METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE

CONVERSION ENERGETIQUE, NOTION DE COUPLAGE

INTRODUCTION

LA VIE CELLULAIRE NECESSITE DE L’ENERGIE…

• Pour synthètiser de nouvelles molécules (reactions

endergoniques)

• Pour amorcer le transport actif

• Pour un travail mécanique (division cellulaire, cyclose,

contraction musculaire)

• Pour maintenir le potentiel membranaire (pompe NaK)

• Pour la sécrétion cellulaire

• Pour produire de l’energie radiante (bioluminescence)• …

Premier principe de la thermodynamique

• “ l’énergie ne peut ni être créée ni être détruite, elle ne peut qu’être transformée ”

• Les êtres vivants sont capables de transformer l’énergie en ses différentes composantes, énergie chimique (ATP), travail, chaleur, etc., ce qui leur permet entre autres d’édifier et de maintenir une structure organisée...

• Autotrophe : source d’énergie = énergie solaire

• Hétérotrophe : source d’énergie = molécules organiques

VIE CELLULAIRE = TRAVAUX CELLULAIRES = NÉCESSITÉ D’ÉNERGIE

Energie chimique : Pouvoir réducteurNADPH, H+

Energie chimique : Equivalent énergétiqueATP, GTP,…

Energie osmotique : DµH+

Energie chimique

Molécules organiques

Notion de couplage énergétique

• Énergie existe sous plusieurs formes : – chimique– calorique– mécanique– osmotique– électrique– lumineuse

• Une réaction chimique n’a lieu que si elle est énergétiquement favorable

• Réaction exergonique : favorable, « libère » énergie

• Réaction endergonique : défavorable, nécessite nrj

Notion de couplage énergétique

• Couplage d’une réaction endergonique à une réaction exergonique

• Énergie peut changer de forme durant le couplage

• Bilan doit être exergonique : somme DG0’ doit être négative

• facteur de couplage : en général, une protéine

Couplage chimio-chimique

• Transfert d’énergie d’une molécule à une autre

• Hydrolyse de l’ATP est très exergonique : permet la réalisation de la plupart des réactions chimiques énergétiquement défavorable du métabolisme

Couplage osmo-chimique

• Gradient osmotique favorable utilisé pour produire une réaction défavorable = synthèse de l’ATP

Couplage chimio-osmotique

• Réaction hydrolyse ATP utilisé pour produire un gradient osmotique

Couplage osmo-osmotique

• Gradient osmotique favorable de Na+ permet pompage du glucose défavorable

• Le gradient favorable de Na+ à au départ été mis en place par la Na/K ATPase

B. Rôle central de l’ATP dans le métabolisme cellulaire

4 façons de faire de faire de l’ATP

• Photosynthèse

(chloroplastes)• Phosphorylation oxydative

(Mitochondries)• Glycolyse (cytosol)• Cycle de Krebs

(Mitochondries - GTP)

• Synthèse des macromolécules• Pompage ionique

(pompe Na/K)• Mobilité (amibes, spermato)• Contraction (muscles)• Production de chaleur

(frissonnement)• Endocytose, exocytose

Plusieurs façons de consommer de l’ATP

ATP

ADP + Pi

Respiration cellulaire

Structure de l’ATP

• L’ATP est constitué d’une base, dans ce cas une adénine, un ribose et une chaîne de phosphates.

• L’hydrolyse de l’ATP est une réaction très favorable (DG0’ = -30.25 kJ/mol (-7.3 kCal/mol))

• Favorable car : – Allège les répulsions

électrostatiques– Stabilise par résonnance

certaines liaisons entre P et O

– ADP est immédiatement ionisé

LA RESPIRATION CELLULAIRE ET SON CONTROLE

Respiration cellulaire ?

• réaction chimique d'oxydo-réduction qui fournit l'énergie nécessaire à une cellule pour fonctionner (sous forme d’ATP)

• Carburant : il s'agit du glucose, d'acides gras ou d'autres molécules organiques (acides aminés, corps cétoniques ,…)

• Comburant, le dioxygène

• Etape 1 : dégradation des macromolécules en composés + simple

• Etape 2 : formation d’acetyl-CoA

• Etape 3 : cycle de Krebs et phosphorylation oxydative

La glycolyse

• Dégradation du glucose en pyruvate

• 10 étapes dont 3 sont exergoniques donc irréversible

• Cytosolique chez eucaryotes

• La glycolyse se décompose en deux phases :– La phase préparatoire

qui consomme de l’ATP– La phase de

remboursement qui produit de l'énergie sous forme d'ATP.

