxaloacétate)
v Le contrôle du
complexe pyruvate–déshydrogénase :
Ø Régulation
autour du cycle de Krebs :
Chez les
animaux, il est impossible de convertir l’Acétyl_CoA en glucose. L’engagement
des atomes du glucose (le pyruvate vient du glucose) se fait vers 2 voies
potentielles :
-
La
production concomitante d’Acétyl_CoA,
-
L’incorporation
dans les lipides.
Cela nécessite
donc une régulation fine.
Il y a 3 types
de mécanismes régulateurs :
-
Inhibition par les produits (Acétyl_CoA,
NADH, le coenzyme A) de la Transacétylase.
-
Rétro–inhibition par les nucléotides (ATP–ADP) qui
correspond par la charge énergétique de la cellule (le phosphate est riche en
énergie)
La charge
énergétique s’exprime :
[ATP]
+ ½
[ADP]
[ATP] +
[ADP] + [AMP]
Et va de 0 (où
il n’y que de l’AMP) à 1(où il n’y que de l’ATP) La moyenne biologique est de 0,8 à 0,95.
Les travaux
d’Atkinson :
les voies métaboliques génératrices d’ATP sont inhibé par concentration élevée
d’ATP (= charge électrique importante) et stimulée à l’inverse.
La composante
pyruvate–déshydrogénase est inhibée par la GTP et activée par AMP.
" Ce sont des
activateurs halostériques.
-
Régulation par modification covalente :
" Le complexe
devient inactif lorsqu’un résidu sérine de l’enzyme est phosphorylé par ATP sur
un groupement OH.
La désactivation
de l’enzyme par phosphorylation augmente lorsque l’on a :
-
Une
charge énergétique élevée,
-
Un
rapport Acétyl_CoA / Coenzyme A élevé,
-
Un
rapport NADH+H+ / NAD élevé.
L’activation de
l’enzyme par déphosphorylation augmente lorsque l’on a :
-
Un
taux élevé de pyruvate
Le groupement
phosphoryle est hydrolysé par une phosphatase spécialisée.
Þ Tout ça régule
autour du cycle de Krebs.
Ø Régulation
dans le cycle de Krebs :
-
La synthèse de citrate : l’ATP se
comporte comme inhibiteur halostérique de la citrate–synthétique.
-
L’iso–citrate déshydrogénase : l’ADP se
comporte comme activateur halostérique de la citrate–synthétique.
" Il y a une
augmentation ou une diminution de l’activité de l’enzyme par les substrats.
-
L’a–cétoglutarate
déshydrogénase : l’inhibition se fait par les produits de la
réaction (Succinyl_CoA et …)
" Il y a une
diminution de l’activité de l’enzyme avec une charge énergétique élevée.
L’entrée
d’éléments à
Comment
l’arrachement des électrons dans le cycle permet–il la formation d’ATP.
v Introduction :
Le NADH+H+ et le FADH2 sont formés
dans le cycle de Krebs, lors de la glycolyse et lors d’oxydation d’acides gras.
Ces molécules
sont riches en énergie parce qu’elles contiennent 1 paire d’électrons à fort
potentiel et leur transfert à un Oxygène moléculaire libère une grande quantité
d’énergie.
La
phosphorylation oxydative est un processus de formation de l’ATP quand les
électrons sont transférés à un O2. Il s’agit
d’une source d’ATP pour les organismes aérobies.
32 des 36
molécules d’ATP de la décarboxylation du glucose sont issus plus
particulièrement de la phosphorylation oxydative. Cette dernière est effectuée
dans les complexes respiratoires localisés dans la membrane interne des
mitochondries.
La mitochondrie
est un très bon exemple de relation entre la structure et la fonction : si
on désorganise sa structure, la mitochondrie perd sa fonctionnalité.
La voie
d’oxydation des acide gras et le cycle de Krebs se passent dans la matrice adjacente.
L’oxydation du
NADH+H+ entraîne la formation de 3 ATP.
L’oxydation du
FADH2 entraîne la formation de 2 ATP.
9 Ces processus sont couplés.
L’ensemble
respiratoire contient des transporteurs d’électrons tel que le Cytochrome. Le
transfert des électrons à travers ces transporteurs se fait étape par étape
pour « saucissonner » l’énergie. Sans ce saucissonnage, l’énergie
serait trop importante.
L’ensemble
respiratoire conduit au pompage de protons hors de la matrice mitochondriale et
à la création d’un potentiel de membrane (= force protomotrice)
Ces protons sont
pompés à 3 niveaux de ces complexes.
L’ATP est
synthétisé lorsque ces protons refluent ver la matrice mitochondriale via un
complexe enzymatique qui consiste en un canal.
v Les mitochondries, siège de
la phosphorylation oxydative :
Il s’agit
d’organites de forme ovale, dont la largeur est de 3 µm et le diamètre
de 2,5 µm. Elles sont de vraies usines à
énergie.
Chez les animaux
hibernants, on observe que les mitochondries sont ratatinées, avec très peu de
crêtes, très peu développées.
Travaux d’Albert
Lehninger, 1940 :
Les
mitochondries contiennent des enzymes d’oxydation d’acides gras, des enzymes
d’acides citriques et des enzymes entrant dans les processus respiratoires.
Georges Palade,
Tritjof et Sjöstrand :
Ils ont étudié la mitochondrie sous microscopie électronique. Ils découvrent que la mitochondrie est constituée de 2 systèmes membranaires :
-
La
membrane externe,
-
La
membrane interne très ample et repliée en crêtes.
Et de 2
compartiments :
-
Le
compartiment inter–membranaire,
-
La
matrice entourée par la membrane interne.
L’ensemble
respiratoire fait partie intégrante de la membrane interne. La membrane externe
est très perméable à la plus part des petites molécules et ions, contrairement
à la membrane interne qui est pratiquement perméable à tous les ions et
molécules non chargées. Il existe alors un vecteur protéique spécifique pour le
transport d’ADP et d’acides gras longs à travers la membrane interne.
v Rappel dur le potentiel
d’oxydoréduction :
Couple
Redox : AOxydé
+ 2 eˉ Þ ARéduit
Il y a l’existence d’un potentiel Redox mesurable en utilisant des ½ cellules.
AOxydé
+ BRéduit
Þ ARéduit
+ BOxydé
La variation de
potentiel standard : DE’0 = E’0 du
couple A
– E’0 du couple B
Le potentiel
standard est transféré seulement de la forme réduite d’un couple donné à la
forme oxydée d’un autre couple qui a une plus basse énergie des électrons.
La continuité électrique est produite par un pont d’agar (= gel)
Les électrons
vont de la ½ cellule d’échantillon à la ½ cellule de
référence (H+/H2) L’électrode de
l’échantillon est négative par rapport à l’électrode de référence qui a donc 0
Volt.
Un potentiel
Redox négatif correspond à l’affinité pour les électrons de l’échantillon plus
faible que H2.
Un agent fortement
réducteur comme le NADH+H+ a un potentiel
Redox négatif, alors qu’un agent fortement oxydant comme l’O2 a un potentiel
Redox positif.
