Catabolisme des molécules organiques lipides acides gras glucides glucose pyruvate acétyl-CoA cycle de Krebs C6 C4 C5 protéines acides aminés

La dégradation du glucose: la glycolyse glucose-6-P fructose-6-P fructose-1;6-diP ATP ADP ATP ADP Bilan de cette étape: consommation de 2 molécules d’ATP: (-2ATP)

ATP ADP + Pi EAU + La dégradation du glucose: structure de l’ATP adénine phosphates ribose ADP + ATP Pi EAU +

anciennement vitamine PP) La dégradation du glucose: structure du NADH + H+ adénine nicotinamide phosphates ribose acide nicotinique (niacine ou vitamine B3 anciennement vitamine PP) nicotinamide

La dégradation du glucose: la glycolyse - suite fructose- 1;6-diP phosphoglycér- aldéhyde diphospho- glycérate phospho- glycérate pyruvate NAD+ NADH+H+ Pi ATP ADP H2O ATP ADP Bilan de cette étape: production de 4 molécules d’ATP: (+ 4ATP) production de 2 molécules de NADH+H+: ( + 2NADH2)

La dégradation du glucose: la glycolyse – bilan provisoire pyruvate Bilan de la glycolyse: consommation de 2 molécules d’ATP: - 2 ATP production de 4 molécules d’ATP: + 4 ATP production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2 production de 2 molécules d’ATP: 2 ATP production de 2 molécules de NADH+H+: 2 NADH2

La dégradation du glucose: décarboxylation ou oxydation du pyruvate acétyl-CoA CO2 HS-CoA NAD+ NADH+H+ Bilan de l’oxydation du pyruvate: production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2

La dégradation du glucose: structure de la coenzyme A SH b-mercaptoéthylamine acide pantothénique (=vitamine B5) adénine CoA notation: CoA-SH ou HS-CoA ribose 3-phosphate

CO2 CO2 acétyl-CoA HS-CoA NADH+H+ NAD+ citrate malate H2O oxalate H2O La dégradation du glucose: cycle de Krebs acétyl-CoA HS-CoA H2O NADH+H+ NAD+ citrate oxalate malate H2O isocitrate H2O fumarate a-céto- glutarate NAD+ NADH+H+ succinate HS-CoA H2O succinyl- CoA CO2 FAD FADH2 Bilan de cette étape: + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 ATP NAD+ NADH+H+ HS-CoA ATP ADP + Pi CO2

La dégradation du glucose: structure du FAD/ H2 forme oxydée: FAD Forme réduite: FADH2 riboflavine ( vitamine B2) adénine phosphates ribose

La dégradation du glucose: localisation des voies métaboliques glucides cytosol ATP = phosporylation liée au substrat Le complexe enzymatique (la pyruvate déshydrogénase) responsable de l’oxydation du pyruvate est logé dans la membrane mitochondriale. ATP pyruvate glucose pyruvate cycle de Krebs C6 C4 C5 acétyl-CoA ATP mitochondrie

La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrie membrane externe membrane interne matrice crête mitochondriale espace inter- membranaire complexes ATP-synthétase mitoribosome ADN mitochondrial

La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrie 5 5

La dégradation du glucose: phospophorylation liée au substrat On voit que la glycolyse et le cycle de Krebs produisent une petite quantité d’ATP. Cet ATP est formé grâce au transfert enzymatique direct d’un groupement phosphate à partir d’un phosphate inorganique ou d’un substrat à l’ADP. Cette phosphorylation de l’ADP s’appelle phosphorylation liée au substrat.

La dégradation du glucose: exemples de phospophorylations liées au substrat ATP ADP pyruvate diphospho- glycérate phospho- H2O lors de la glycolyse HS-CoA H2O succinate succinyl- CoA ATP ADP + Pi lors du cycle de Krebs

La dégradation du glucose: bilan provisoire pour la dégradation d’une molécule de glucose GLYCOLYSE Bilan de la glycolyse: production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2 production de 2 molécules d’ATP: + 2 ATP OXYDATION DU PYRUVATE Bilan de l’oxydation du pyruvate: production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2 CYCLE DE KREBS Bilan du cycle de Krebs: production de 6 molécules de NADH+H+: + 6 NADH2 production de 2 molécules des FADH2; + 2 FADH2 production de 2 molécules d’ATP: + 2 ATP Bilan provisoire: glucose  6CO2 production de 10 molécules de NADH+H+: 10 NADH2 production de 2 molécules des FADH2; 2 FADH2 production de 4 molécules d’ATP: 4 ATP

chaîne de transport des électrons Chaîne respiratoire ou système de transporteurs d’électrons protéine contenant du Fe-S déshydrogénase flavoprotéique (=flavoprotéine) coenzyme Q cytochromes matrice mitochondrie chaîne de transport des électrons espace intermembranaire ATP synthétase