Phase préparatoire

Phase de remboursement

Réaction irrervésible• L’étape 1 est irréversible car

hydrolyse de l’ATP permet formation G6P mais hydrolyse G6P ne permet pas synthèse ATP

• Pour néoglucogénèse, nécessité d’une autre enzyme (G6Pase)

• Idem 2 autres réactions productions ATP (hydrolyse ATP ne permet pas leur formation)

Contrôle de la glycolyse• La régulation de la glycolyse

est conditionnée par l’état énergétique de la cellule.

• Les principaux signaux qui vont déclencher le phénomène sont : – le rapport ATP/AMP– Le taux de citrate – le niveau de fructose 2,6-

bisphosphate fabriqué par le foie

Contrôle de la glycolyse

• Régulation au niveau transcriptionnel des différentes enzymes clefs de la glycolyse

Entrée des oses dans la voie glycolytique

La décarboxylation oxydative

• Matrice mitochondriale• Pyruvate deshydrogenase est un complexe

multienzymatique de grande taille

Entrée pyruvate dans mitochondrieMembrane externe:

porine (10,000)

Membrane interne: pyruvate translocase symport pyruvate/H+

• Complexe multienzymatique : – La pyruvate

décarboxylase (E1)– La dihydrolipoamide

acetyltransferase (E2)– La dihydrolipoamide

déshydrogénase (E3)

Contrôle de l’activité enzymatique

La beta oxydation des acides gras

• Beta oxydation permet synthèse énergétique en absence de sucres disponibles

• Produit acetyl-CoA qui peut entrer dans le cycle de Krebs

• Réaction cytosolique puis mitochondriale

Formation d’un acyl-CoA dans le cytosol

Transport acyl-CoA dans la mitochondrie via carnitine

• Liaison transitoire acyl à la carnitine pour le transport

• Libération dans la matrice et libération carnitine et reformation de l’acyl-CoA

Beta oxydation des AG

• Dégradation en 4 étapes

• Cyclique (hélice de Lynen)

• Formation de FADH2, NADH, acetyl-CoA et un acyl-CoA raccourci de 2C

Contrôle beta oxydation

• Contrôle par produit de la réaction (malonyl-CoA)

• Empêche formation acylcarnitine et donc pénétration des AG dans la mitochondrie

Contrôle hormonal libération TG

• Adrénaline permet libération des AG par lyse des TG

• Hausse AGL circulant dans le sang et disponible pour cellule

Devenir du pyruvate ?

• Voies cataboliques différentes selon : – L’organisme (levure,

plantes, bactéries)– Le tissu (muscle)– Conditions métaboliques

(aérobie vs anaérobie)

Cycle de Krebs

• Dans mitochondrie

• Débute par entrée dans le cycle de l’acetyl-CoA provenant de la glycolyse ou de la dégradation des AG

Contrôle cycle Krebs

La phosphorylation oxydative

Chaine de transport des électronsLes électrons extraits des

nutriments sont transférés par le NADH + H+ et la FADH2 aux protéines de la chaîne.

Les électrons sont acheminés à la prochaine molécule qui a plus d’affinité pour les electrons et ainsi de suite par cascade.

La dernière molécule cède ses électrons à l’O2 qui recueille une paire de protons dans le milieu aqueux et forme de l’eau.

Potentiel d’oxydo-réduction de quelques couples Redox

Transfert de H+

• Durant le transport des electrons, des H+ passent de la matrice vers l’espace intermembranaire mitochondriale

Découverte complexe F0-F1

= Complexe F0-F1

L’ATP synthétase, théorie chimio-osmotique de Mitchell

Hypothèse de Mitchel (1961)

• Le gradient de H+ permet la synthèse d’ATP par la mitochondrie

Rôle des SU F0 et F1

• Les particules F1 sont nécessaires à la fabrication d’ATP mais pas au transport des électrons

• F0 permet le transport des électrons

• F1 possède une activité ATPasique => SU F1 ATPase

Structure ATPsynthetase

• F1 - Matrice mitochondriale- Enzyme qui synthétise

l’ATP• F0

- Transmembranaire- Canal à proton

La membrane de la mitochondrie possède des complexes protéiques appelés ATP synthétases qui fabriquent l’ATP à partir de l’ADP et de phosphate inorganique.