Ø Différence
de niveaux de potentiel Redox dans la chaîne respiratoire :
½ O2 +
2 H+
+ 2 eˉ D H2O E’0 = +
0,82 V
NAD+ +
H+
+ 2 eˉ D NADH E’0 = –
0,32 V
DE’0 = E’0 du couple A – E’0
du couple B
= + 0,82 – (– 0,32) = +
1,14 V
v La chaîne des transporteurs
d’électrons :
Elle sert à
« saucissonner » l’énergie des électrons qui vont passer du NADH+H+ à l’O2 via des
transporteurs :
-
Flavines,
-
Complexes
Fe–S
-
Quinones,
-
Hèmes.
Ils se trouvent
liés à des protéines, à l’exception des quinones. On les considère comme des
groupes prosthétiques d’enzymes.
La 1ère
réaction se fait avec la NADH–Q réductase (ou déshydrogénase) qui est composée
de 16 chaînes polypeptidiques et consiste en des réactions enchaînées
d’oxydoréduction.
FMN :
Flavine Mono–nucléotide oxydée / FMNH2 : Flavine
Mono–nucléotide réduite
Fe3+ : Forme
oxydée du Fer / Fe2+ : Forme
réduite du Fer
Il existe 3
types d’oxydant Fe–S :
-
Fe–S :
1 atome de Fer coordonné de façon tétraédrique avec 1 sulfure inorganique et
les groupes SH de 4 résidus Cystéine de la protéine.
-
Fe2–S2 : 2 atomes
de Fer et 2 sulfures inorganiques de plus des 4 résidus Cystéine.
-
Fe4–S4 : 4 atomes
de Fer et 4 sulfures inorganiques de plus des 4 résidus Cystéine.
Dans la NADH–Q
réductase, il y a du Fe2–S2 et du Fe4–S4.
Les électrons
seront alors transférés à le Coenzyme–Q.
Le Coenzyme–Q
est un dérivé quinonique avec une longue chaîne isoprénoïde, appelée aussi
Ubinone avec une chaîne plus ou moins longue, parce qu’elle est ubiquitaire
(partout) dans le système biologique.
Chez les
Mammifères, le Coenzyme–Q contient 10 unités d’où Q10.
Sous la forme
réduite, il y a une fixation de 2 atomes d’Hydrogène.
La particularité
de ce transporteur est la présence de cette chaîne le rend fortement apolaire et
lui permettant de diffuser dans la membrane mitochondriale interne. Il n’est
pas lié de manière covalente à une protéine et est très mobile entre les Flavoprotéines
et les Cytochromes.
Les électrons
entrent par le NADH et par le FADH2, produits par
le cycle de Krebs. La FADH2 amène ses
électrons au niveau de la Succinate déshydrogénase.
Cette enzyme
appartient au cycle de Krebs et est liée à la membrane mitochondriale interne. Elle
est aussi un constituant du complexe Succinate Q réductase ; l’autre
constituant est une protéine Fe–S.
Les électrons
passent du FADH2 au sein de ce
complexe, puis au Coenzyme–Q10.
Il y a aussi des
électrons qui sont amener par la Glucéro_phospho_déshydrogénase ainsi que par
l’Acétyl_CoA déshydrogénase au niveau du métabolisme des acides gras.
Les
transporteurs entre le QH2 et l’O2 sont des Cytochromes
et on y trouve une protéine Fe–S. Un Cytochrome est une protéine transporteur
d’électrons composé d’un complexe héminique.
C’est l’atome de
Fer qui oscille entre un état ferreux 3+ et un état ferreux 2+ pendant le
transport d’électrons. Un complexe ferrique transporte 1 électron alors que les
autre complexes en transfèrent 2 : un complexe QH2 transfère 2
électrons dans 2 Cytochromes.
Il y a 5
Cytochromes présents entre le QH2 et l’O2 :
-
Les
Cytochromes–B et –C1 associés à une
protéine Fe–S sont les composants du complexe QH_Cytochrome–C_réductase.
-
Le
Cytochrome–C transfère les électrons de ce complexe sur le complexe
Cytochrome–C oxydase. Ce dernier contient les Cytochromes–A et –A3.
QH2 " Cytochrome–C Réduit
" Cytochrome–C + Fe–S
Détails :
QH2 "
Cytochrome–B "
Fe–S "
Cytochrome–C1 "
Cytochrome–C
$
Cytochrome–A
$
Cytochrome–A3
$
O2
Le Cytochrome–C
est une protéine extrinsèque et
hydrosoluble de la membrane. Le Cytochrome–C Réduit transfère ses
électrons sur le complexe Cytochrome–C oxydase. Le rôle du Cytochrome–C est
analogue au Coenzyme_Q qui est un analogue de Cytochrome–C mobile.
Le Cytochrome–A3 contient un
atome de Cuivre, et cet atome oscille entre la forme Cu2+ et la forme Cu+. La formation
de H2O fait intervenir 4 électrons
alors que les groupes héminiques ne transportent qu’un électron.
v Couplage oxydation –
phosphorylation :
" La théorie de
Mitchell (gradient de protons)
Il s’agit du
couplage entre la phosphorylation et l’oxydation par l’intermédiaire d’un
gradient de protons.
Le flux
d’électrons est un processus exergonique (= qui libère de l’énergie) :
NADH+H+ + ½O2 D H2O + NAD+
DG’0 = – 52,6 kCal.mol–1
La
phosphorylation est un processus endergonique (= qui nécessite de
l’énergie) :
ADP
+ Pi + H+ D ATP + H2O
DG’0 = + 7,3 kCal.mol–1
Ø Le
gradient de protons :
Il faut de l’ATP
synthétase mais cette enzyme n’est pas seule : le processus est réversible
et assuré par l’ATPase.
Il y a un
mouvement de protons à travers la membrane mitochondriale interne : depuis
la matrice vers l’espace inter–membranaire.
[H+] de
la face cytoplasmique augmente et [H+]MATRICE diminue.
Le transfert des
électrons à travers la chaîne respiratoire a pour effet de pomper des protons
de la matrice vers la face cytoplasmique de la membrane interne. Cela crée une
force protomotrice qui va forcer la synthèse d’ATP par un complexe ATPasique.
Les protons vont
être pompés au niveau de 3 sites lorsque les électrons vont s’écouler dans la
chaîne de transporteurs.
Ces 3 sites
sont : Le complexe de la NADH–Q
réductase,
Le complexe de la
Q–Cytochrome–C réductase,
Le complexe de la
Cytochrome–C oxydase.
3 molécules
d’ATP sont synthétisées par une paire d’électrons.
La différenciation
de potentiel d’oxydation–réduction entre le NADH+H+ et le
Coenzyme–Q est élevée.
§ Comment l’a–t–on découvert :
-
Si
on part du NADH+H+ comme substrat,
on forme 3 ATP et si on part du succinate, on obtient 2 ATP. En effet, le Coenzyme–Q
a un potentiel plus bas que celui du succinate.