Chaîne respiratoire: principales oxydo-réductions et sites de couplage H2O NAD+ ½ O22- NADH+H+ FAD ½ O2 FADH2 2H+ H+ H+ H+ 2H+ 2e- 2e- 2H+ 2e- H+ H+ H+ 2H+ 2e- 2H+ 2e- H+ H+ H+ 2e- 2e- 2e- 2e- H+ H+ H+ H+ H+ H+ Au cours du transport des électrons à l’oxygène il y a translocation de protons de la matrice vers l’espace intermembranaire. Cette translocation se réalise en trois sites et fait intervenir des protéines fer-soufre. Dans une première étape, deux protons accompagnés de deux électrons sont arrachés du NADH2 pour passer sur la flavoprotéine (Fe-S) et ensuite sur la CoQ. Il faut noter qu’à ce niveau les deux atomes d’hydrogène ne sont plus transférés mais libérés dans la matrice et les électrons passent sur les cytochromes. ( Il faut donc deux systèmes cytochromiques pour deux électons !) Finalement les électrons réduisent l’oxygène qui se combine à deux protons pour former une molécule d’eau.

Chaîne respiratoire: phosphorylation de l’ADP La translocation des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire engendre un gradient électrochimique. Le retour des protons dans la matrice à travers la base hydrophobe des ATPases et leur pédoncule est responsable de la phosphorylation de l’ADP. Comme cette phosphorylation est liée à l’oxydation de l’hydrogène on parle de phosphorylation oxydative. H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ ATP-synthétase H+ ATP H+ ADP + Pi

Chaîne respiratoire: prinicipe de l’oxydo-réduction H2O 2H+ ATP Site I ADP+ Pi ADP+ Pi ½ O22- 2 a3 (Fe3+) substrat NAD+ FP-H2 CoQ 2 b (Fe2+) 2 c (Fe3+) 2 a (Fe2+) substrat oxydée FADH2 FAD NADH+H+ FP CoQ-H2 2 b (Fe3+) 2 c (Fe2+) 2 a (Fe3+) 2 a3 (Fe2+) ½ O2 ADP+ Pi ATP Site II ATP Site III DONC: Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATP Chaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP

La dégradation du glucose: localisation complète des voies métaboliques glucides cytosol ATP = phosporylation liée au substrat ATP = phosporylation oxydative ATP pyruvate glucose cycle de Krebs C6 C4 C5 ATP acétyl-CoA ATP mitochondrie

Il existe deux navettes: • Navette malate / aspartate La dégradation du glucose: les navettes mitochondriales Problème: Le NADH+H+ dans cytosol (produit lors des réactions de déshydrogénation de la glycolyse) ne peut pas franchir pas la membrane mitochondriale interne. Solution: NADH+H+ est oxydé en NAD+ pour céder l’hydrogène à des molécules “navettes” capables de traverser la membrane mitochondriale interne. Il existe deux navettes: • Navette malate / aspartate • Navette glycérol phosphate

La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate NAD+ NADH+H+ malate déshydrogénase cytosolique et mitochondriale oxalate malate

La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate mitochondrie NAD+ NADH+H+ oxalate malate malate NAD+ NADH+H+ oxalate Bilan: 1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne 1 molécule de NADH+H+ mitochondriale.

La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphate NAD+ NADH+H+ glycérophosphate déshydrogénase cytosolique phospho- dihydroxyacétone phospho- glycérate Le glycérol phosphate peut traverser la membrane mitochondriale externe.

La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphate CoQH2 CoQ glycérophosphate déshydrogénase mitochondriale phospho- dihydroxyacétone phospho- glycérate Au niveau de la membrane mitochondriale interne il y a oxydation du glycérol phosphate en PDHA avec transfert des électrons et H+ sur CoQ. La glycérophosphate déshydrogénase mitochondriale est en effet une flavoprotéine.

La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate mitochondrie 2H+ + 2é phospho- glycérate phospho- dihydroxyacétone Bilan: 1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne 1 molécule de FADH2 mitochondriale.

La dégradation du glucose en aérobiose: bilan énergétique définitif Bilan provisoire: glucose  6CO2 production de 10 molécules de NADH+H+: 10 NADH2 production de 2 molécules des FADH2; 2 FADH2 production de 4 molécules d’ATP: 4 ATP Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATP Chaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP Donc: glucose  CO2 équivalent de 10 molécules de NADH+H+: 30 ATP équivalent de 2 molécules des FADH2; 4 ATP production de 4 molécules d’ATP: 4 ATP production totale d’ATP 38 ATP C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP Remarque: Selon la navette utilisée une molécule de glucose va générer 36 ou 38 molécules d’ATP!

