CHMI 3226 F Biochimie II - Métabolisme Semaine du 27 septembre Structure et métabolisme des glucides 3. Cycle de l’acide citrique E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Destin du pyruvate En présence d’oxygène, le pyruvate issu de la gycolyse est dirigé vers le cycle de l’acide citrique; Chez les bactéries: dans le cytosol; Chez les animaux: dans la mitochondrie; Avant d’entrer dans le cycle de l’acide citrique, le pyruvate doit: 1. entrer dans la mitochondrie (si chez les animaux) 2. être converti en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Entrée du pyruvate dans la mitochondrie Traverse la membane externe via la porine, une protéine laissant passer les petites molécules (< 10,000 Da); Traverse la membrane interne via la pyruvate translocase, qui pompe un proton (H+) dans la matrice pour chaque pyruvate. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase Protéine géante: 5 MDa chez E. coli 9 MDa chez les mammifères Composée de plusieurs copies de 3 sous unités: E1: pyruvate deshydrogénase; E2: dihydrolipoamide acétyltransférase; E3: dihydrolipoamide déshydrogénase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase Structure: Cœur de 24 sous-unités E2 (a), recouvertes de 12 dimères E1 (bleu) et 6 dimères E3 (jaune) Cette structure permet de canaliser le substrat et les co-facteurs parmi les 3 enzymes; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase Co-facteurs: NAD+ Coenzyme-A (CoA-SH) Groupes prosthétiques: FAD (flavine adénine dinucléotide) Pyrophosphate de thiamine lipoamide E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Coenzyme-A (CoA) E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Flavine adénine dinucléotide (FAD) E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle de l’acide citrique E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle de l’acide citrique Pour chaque molécule d’acétyl-CoA entrant dans le cycle de l’acide citrique: Production de 2 CO2 Génération de plusieurs molécules riches en énergie: 1 ATP/GTP 3 NADH: chaque NADH donne 2.5 ATP 1 QH2(ubiquinone): Chaque QH2 donne 1.5 ATP Regénération de l’oxaloacétate Aussi: il faut au moins 2 cycles avant que les carbones d’une molécule d’acétyl-CoA soient transformés en CO2. Acétyl-CoA CO2 E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle de l’acide citrique Il faut faire au moins 2 tours du cycle avant que l’un des carbones de l’acétyl-CoA ne soit éliminé en CO2. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Le cycle du citrate est un point de convergence de plusieurs réactions métaboliques http://www.tcd.ie/Biochemistry/IUBMB-Nicholson/gif/01.html E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Première étape: Formation du citrate Implique la condensation de l’acétyl-CoA avec l’oxoloacétate; Catalysée par la citrate synthase Réaction irréversible: commet les carbones de l’acétyl-CoA à continuer dans le cycle. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Deuxième étape: Conversion du citrate en isocitrate Implique l’isomérisation du citrate: un groupe OH est déplacé du C3 au C2 de l’isocitrate. Ceci facilitera la réaction d’oxydo-réduction de l’étape enzymatique suivante. Catalysée par l’aconitase Réaction stéréospécifique: seul l’isomère 2R3S est formé. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Le mode d’action du poison à rat COO- CH2F C=O S-CoA HS-CoA Fluoroacétate (poison à rat) Oxaloacétate Citrate synthase HO-C-COO- CH2 Fluorocitrate CH-F Le fluoroacétate est l’ingrédient principal du poison à rat; Il est facilement incorporé dans les premières étapes du cycle de l’acide citrique, formant le fluorocitrate; Le fluorocitrate est un puissant inhibiteur de l’aconitase, empêchant la progression du cycle du citrate et diminuant considérablement la quantité d’énergie pouvant être produite par le catabolisme du glucose, d’où son effet toxique pour la cellule. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Troisième étape: De l’isocitrate en a-cétoglutarate Réaction d’oxydo-réduction; Catalysée par l’isocitrate déshydrogénase; Réaction métaboliquement irréversible; Conduit à l’élimination d’un CO2 et la production d’un NADH. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Quatrième étape: Conversion de l’a-cétoglutarate en succinyl-CoA Réaction d’oxydo-réduction (similaire à celle catalysée par la pyruvate déshydrogénase); Catalysée par l’a-cétoglutarate déshydrogénase Conduit à l’élimination d’un CO2 et la production d’un NADH. H+ E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cinquième étape: Conversion du succinyl-CoA en succinate Réaction de phosphorylation au niveau du substrat Catalysée par la succinyl-CoA synthétase Conduit à la production d’un GTP, lui-même converti en ATP via la nucléotide diphosphate kinase GDP, Pi Succinyl-CoA synthétase HS-CoA Succinate CH2 COO- C=O S-CoA GTP ATP ADP Nucléotide diphosphate kinase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cinquième étape: Conversion du succinyl-CoA en succinate E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Sixième étape: Conversion du succinate en fumarate Réaction d’oxydo-réduction; Catalysée par la succinate deshydrogénase (enzyme associée à la membrane interne de la mitochondrie); Conduit au transfert (via le FAD) de deux électrons à l’ubiquinone (Q), qui sera réduite (QH2); E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Septième étape: Conversion du fumarate en malate Réaction d’hydratation catalysée par la fumarase; Addition stéréospécifique d’eau en trans sur la liaison double du fumarate; Seulement le L-malate est produit. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Huitième étape: Conversion du malate en oxaloacétate Réaction d’oxydo-réduction catalysée par la malate déshydrogénase; Produit un NADH. Conduit à la regénération de l’oxaloacétate, prêt à initier un second tour du cycle; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Bilan énergétique partiel 1 NADH = 2.5 ATP 1 QH2 = 1.5 ATP E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Importance physiologique Deux types de fibres musculaires squelettique sont retrouvées: Fibres lentes (type I): P. ex: muscles responsables de la posture, du battement des ailes (muscles rouge) Contraction lente Ne se fatiguent pas rapidement Possèdent beaucoup de mitochondries Catabolise le glucose surtout par le cycle du citrate. Fibres rapides (type II) P.ex: biceps (muscles blanc) Contraction rapide Se fatiguent rapidement Possèdent peu de mitochondries Catabolisme du glucose surtout par glycolyse Fatigue musculaire: production de lactate par fermentation du pyruvate. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Importance physiologique Type I Type II Type I Type II E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation du cycle du citrate - Succinyl-CoA, NADH - ATP Citrate synthétase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase 1. Régulation par les réactifs E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pyruvate déshydrogénase 2. Régulation par phosphorylation Dichloroacétate (DCA) Contraction musculaire E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Isocitrate déshydrogénase Chez les mammifères et bactéries: régulation allostérique seulement: Inhibition: NADH Activation: Ca+2 (e.g. contraction musculaire), ADP Chez E. coli: régulation par phosphorylation: E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Réactions anaplérotiques Réactions permettant de fournir des intermédiaires du cycle du citrate à partir d’autres métabolites: Pyruvate carboxylase: importante chez les mammifères; PEP carboxylase: chez les bactéries et les plantes. Pyruvate + CO2 + ATP + H2O Oxaloacetate + ADP + Pi Pyruvate carboxylase Phosphoenolpyruvate + HCO3- Oxaloacetate + Pi PEP E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Réactions anaplérotiques La glutamine est l’acide aminé le plus abondant dans le sang; Source importante d’énergie chez les cellules cancéreuses (plus que le glucose) Glutamine + H2O Glutamate + NH4+ Glutaminase Glutamate + H2O + NAD+ a-cétoglutarate + NADH + NH4+ Glutamate déshydrogénase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Effet Warburg Observé par Otto Warburg au début du 20ième siècle; Contrairement aux cellules normales, les cellules cancéreuses ont une glycolyse très active, mais ne métabolisent que très peu le glucose via le cycle du citrate, et ce même en conditions aérobiques. Les carbones du glucose sont principalement dirigés vers la synthèse d’acides aminés et de lipides, qui sont en grande demande chez des cellules qui prolifèrent activement. De grandes quantités de lactate sont aussi produites (pourquoi?). La glutamine en a-cétoglutarate par les réactions anaplérotiques, permet de soutenir le cycle du citrate. Ceci fourni de l’ATP et d’autres métabolites/co-facteurs nécessaires pour la synthèse d’acides aminés et de lipides. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Effet Warburg ATP GLUCOSE LDH Glutamine Lactate Glucose-6 PO4 2G3P 2 ADP + 2 Pi 2 NAD+ 2 NADH 4 ATP 4 ADP 2 Pyruvate Acetyl-CoA Ala Transaminase Ser/Cys/Gly Pentose-PO4 Pathway Ribose NADPH NADP+ Fatty acids NADPH NADP+ Glutamine Citrate Isocitrate 2-oxoglutarate Succinyl-CoA Succinate Fumarate Malate Oxaloacetate 3 NADH 1 GTP 1 FADH NH4+ Glutaminase NH4+ Glutamate NAD+ NADH FAD+ FADH ATP Glutamate dehydrogenase

Effet Warburg L’effet Warburg est à la base de la tomographie par émission de positron (PET scan): les cellules cancéreuses incorporent beaucoup de 18F-déoxyglucose. Ce dernier ne complète pas la glycolyse car il ne possède pas de groupe OH sur le carbone 2. Les cellules cancéreuses accumuleront donc beaucoup de 18F-déoxyglucose, et seront facilement détectées par PET. 18F-déoxyglucose E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle du glyoxalate Version modifiée du cycle du citrate; Permet la production de glucose à partir d’acétyl-CoA; Présent seulement chez les bactéries, levures et plantes; Source principale de glucose dans les graines. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle du glyoxalate Isocitrate lyase Malate synthase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle du glyoxalate 1. chez les bactéries et levures Deux réactions permettent à l’acétyl-CoA de contourner partiellement le cycle du citrate: Isocitrate lyase: donne du glyoxalate et du succinate à partir de l’isocitrate; Malate synthase: synthétise du malate à partir du glyoxalate et de l’acétyl-CoA. Donc: les carbones de deux molécules l’acétyl-CoA ne sont pas perdus en CO2, mais incorporés dans la production nette de malate, un composé à 4 carbones; Le malate est ensuite acheminé vers la voie de synthèse du glucose; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cycle du glyoxalate 2. dans les plantes Les plantes possèdent une organelle cellulaire spéciale, le glyoxysome, où se produit le cycle du glyoxalate; Cycle particulièrement important dans les graines en germination; les huiles des graines sont dégradées pour produire l’acétyl-CoA; L’acétyl-CoA est ensuite utilisé par le cycle du glyoxalate pour produire le malate, qui est ensuite converti en glucose dans le cytosol; Le succinate est acheminé dans la mitochondrie pour être inclus dans le cycle de l’acide citrique, produisant de l’oxaloacétate. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010