-
Si
on part d’un substrat comme l’acide ascorbique (substrat artificiel), il est
oxydé parce que ses électrons entrent au niveau du Cytochrome–C, avec un
potentiel plus bas que le second site. Il y a formation d’un seul ATP.
= Nombre de phosphate inorganique, Pi, que la
cellule a ingérée sous la forme organique dans l’ATP par atome d’Oxygène
consommé.
= Index de phosphorylations oxydatives (dites
aussi corporatives)
Pour le NADH+H+ : P/O = 3
Pour le FADH2 : P/O = 2
Pour l’acide
ascorbique : P/O = 1
Du NADH+H+ au
Coenzyme–Q : DG’0 = –12,2
kCal.mol–1,
Du
Cytochrome–B au Cytochrome–C : DG’0 = –9,9 kCal.mol–1,
Du
Cytochrome–A à l’O2 : DG’0 = –23,8
kCal.mol–1,
Il faut au moins
un DG’0 = –7,3 kCal.mol–1 pour former une
mole d’ATP.
Les transferts
des électrons du Coenzyme–Q au Cytochrome–B et du Cytochrome–C au
Cytochrome–A libèrent des énergies trop faibles pour servir à la formation
d’ATP.
§ Inhibition du flux d’électrons :
-
Elle
se fait en des points particuliers et avec des inhibiteurs comme le Roténone ou
l’Amytal. Ceux–ci inhibe le transfert des électrons à l’intérieur du complexe
de la NADH–Q réductase (site I)
" Ces 2
inhibiteurs n’interfèrent pas avec l’oxydation du succinate.
-
Un
autre inhibiteur comme l’Antimycine A va bloquer le flux d’électrons entre le
Cytochrome–B et le Cytochrome–C1.
Il bloque alors
la synthèse d’ATP au niveau du cycle II et peut être contourné par l’ajout
d’ascorbate (ou vitamine A) Il s’agit d’un substrat artificiel qui va
directement réduire le Cytochrome–C1.
-
Le
cyanure va, quant à lui, bloquer le flux entre le Cytochrome–A3 et l’O2. la
phosphorylation de se fera pas.
De même, la
cyanide et l’oxyde de carbone vont inhiber le site III, la première par une
action sur la forme stérique et le second par inhibition de la forme ferreuse.
-
On
peut synthétiser in vitro des systèmes de vésicules contenant chacune un
seul site. Ce sont des vésicules phospholipidiques contenant de l’ATPase
et reconstituant les sites de pompages de protons.
L’addition d’un
substrat oxydable à ces vésicules conduit à la formation d’une force
protomotrice suffisante pour la synthèse d’un ATP par paire d’électrons.
Que se
passe–t–il quand on bloque l’un des sites ?
" Les
transporteurs à l’amont du blocage restent sous la forme réduite et tous ceux
qui sont à l’aval sous forme oxydée.
Ø Orientation
asymétrique des complexes transmembranaires :
C’est cette
particularité qui permet la formation d’un gradient de protons. Elle a été
découverte par une technique d’isolement par ultrason (la sonication)
causant la fragmentation des structures.
La surface
externe de ces fragments correspond à la surface matricielle de la mitochondrie.
Les 2 surfaces de la membrane interne sont accessibles (surface cytoplasmique
et surface matricielle)
On utilise
différentes approches pour déterminer les dispositions des composants
protéiques : utilisation d’enzymes protéolytiques (protéases),
d’antibiotiques spécifiques, de lectines (reconnaissance de polysaccharides) et
de marqueurs.
" Les sous–unités
2, 5 et 6 de la Cytochrome–C oxydase peuvent être marquées uniquement du coté
matriciel. La Cytochrome–C oxydase se lie directement au Cytochrome–C sur la
face cytoplasmique uniquement et la pompe à protons fonction dans une seule
direction.
Les 3 site de
conservation de l’énergie traversent la membrane interne et sont orientés de
façon asymétrique.
Au microscope
électronique, on observe l’existence de « projections F1 » à la
surface des fragments.
Si on traite ces
fragments par l’urée, les particules perdent leur projection F1. Ces particules
peuvent toujours transporter des électrons mais ne peuvent plus former de
l’ATP. Si on leur remet les projection F1, elles peuvent
de nouveaux assurer la synthèse d’ATP.
Les
transporteurs subissent une réduction et une oxydation mais au même moment.
À l’intérieur,
il y a formation de molécules H2O. À
l’extérieur, il y a un relargage des protons.
Ø Origine
des protons :
Une paire d’électrons va traverser la membrane plusieurs fois.
Lors de la
réduction, les transporteurs dont la réduction et l’oxydation implique une protonation
et une déprotonation (NADH+H+, FADH2, QH2) vont acquérir
des protons à partir de l’eau et du substrat à la surface matricielle de la
membrane interne.
Lors de
l’oxydation, ils vont libérer les protons à la surface externe et constituer
ainsi un gradient de protons.
Ø Synthèse
d’ATP :
Elle se fait
lors du retour des protons vers la matrice. L’enzyme responsable se présente à
la surface des mitochondries sous forme d’une protubérance sphérique de 45 Å
et de 60 kDa.
Dans les
mitochondries intactes, ces protubérances sont sur le coté matriciel de la
membrane interne. Elles peuvent être détachées par agitation mécanique, ces
fragments délétés vont pouvoir transférer des électrons mais plus synthétiser
de l’ATP.
Dans ces
sphères, il existe un facteur de couplage F1 qui a pour rôle
de catalyser la synthèse d’ATP. Quand F1 se trouve libre
dans une solution (sans gradient de protons), li se comporte comme une ATPase.
Il existe une
autre unité F0 qui correspond à un segment
hydrophobe de 4 chaînes et qui se comporte comme un canal protonique.
Il existe une
tige qui réunit F0 et F1. Elle est
constituée de plusieurs protéines dont une confère sa sensibilité à
l’oligomycine qui peut bloquer la synthèse d’ATP en interférant avec l’utilisation
du gradient de protons.
En traversant F0, du coté
cytoplasmique vers le coté matriciel, le flux de protons permet la synthèse
d’ATP au niveau de F1.
v Les systèmes de transports
mitochondriaux :
Ø Pénétration
des électrons de NADH+H+
cytoplasmique :
Les
mitochondries intactes sont imperméables au NADH+H+ et NAD+.
Or le NADH+H+ est formé
pendant la glycolyse (oxydation du glycéraldéhyde_3_phosphate) et le NAD+ doit être
régénéré pour que la glycolyse puisse continuer.
" Les électrons du
NADH+H+ sont alors transportés à travers
la membrane mitochondriale par le gycérol_3_phosphate qui traverse facilement
la membrane externe.
Pour cela, il
existe une navette du gycérlo_3_phosphate qui fonctionne en 2 étapes :
1ère
étape :
Il s’agit du transfert des électrons du NADH+H+ vers le
dihydroxyacétone_phosphate. Cette réaction a lieu dans le cytoplasme et met en
jeu une enzyme : le glycérol_3_phosphate déshydrogénase.