L’ATP synthétase utilise le gradient électrochimique causé par les protons H+ de part et d’autre de la membrane mitochondriale interne.

Les H+ refluent à travers l’ATP synthétase pour retourner dans la matrice.

Lorsque les H+ passent, le complexe protéique produit une phosphorylation oxydative de l’ADP et forme de l’ATP.

En résumé …

Bilan l’oxydation complète d’une molécule de glucose

30, 32, 36, 38 ATP ?

• NADH+ cytosolique (Glycolyse) doit emprunter une navette pour rejoindre la matrice mitochondrial : – navette malate aspartate– navette glycerol phosphate (consomme 1 ATP)

• Les 2 NADH cytosoliques produisent donc 4 ou 6 ATP

• Bilan de l’oxydation complète d’une molécule de glucose = 36 à 38 ATP

30, 32, 36, 38 ATP ?• Le rapport P/O est le nombre d'ATP synthétisés par atome

d'oxygène réduit. On a longtemps considéré que le transfert de deux électrons du NADH à l'oxygène produisait environ 3 ATP, et que celui du FADH2 générait environ 2 ATP. Cependant, la valeur réelle de ce rapport n'est pas nécessairement un nombre entier et prête encore à discussion. En particulier, la translocation, c'est-à-dire l'échange d'un ATP sortant contre un ADP entrant, peut contribuer à ce que le rapport P/O soit un nombre fractionnaire : les valeurs adoptées par consensus sont 2,5 ATP par NADH oxydé et 1,5 ATP par FADH2 oxydé.

Une alternative à l’oxydation complète du glucose en aérobie ?

Fermentation éthanolique

• Principalement levures (organisme modèle)

• Intérêt économique de cette transformation (pain, bière, vin) = recherche importante

Fermentation lactique

• Principalement muscle mais aussi érythrocyte, rétine,…

• Voie anaérobie qui permet de pallier à un déficit de dioxygène

Utilisation de l’ATP dans la cellule musculaire

• ATP dans la cellule musculaire permet la contraction et donc le mouvement (voir cours physiologie humaine)

Réserve énergtique dans l’organisme

Réserve spécifique du muscle

• Muscles qui demandent beaucoup d’énergie possèdent réserves d’énergie sous formes de phosphagènes : composés qui peuvent produirent de l’ATP par transfert d’un groupement phosphoryl sur l’ADP

phosphocréatine

• Phosphate de créatine (ou créatine phosphate) est forme de réserve énergétique pour muscle

• Créatine synthétisé dans les cellules a partie d’AA

Catabolisme de la créatine

• Dédhydratation spontanée et continue en créatinine

• Créatininurie est proportionnel à la masse musculaire

Creatine kinase• Réaction réversible : si

[ATP] dans muscle élevé => stockage Pcréatine

• Réaction réversible car dans mitochondrie ou a lieu la réaction, l’ADP formée durant la réaction est rapidement transformé en ATP et disparait ce qui déplace l’équilibre

Réaction réversible : si [ATP] dans muscle élevé : stockage Pcréatine

Voie anaérobie alactique

• Dans le muscle– myokinase et créatine

kinase permettent de fournir rapidement de l’ATP ou muscle au début de l’effort physique.

Voie anaérobie lactique

Cycle des Cori : récupération du lactate

• Voie néoglucogénèse impossible dans muscle (pas les enzymes)

• Lactate diffuse via le sang vers foie qui produit alors glucose

• Glucose peut ensuite retourner dans tissus périphériques

métabolisme et thermogénèse

• Production chaleur principalement par le métabolisme

thermogénèse- Activité musculaire et

exercice physique- Contraction involontaire

des muscles (frisson)- Thermogenèse sans

frisson

Thermogénèse sans frisson• Activation du métabolisme

des graisses • Tissus spécialisés = tissus

adipeux brun • Très forte concentration en

mitochondries (donc en cytochromes)• Très nombreuses gouttelettes

lipidiques• Riche irrigation

• Activation par NA des terminaisons sympathiques

• NA stimule via AMPc la TG lipase

• Tissus adipeux brun est constitué d’adipocytes qui présentent forte teneur en mitochondrie (responsable de la couleur brune du tissus). Les lipides sont dispersés en gouttelettes.

• Stimulation du tissus adipeux brun chez le nouveau-né lors de la naissance (pas d’autres systèmes de résistance au froid, peu de réserve de graisse sous cutanée)

• Protéine découplante (thermogénine) découple oxydation et phosphorylation => production de chaleur sans production d’ATP