2ème
étape :
Il s’agit de la régénération du dihydroxyacétone_phosphate qui a mis en jeu une
déshydrogénase liée à la membrane interne : l’enzyme à FAD.
Le
dihydroxyacétone_phosphate diffuse à l’extérieur des mitochondries vers le
cytosol pour faire une boucle et compléter la navette.
NADH+H+ +
déshydrogénase à FAD " NAD+ +
Enzyme à FAD
cytoplasmique mitochondriale cytoplasmique mitochondriale
La flavine
réduite transfère ces électrons à la chaîne réduite (qui se fait au niveau des
la Coenzyme_Q)
Il y a la
synthèse des 2 ATP quand le NADH+H+ cytoplasmique
est transporté par le glycérol_3_phosphate.
Il y a 1 ADP
pour 2 électrons transférés.
Ce type de
navette est très actif dans un muscle en mouvement répété permanent (par
exemple le muscle du vol chez les insectes)
Il existe une
autre navette dans le cœur ou le foie : la navette malate–asparate. 2
électrons cytoplasmiques sont transportés avec la mise en jeu de 2 transporteurs
et 4 enzymes.
Les électrons du
NADH+H+ du cytosol sont transférés au
malate qui traverse la membrane mitochondriale interne. Puis il est réoxydé en
oxaloacétate.
Ce dernier ne
traverse pas facilement la membrane interne, donc il est transformé par transamination
en aspartate qui peut traverser cette membrane.
NADH+H+ +
NAD+ D NAD+ +
NADH+H+
cytoplasmique mitochondrial cytoplasmique mitochondrial
Cette réaction
est très réversible donc le transfert ne se fait que si le rapport NADH+H+/ NAD+ est plus élevé
dans le cytoplasme que dans la matrice mitochondriale.
Ø Entrée
d’ADP dans les mitochondries :
L’entrée d’ADP
nécessite la sortie d’ATP. Ces molécules ne diffusent pas librement, il faut
donc un vecteur spécifique.
Celui–ci assure
un couplage des flux d’ATP et d’ADP : l’ADP ne rentre que si l’ATP en sort
et vice–versa. Il s’agit d’un mécanisme de diffusion facilitée par un échange
qui met en jeu une ADP–ATP translocase (= enzyme formée de 2 sous–unités abondantes
dans la membrane mitochondriale interne)
L’ADP du coté
cytoplasmique de la membrane est transféré préférentiellement à l’ATP.
[ATP]
Le rapport [Pi] est 10 fois plus élevé sur le
coté cytoplasmique que sur le coté matriciel.
[ADP]
Ce transport est
dépendant du gradient de protons. La translocase peut être inhibée par des
agents comme l’astractyloside (de nature végétale) qui empêche l’entrée d’ADP
et arrête donc la phosphorylation.
Ø Le
transport des ions et métabolites :
En dehors des
transporteurs principaux pour les navettes, il existe de nombreux transporteurs
d’ions et de molécules chargées :
-
Les transporteurs dicarboxyliques : ils assurent la
diffusion facilitée par échange du malate, fumarate, succinate et du phosphate.
-
Les transporteurs tricarboxyliques : ils assurent la
diffusion facilitée du citrate.
-
Les transporteurs pyruvate : ils assurent la
diffusion facilitée par échange du pyruvate par échange avec des OHˉ.
-
Les transporteurs glutamate : ils assurent la
diffusion facilitée par échange du glutamate et de l’aspartate.
-
Les transporteurs d’ion Calcium Ca2+ : ils permettent
l’accumulation dans la matrice mitochondriale grâce à l’énergie la force
protomotrice (transport de protons)
v Bilan de l’oxydation
complète du glucose :
Le glucose est
complètement utilisé grâce à 36 ADP, 36 Pi, 36 H+, 6 O2 et donne 6 CO2, 36 ATP, 42 H2O.
32 ATP sur 36
sont formés par la phosphorylation oxydative.
Si on mesure la
variation d’enthalpie libre standard de l’oxydation du glucose :
DG’0 = –686 kCal.mol–1
Glucose + 6 O2 " 6 CO2 + H2O
Or, pour un
ATP : DG’0 = –7,3 kCal
Donc : 36 ATP x –7,3 kCal = 263 kCal
Cela présente un
rendement élevé : 263/686 = 38 % du
potentiel total est contenu dans la molécule de glucose.
v Régulation de la
phosphorylation :
La teneur en ADP
est un facteur qui assure le contrôle de la phosphorylation oxydative.
Les électrons ne
vont s’écouler des molécules énergétiques vers l’O2 que si de l’ATP
a besoin d’être synthétiser.
v Inhibiteurs de la
phosphorylation oxydative :
-
Inhibiteurs du transport d’électrons :
Exemples :
-
Amytal,
-
Antimycine
A,
-
Cyanure.
Il n’y a pas de création de force
protomotrice, donc pas de formation d’ATP.
-
Inhibiteurs de la phosphorylation oxydative :
Exemples :
-
Oligomycine.
L’inhibition se fait au niveau de la F1 en bloquant de
façon indirecte le transport d’électrons.
-
Agents découplants :
Exemples :
-
Inhibiteurs
cycliques comme la gramicidine ou la DNP.
Ils dissipent le gradient de protons en
permettant le transport d’électrons sans phosphorylation oxydative.
Ces agents
découplants sont utilisés comme moyen de produire de la chaleur pour maintenir
la température chez les animaux en hibernation, les nouveaux né et les animaux
vivants sur la banquise.
Les tissus
adipeux dits « bruns » sont très riches en mitochondries et
spécialisés dans le processus de thermogenèse car les acides gras agissent
comme découplants dans ce tissu.
La
normadrénaline contrôle la libération des acides gras. Le degré de découplage
de la phosphorylation dans ce tissu adipeux est sous contrôle hormonal.
Les
mitochondries servent de générateur ATP (comme des mini fourneaux)
Il existe des
cas rares en médecine de mécanisme de découplage :
" Une femme était
incapable de travailler longtemps. Elle présentait un fonctionnement thyroïdien
normale mais un métabolisme plus du double de la normale.
En fait, ses
mitochondries avaient une structure atypiques et n’étaient pas sous le contrôle
repisratoire. Le NADH+H+ oxydé est
indépendant de l’ADP présent.
Le rendement P/O
était supérieur à la normale et la plus grande part de l’énergie était
convertie en chaleur plutôt qu’en ATP.
v Introduction :
Pour former des
macromolécules relativement grosse comme l(ATP, il faut du pouvoir réducteur
comme le NADPH+H+.
Ce mécanisme a
été découvert par les chercheurs Arburg, Dickens, Upmann, Hurecker, Racker.
Mais les principaux chercheurs qui ont établi la voie de la glycolyse sont
Embden et Herverhof.
La glycolyse
exige l’aérobiose durant l’étape initiale et comporte une décarboxylation du
glucose.
Dans cette voie
métabolique, différents pentoses apparaissent.
Elle est dite
voie des pentoses (ou Shunt des pentoses, ou voie des hexoses mono–phosphatés
ou encore voie oxydative du phosphogluconate)
v Réaction de la voie des
pentoses :
Le point de
départ est le glucose_6_phosphate.
Sa fonction
pseudo–aldéhyde est dans un 1er temps oxydée en fonction acide.
Dans la levure
de bière, on a mis en évidence une enzyme respiratoire, la glucose_6_phosphate
déshydrogénase, qui a pour coenzyme le NADP+.
1ère
étape :
Il y a une
oxydation du glucose_6_phosphate qui donne un pseudo–aldéhyde : la
6_phosphogluconolactone.
Celle–ci est
ensuite hydrolysée en acide 6_phosphogluconique.
2ème étape :
Cet acide subit
une déshydrogénation par l’enzyme 6_phosphogluconate déshydrogénase.
" La
déshydrogénation porte sur le carbone 3 de l’acide 6_phosphogluconique.
Cela donne une
molécule intermédiaire : l’acide 6_phospho_3_cétogluconique.
Ce dernier est
ensuite transformé en un cétopentose : le ribulose_5_phosphate par
décarboxylation.
3ème étape :
Il y a une
transformation du ribulose_5_phosphate en ribose_5_phosphate sous l’action de
la phosphopentose isomérase.
Le
ribose_5_phosphate est un aldopentose qui sert dans l’élaboration des
nucléotides mais peut aussi être épimérisé en xylulose_5_phosphate.
Les enzymes
transcétolases et transaldolases :
C5 + C5 D C3 + C7
L’ose qui donne une partie à 2 ou 3 carbones est
toujours un cétone et l’accepteur est toujours un aldose
(par une transcétolase)
Les C3 et C7
(triose et septulose) peuvent être transformés en C6
et C4 par une transaldolase.
C5 + C4 D C3 + C6
Les molécules de fructose_6_phosphate (C6) peuvent ensuite être transformées en glucose_6_phosphate sous l’action d’une enzyme : la phosphohexo–isomérase.
v Bilan de la voie des
pentoses :
C5 + C5 D C3 + C7 D C6 + C4
C5 + C4 D C3 + C6
Cette série de réactions nécessite l’intervention de 3 molécules pentose_phosphates.
Le
triose_phosphate entre ensuite dans la glycolyse pour donner de l’acétyl_CoA
qui rentrera dans le cycle de Krebs.
Sous l’action de
l’aldolase, 2 triose_phosphates peuvent s’unir pour donner du
fructose_1,6_diphosphate.
Sous l’effet
d’une phosphatase, ce dernier se transforme en fructose_6_phosphate, qui peut
passer au glucose_6_phosphate grâce à la phosphohexo–isomérase.
6 H2O
6 hexose_P
+ 12 NADP+ " 12 NADPH2 + 2
triose_P + 4 hexose_P
+ 6 CO2 + PO4H3
H2O
2 triose_P " 1
hexose_P + PO4H3
7 H2O
1 hexose_P + 12
NADP+ " 12 NADPH2 + 6 CO2 + PO4H3
v Signification et intérêt
biologique de la voie des pentoses :
Le NADPH2 catalyse
beaucoup de réactions :
-
Synthèse
des acides gras, des stérols, des hormones, des stéroïdes,
-
Hydroxylation
(Phe en Tyr)
Cette voie n’est
pas génératrice d’énergie sous forme d’ATP, mais est utilisée par l’organisme
quand il existe une nécessité de réaliser des synthèses.
Le
pentose_phosphate est formé en excès quand un tissu a besoin d’une grande
quantité de NADPH2.
v Régulation de la voie des
pentoses :
Elle fournit du
NADPH en quantité suffisante. Elle se fit en 2 parties : l’une oxydative
et l’autre non.
La 1ère
réaction de la phase oxydative est presque irréversible. Le taux du NADP+ détermine la
régulation de cette réaction.
Le NADPH produit
entre en compétition avec le NADP+ dans les
liaisons aux enzymes.
" Le rapport NADP+/NADPH dans le
cytosol est égal à 0,014.
Il est beaucoup
plus faible que le rapport NAD+/NADH (= 700)
Il y a un effet
marqué du NADP+ sur la phase
oxydative qui permet d’assurer que la production de NADPH est étroitement
couplée à son utilisation dans la biosynthèse réductrice.
Régulation du
flux de glucose_6_phosphate :
La cellule a
beaucoup plus besoin de ribose_5_phosphate que de NADPH.
" La majeure partie du glucose_6_phosphate est
convertie en fructose_6_phosphate et en glycéraldéhyde par la voie de
glycolyse.
La transcétolase
et la transaldolase vont convertir 2 molécules de fructose_6_phosphate et une
molécule de glycéraldéhyde_3_phosphate en 3 molécules de ribose_5_phosphate par
l’inverse des réactions de la voie des pentoses.
Si les besoins
en NADPH et en ribose_5_phosphate sont à peu près équivalents :
" La réaction qui
prédomine est alors la formation de 2 NADPH et ribose_5_phosphate à partir de
glucose_6_phosphate par la phase oxydative de la voie des pentoses_phosphate.
G_6_P + 2 NADP+ + H2O "
ribose_5_P + 2 NADPH
+ 2 H+ + CO2
Si la cellule a
besoin de plus de NADPH que de ribose_5_phosphate :
" Le glucose_6_phosphate est complètement oxydé
en CO2.
3 types de
réactions interviennent :
-
2
NADPH et 1 ribose_5_phosphate sont formés dans la phase oxydative,
-
Le
ribose_5_phosphate formé est converti en fructose_6_phosphate et
glycéraldéhyde_3_phosphate.
-
Le
glucose_6_phosphate est resynthétisé à partir du fructose_6_phosphate et du
glycéraldéhyde_3_phosphate par la voie du gluconéogenèse.
6 G_6_P + 12 NADP+ + 6 H2O " 6
ribose_5_P + 12 NADPH
+ 12 H+ + 6 CO2
6
ribose_6_P " 4
fructose_6_P + 2 glycéraldéhyde_3_P
4 F_6_P + 2
glycéraldéhyde_3_P + H2O " 5 gluctose_6_P + Pi
G_6_P + 12 NADP+ + 7 H2O " 12
NADPH +
12 H+ + 6 CO2 + Pi
S’il y a
beaucoup plus besoin de NADPH que de ribose_5_phosphate :
" Ce dernier peut être converti en pyruvate, le
fructose_6_phosphate et le glycéraldéhyde_3_phosphate s’engagent dans la voie
oxydative.
Il y aura donc
une production simultanée d’ATP et de NADPH.
3 G_6_P + 6 NADP+ + 5
NAD+ + 5 Pi
+ 8 ADP
N
5 pyruvate + 6 CO2 + 6
NADPH +
5 NADH + 8 ATP
+ 8 H+ + 2 H2O
Remarque : Il y a un retour de NAD+ et d’ADP par la
voie de glycolyse.
1ers
précurseurs :
-
Les
acides pyruvique et lactique (intermédiaires de la glycolyse),
-
Les
oses (qui proviennent de l’alimentation : fructose, mannose, galactose),
-
Les
lipides et les protéines.
Certains tissus
consomment beaucoup de glucose : le cerveau utilise
La
néoglucogenèse implique des enzymes présentes dans le cytosol, sauf pour la
pyruvate carboxylase qui est dans les mitochondries et la glycosyl–phosphatas
qui se trouve dans le RE.
La voie
essentielle est la formation de glucose à partir de l’acide pyruvique (= sens
« inverse » de la glycolyse) Ce n’est pas exactement la réaction
inverse car la glycolyse est très favorisée (DG° » –20 kCal.mol–1)
Dans la
glycolyse :
Il y a 3 étapes
irréversibles qu’il faudra contourner dans la néoglucogenèse (si on veut
qu’elle soit thermodynamiquement possible)
Il s’agit des
étapes suivantes :
-
glucose +
ATP " glucose_6_phosphate + ADP
phosphofructose kinase
-
fructose_6_phosphate +
ATP " fructose_1,6_diphosphate + ADP
pyruvate kinase
-
phosphoénolpyruvate +
ADP " pyruvate
+ ATP
Dans la
néoglucogenèse :
j La
phosphoénolpyruvate va être formé à partir du pyruvate par l’intermédiaire de
l’oxaloacétate.
pyruvate carboxylase
pyruvate + CO2 +
ATP + H2O D
oxaloacétate + ADP
+ Pi + 2 H+
pyruvate
carboxylase
oxaloacétate
+ GTP D
phosphoénolpyruvate + GDP
+ CO2
pyruvate + ATP
+ H2O + GTP D phosphoénolpyruvate +
ADP + GDP
+ Pi + 2 H+
Cette réaction
est possible car DG° = +0,2
kCal.mol–1 alors que celle de la réaction
catalysée par la pyruvate kinase (glycolyse) est de +7,5 kCal.mol–1.
Il y a consommation d’une liaison phosphate riche en énergie.
k Le
fructose_6_phosphate est formé à partir du fructose_1,6_diphosphate par
l’hydrolyse de l’ester phosphorique porté en carbone 1.
fructose_1,6_diphosphatase
fructose_1,6_phosphate
+
H2O " fructose_6_phosphate + Pi
l
glucose_6_phosphatase
glucose_6_phosphate
+
H2O " glucose
+ Pi
Cette enzyme est
liée au RE et agit sur des substances du cytosol. Cette enzyme n’est pas
présente dans le cerveau et les muscles. Le glucose ne peut donc pas quitter
ces organes.
v Mécanisme de la pyruvate
carboxylase :
Cette enzyme
contient un groupement prosthétique : la biotine qui sert de vecteur
CO2 activé.
Le COOˉ
terminal de la biotine est lié à un résidu de lysine au niveau de la 2ème
fonction amine de cet acide aminé.
Cet dernier est
lié, à l’enzyme, par une longue chaîne flexible (semblable à la lipoamide dans
le complexe lipo–déshydrogénase)
1ère
étape :
Mg2+ liaison riche
en énergie
biotine–enzyme
+ ATP + HCO3 D CO2~biotine–enzyme
+ ADP + Pi
acétyl_CoA carboxybiotine
2ème étape :
Mn2+
CO2~biotine–enzyme
+ pyruvate D
oxaloacétate + biotine–enzyme
Bilan :
biotine–enzyme
+ CO2 + H+ D CO2 + biotine–enzyme
Le groupement
carboxyle es lié à l’atome N1 du cycle de la biotine.
Le clivage de CO2~biotine–enzyme
pour libérer un CO2 présente un DG° = –4,7 kCal.mol–1
La
carboxybiotine transfère le CO2 sur un
accepteur sans apport d’énergie libre supplémentaire.
La longue chaîne
entre la biotine et l’enzyme permet à la biotine de se tourner d’un site actif
de l’enzyme (site ATP_bicarbonate) à l’autre (site pyruvate)
v Régulation de la pyruvate
carboxylase :
La biotine n’est
pas carboxylée s’il n’existe pas d’acétyl_CoA liée à l’enzyme. La 2nde
réaction (= formation de l’oxaloacétate) n’est pas affectée par la présence
d’acétyl_CoA.
Le mécanisme de
contrôle physiologique est l’activation de type allostérique de la pyruvate
carboxylase.
Le produit de
cette réaction (oxaloacétate) est également un intermédiaire du cycle de Krebs.
" Un taux élevé d’acétyl_CoA indique un besoin
de plus d’oxaloacétate.
S’il y a un
excès d’ATP, l’oxaloacétate est consommé préférentiellement dans la
néoglucogenèse.
S’il y a un
défaut d’ATP, l’oxaloacétate est consommé préférentiellement dans le cycle de
Krebs par condensation avec l’acétyl_CoA.
La pyruvate
carboxylase joue également un rôle critique dans le maintient des
intermédiaires du cycle de Krebs.
Or, les
réactions du cycle de Krebs permettent aussi de puiser dans les intermédiaires
du cycle pour faire des synthèses.
" Ces intermédiaires vont devoir être
remplacés. Dans ce cas, le rôle de la pyruvate carboxylase est d’approvisionner
le cycle de Krebs (réaction anaplérotique)
v Transfert de l’oxaloacétate
dans le cytosol et se transformation un phosphoénolpyruvate :
La pyruvate
carboxylase est mitochondriale alors que les autres sont cytoplasmiques.
" L’oxaloacétate doit être transporté en dehors
de la membrane mitochondriale sous la forme de malate (navette malate)
-
À
l’intérieur de la mitochondrie, l’oxaloacétate est réduit en malate par une
malate déshydrogénase (qui a pour coenzyme le NADH),
-
Ensuite,
il est transporté par un vecteur à travers la membrane mitochondriale,
-
Il
est ensuite ré–oxydé en oxaloacétate par une autre malate déshydrogénase dans
le cytosol et qui a pour coenzyme le NAD+,
-
Puis,
il est décarboxylé et phosphorylé pour donner du phosphoénolpyruvate (PEP)
Oxaloacétate
+ GTP D PEP + CO2 + GDP
6 liaisons
phosphates riches en énergie sont utilisées pour la synthèse de glucose dans la
néoglucogenèse.
Tandis que
seules 2 molécules d’ATP sont produites dans la glycolyse (lors de la
conversion du glucose en pyruvate)
" Le prix supplémentaire à payer pour la
néoglucogenèse est de 4 liaisons phosphates (2 ATP et 2 GTP). Ces molécules
riches sont nécessaires pour contourner les réactions irréversibles et passer
de DG° = +20 à –9 kCal.mol–1
v Régulation réciproque de la
glycolyse et de la néoglucogenèse :
Une voie est
inactive lorsque l’autre est très active.
La glycolyse et
la néoglucogenèse sont toutes les 2 hautement exergoniques dans conditions
cellulaires.
Il n’y a donc
pas de barrières thermodynamiques à un tel cycle.
" Les activités des enzymes propres à chaque
voie sont contrôlées de telle façon que les 2 voies ne soient pas hautement
active en même temps.
Par
exemple :
-
L’AMP
stimule la phosphofructo–kinase tandis qu’il inhibe les la fructose_1,6_diphosphate phosphatase.
-
Le
citrate à l’effet inverse sur ces enzymes.
Conséquences :
La phosphorylation du fructose_6_phosphate (étape limitante de la glycolyse) est activée quand la charge énergétique de la cellule est basse.
À
l’inverse, le fructose_1,6_diphosphate est hydrolysé et la néoglucogenèse est
stimulée quand la charge énergétique est élevée et quand les intermédiaires du
cycle de Krebs sont abondants.
La
pyruvate–kinase et la pyruvate–carboxylase est réciproquement régulées.
" En effet, le fructose_1,6_diphosphate stimule
et l’ATP inhibe la pyruvate–kinase. Tandis que l’acétyl_CoA stimule et l’ADP
inhibe la pyruvate–carboxylase.
Le pyruvate est
donc converti est PEP et la néoglucogenèse est favorisée quand la cellule
hépatique est riche en molécules énergétiques et en ATP.
Lors de la
digestion, il y a un passage de glucose, fructose, mannose et galactose. Ces
oses pourront (dans le foie) être transformés en glucose.
Ils sont soit
dégradés, soit utilisés pour réguler la glycémie, soit stockés sous forme de
glycogène (glycogénogenèse)
Le foie est
capable de convertir les autres oses en glucose.
Le
fructose :
Il peut être
phosphorylé en présence d’ADP par l’hexokinase (enzyme avec une large
spécificité pour plusieurs oses) pour donner du fructose_6_phosphate.
Ensuite, il
subit une transformation en glucose_6_phosphate par la phosphoglucose–isomérase
(présente dans le foie et dans autres tissus)
Par ailleurs, en
présence d’ATP et de fructokinase spécifique, le fructose peut être estérifié
en fructose_1_phosphate.
Sous l’action
d’une aldokinase, le fructose_1_phosphate est coupé en 2 trioses :
-
Le
dihydroxyacétone_phosphate
-
Et
le glycéraldéhyde.
Il y a une
condensation de ces 2 trioses_phosphate pour former le
fructose_1,6_diphosphate.
Le
fructose_1,6_diphosphate est hydrolysé en fructose_6_phosphate par la
phophatase.
Ce
dernier est ensuite isomérisé en glucose_6_phosphate.
Résumé :
ATP ADP Glucose_6_P
E
Fructose Fructose_6_P
ATP
ADP Phospho_dihydroxyacétone
E Fructose_1,6_diP
Fructose_1_P
Phospho_glycéraldéhyde
#
ATP
Glycéraldéhyde
Le
mannose :
ATP Phosphomannose–isomérase
Mannose " Mannose_6_P D Fructose_6_P D Glucose_6_P
Le
galactose :
Un
dérivé nucléotidique du glucose intervient : l’uridine_diphosphoglucose (=
UDP_glucose)
Il
s’agit d’une forme active du glucose.
Galactose Galactose_1_P UDP_glucose
ATP ADP Phospho–galactose–uridyltransférase
Glucose_1_P UDP_galactose
Cette réaction
est utilisée pour vérifier le bon fonctionnement de la cellule hépatique.
Autres manières
d’obtenir du glucose :
-
Par
la dégradation de lipides ou d’acides aminés (mais ce n’est pas l’essentiel),
-
Surtout
la synthèse de glucose par la dégradation de composés glucidiques.
v Synthèse d’acides gras
saturés :
Il
s’agit de la formation de graisses par des protéines et de glucides (exemple du
gavage des oies)
Elle peut être réalisée dans la plupart des tissus mais surtout dans les tissus adipeux, la moelle osseuse, les poumons, les intestins et le foie (à activité plus réduite)
Le foie est le
siège principal de la dégradation des acides gras.
Le précurseur de
la biosynthèse des acides gras est une molécule à 2 carbones dérivant de
l’acétyl_CoA.
Observations
permettant cette hypothèse :
-
La
plupart des acides gras naturels ont un nombre paire de carbones ;
-
Si
l’on nourrit une levure avec de l’acétate comme seule source carbonée, elle est
capable de croître normalement ;
-
Si
l’on utilise des radioéléments pour marquer différents carbones du glucose,
seuls les carbones 1, 2, 5 et 6 du glucose sont retrouvés ensuite dans les
acides gras.
Or ce sont les
constituants des radicaux acétyliques qui forment l’acétyl_CoA ;
-
Si
l’on marque l’acide acétylique (C*H3—COOH ou CH3— C*OOH), il y a un carbone sur 2 qui est
marqué sur la longue chaîne des acides gras.
-
Klein
(1957) : Le CO2 est
indispensable à la biosynthèse des acides gras à partir de l’acétate.
-
Lymen
(1959) : La biotine est une
molécule indispensable.
-
Green
et Wakil (1960) : Mise en évidence,
dans les microsomes de foie, d’un système enzymatique respiratoire dans la
biosynthèse d’acides gras.
Différents
cofacteurs sont nécessaires :
-
ATP,
-
NADPH+H+,
-
Mn2+,
-
Biotine
(= vitamine H)
La biotine
intervient dans toutes les réactions où on a un CO2 actif qui
participe aux réactions de carboxylation intermédiaires.
ATP + biotine–protéine + CO2 " HOOC~biotine–protéine + ADP
+ Pi
HOOC~biotine–protéine +
substrat " biotine–protéine + CO2~substrat
Acétyl_CoA Malonyl_CoA
La biotine est
unie à la protéine enzymatique par l’intermédiaire d’une liaison amude entre le
groupement COOH de la chaîne latérale de la biotine et un groupement e–aminé (= 2ème
fonction amine des acides aminés basiques) d’un résidu lysine.
O O
||
||
C C
HN NH HOOC~N
| |
HC CH
| | =
carboxybiotine
H2C CH—(CH2)4—COOH
S
Hélice de
Wakil :
(inverse de l’hélice de Lymen = dégradation)
Synthèse du malonyl_CoA :
Son siège de la
biosynthèse dans les microsomes (cytosol) et non dans les mitochondries comme
la b–oxydation.
Il s’agit de la
fixation d’une molécule de CO2 sur une
molécule d’acétyl_CoA par l’acétyl_CoA–carboxylase.
" C’est l’étape de contrôle du cycle (comme
très souvent : la 1ère réaction du cycle)
L’enzyme existe
sous 2 formes :
-
Protomère
inactif (4 sous–unités de 4 000 Da)
-
Polymère
actif.
Chaque protomère a un site de fixation pour l’acétyl_CoA et pour l’isocitrate (=modulateurs allostériques)
En présence
d’isocitrate, les protomères s’assemblent et forment le polymère actif (4 000
Å de long et 100 Å de large)
Quand la
concentration en isocitrate devient faible, le polymère se désagrège en
protomère inactif.
Ensuite, un transporteur de radicaux acyles différents du Co_A est associé par une liaison phosphopanthéthéine à une protéine : l’ACP (= Acyl_Carrier_Protein)
Les radicaux
actifs vont être unis à l’ACP au niveau du SH de la phosphopanthéthéine par une
liaison thioester.
Transfert des
radicaux sur l’ACP :
" Activation du groupement CH2 du malonyl par
la molécule d’acétyl_ACP pour permettre la condensation du radical acétyl.
Dans la réaction
m, les réactifs
sont l’acétyl_ACP et le malonyl_ACP. On aurait pu y arriver avec 2 acétyl_ACP
mais l’équilibre est défavorable.
" Avec un malonyl_ACP, l’équilibre est
favorable.
La réaction de
condensation est favorisée par l’ATP même s’il n’agit pas directement.
L’énergie est libérée lors de la décarboxylation qui accompagne la formation de
l’acétoacyl_ACP.
Bien que le HCO3ˉ est
nécessaire à la synthèse d’acides gras, son atome de carbone n’apparaît pas
dans le produit.
Conséquence : Tous les atomes de carbones des acides gras
proviennent de l’acétyl_CoA.
L’acétoacétyl_ACP
est ensuite réduit (hydrogéné) par la b–cétoacyl–ACP–réductase.
Le butyryl_ACP
formé se condense avec une molécule de malonyl_ACP. On obtient alors un
acyl_ACP à 6 atomes de carbones.
Les cycles
continuent jusqu’à obtenir un C16 acyl_ACP.
La dégradation
du glucose peut intervenir :
-
Dans
la biosynthèse des acides gras, en étant génératrice de NADPH (voie des
pentoses)
-
Avec
l’acétyl_CoA dans la glycolyse.
La condensation
de l’acétyl_ACP avec la malonyl_ACP (accompagnée d’une décarboxylation est une
réaction irréversible.
C’est le facteur de sécurité pour la
cellule (=processus de synthèse irréversible) qui se fait au prix d’une
molécule d’ATP.
Les acyl_ACP
intermédiaires restent fixés au système enzymatique jusqu’à ce la synthèse
complète soit achevée.
Mécanisme de
dégradation (hélice de Lymen) :
Dans la
mitochondrie, il utilise le coenzymeA et le FAD et le NAD comme coenzyme de
réduction.
Mécanisme de synthèse (hélice de Wakil) :
Dans les
microsomes, il utilise l’ACP–SH comme transporteur et le NADP réduit.
On utilise
l’acétyl_CoA pour la biosynthèse des acides gras. Celui–ci se forme dans les
mitochondries :
-
Soit
par dégradation oxydative du pyruvate,
-
Soit
par dégradation de lipides,
-
Soit
en provenant des protéines.
j Clivage de l’acétyl_CoA en acétate et
CoA–SH :
L’acétate
diffuse à travers la membrane mitochondriale. Et dans le cytoplasme :
Acétate thiokinase
Acétate +
ATP + CoA–SH
" Acétyl_CoA
+ AMP + PP
k Formation du citrate par condensation
intra–mitochondriale d’acétyl_CoA avec l’oxaloacétate :
Le citrate
diffuse à travers la membrane mitochondriale. Et dans le cytoplasme, il va être
clivé en acétyl_CoA et oxaloacétate.
v Synthèse d’acides gras
insaturés :
Ø Acides
gras à une double liaison (= monénoïque) :
Exemples :
-
L’acide
palmitoléique : 9_C16 :
1
= 16 carbones
avec une double liaison au niveau du carbone 9.
-
L’acide
oléique : 9_C18 :
1
La double
liaison en 9 = double liaison cis D9–10
Chez les mammifères, la double liaison est faite par une enzyme oxygénase dans le foie et les tissus adipeux.
L’oxygénase sert
d’accepteur de 2 électrons et de 2 H+ provenant de
l’acyl_CoA (= substrat) et du NADPH2 (ou NADH2)
Palmitoyl_CoA
+ NADPH+H+ + O2 "
Palmitoleyl_CoA + NAD+ + 2 H2O
Stéryl_CoA
+ NADPH+H+ + O2 "
Oléyl_CoA + NAD+ + 2 H2O
Chez certaines
bactéries, il n’y ps d’utilisation d’O2.
Ø Acides
gras à plusieurs doubles liaisons (= poly–énoïques) :
Ils sont absents
chez les bactéries.
Chez les
mammifères, il y a des familles qui diffère par la chaîne de carbone.
Exemples :
-
L’acide
linoléique : 9,12_C18 :
2
-
L’acide
linolénique : 9,12,15_C18 :
3
-
Les
acides gras essentiels (= que l’on ne peut pas les fabriquer mais ils sont
apportés par l’alimentation)
-
L’acide
arachidonique : 5,8,11,14_C20 :
4
C’est
un médiateur des neuromessagers hormonaux dont la prostaglandine est issue de
cet acide gras via les cyclo–oxygénases.
Il existe :
-
Un
anti–inflammatoire qui bloque la synthèse de la prostaglandine en bloquant les
cyclo–oxygénases ;
-
Un
anti–inflammatoire de type I qui pose un problème car elle agit aussi sur
l’appareil gastrique ("
anti–inflammatoire de type II est mieux)
Les dérivés de
l’acide arachidonique sont des leucotrènes faits par la lipo–oxygénase.
Si on nourrit
des rats avec une carence en acides gras insaturés, les rats ont des problèmes
de croissance et de peau (rattrapés par un rapport d’acide arachidonique)
v Contrôle de la synthèse des
acides gras :
Ø Contrôle
à court terme :
La synthèse des
acides gras maximale quand le taux de glucides est grand et le taux d’acides
gras est faible.
La concentration
en citrate dans le cytosol joue le rôle de régulateur à court terme le plus
important en stimulant l’activité de l’acétyl_CoA–carboxylase (enzyme qui
catalyse la 1ère étape)
Le taux de
citrate est généralement élevé quand l’acétyl_CoA est l’ATP sont eux–même
abondants.
L’isocitrate–déshydrogénase
(du cycle de Krebs) est inhibée par une charge énergétique élevée.
" Donc, s’il y a un taux élevé de citrate, les
unités à 2 carbones et l’ATP sont disponibles pour la synthèse d’acides gras.
L’effet du
citrate est contre–balancé par le palmitate_CoA (abondant quant i y a un excès
d’acides gras)
Ce dernier
inhibe le vecteur qui transporte le citrate des mitochondries vers le
cytoplasme. Il inhibe aussi la production du NADH+H+ par la
glucose_6_phosphate–déshydrogénase (enzyme clé de la production du pouvoir
réducteur)
Ø Contrôle
à long terme :
Il s’agit du
contrôle de la vitesse de transcription et de traduction des protéines–enzymes :
c’est le contrôle adaptatif.
Exemple : Les animaux en jeûne puis en régime
particulier :
On observe un
taux d’acétyl_CoA–carboxylase et l’acides–gras–synthétase hépatique dans les
jours qui suivent la mise en place d’un régime riche en glucide et pauvre en
graisse.
" Le contrôle au niveau des gènes et des
enzymes.