Respiration anaérobie: fermentation lactique glucose pyruvate lactate 2ATP 2ADP + 2Pi 2NAD+ 2NAD+ 2NADH2 2NADH2 conséquences: suite au faible rendement énergétique, le substrat est vite consommé, le pH du milieu décroît en plus le lactate est toxique ! mode de respiration en cas d’absence d’oxygène p.ex. dans les muscles des Mammifères après exercice physique prolongé Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation lactique): production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose

Respiration anaérobie: fermentation alcoolique glucose pyruvate acétaldéhyde éthanol 2ATP 2ADP + 2Pi 2CO2 2NADH2 2NAD+ 2NAD+ 2NADH2 mode de respiration en cas d’absence d’oxygène réservé à quelques rares microorganismes comme la levure p.ex.. des expériences récentes ont montré l’existence de la fermentation alcooliques chez la carpe en hibernation dans les fonds de vase pauvres en oxygène. conséquence: le taux d’alcool du milieu augmente; l’éthanol est toxique ! Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation alcoolique): production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose

Dégradation du glucose: bilans énergétiques et rendements C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP énergie libre d’une mole de glucose: DG = -686 kcal/mol énergie libre d’une mole d’ATP: DG = -7,3 kcal/mol énergie libre de 38 moles d’ATP: DG = -7,3 * 38 = -277,4 kcal rendement de la respiration: 277,4 / 686 = 0,404 ( = 40,4%) (à titre de comparaison: rendement d’une voiture: à peu près 25 %) A peu près 60 % de l’énergie libre contenue dans une mole de glucose est dissipée sous forme de chaleur. Une partie de cette chaleur est utilisée chez les oiseaux et le mammifères pour maintenir leur température corporelle élevée; le reste se perd par rayonnement, sudation ou autres mécanismes de refroidissement. rendement de la fermentation: 14,6 / 686 = 0,021 ( = 2,1%)

par respiration cellulaire anaérobie (< 1minute) Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire L'énergie mécanique de la contraction musculaire provient directement de l'énergie chimique (ATP). Pendant l'activité musculaire, la régénération de l'ATP se fait suivant 3 voies successives: par interaction de l'ADP avec la créatine phosphate: (< 10 secondes) par respiration cellulaire anaérobie (< 1minute) par respiration cellulaire aérobie (> 1 minute)

Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire 1. Au début d'une activité musculaire, l'ATP emmagasiné dans les muscles actifs est consommé en 6 secondes environ. Un système de production rapide d'ATP se met en place, en attendant que les voies métaboliques s'adaptent à la demande accrue d'ATP. L'ADP se couple alors à la créatine phosphate (créatine kinase), composé à haute énergie emmagasiné dans les muscles. Il en résulte un transfert presque instantané d'énergie et la formation d'une molécule d'ATP. Une puissance musculaire maximale peut ainsi être maintenue pendant 10 à 15 secondes (sprint sur 100 m). créatine phosphate

1. phosophocréatine ( < 15 secondes) Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire 1. phosophocréatine ( < 15 secondes) créatine kinase créatine phosphate créatine ADP ATP

Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire 2. Respiration cellulaire anaérobie : la glycogénolyse. Pour des exercices musculaires de plus longue durée, le glycogène musculaire doit être dégradé. Les réserves de glycogène du muscle sont transformées en acide lactique via le glucose-6-phosphate, avec production de 2 molécules d'ATP par molécule de glucose (faible rendement énergétique). La glycolyse anaérobie commence plus tardivement que la dégradation de la créatine phosphate (au maximum après 30 secondes) et produit de l'ATP 2,5 fois plus vite que la voie aérobie. Ainsi, lorsqu'il faut de grandes quantités d'ATP pendant de courtes périodes d'activité musculaire soutenue (30-40 secondes), la voie anaérobie en fournit une grande partie. Ensemble, les réserves d'ATP et de créatine phosphate et le système glycogénolyse-acide lactique peuvent entretenir une activité musculaire pendant presque une minute.

2. glycogénolyse avec respiration anaérobie ( < 1 minute) Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire 2. glycogénolyse avec respiration anaérobie ( < 1 minute) glycogène (>100 000 a-glucose) glucose-6-P pyruvate lactate

Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire 3. Respiration cellulaire aérobie : la phosphorylation oxydative du glucose et des acides gras.(> 1 minute) Pour que l'effort soit maintenu, il faut absolument qu'il y soit hydrolyse aérobie du glucose et des acides gras. Lors des contractions lentes ou au repos, la plus grande partie de l'approvisionnement en ATP est assurée par la respiration cellulaire aérobie, qui utilise l'énergie fournie par la dégradation des acides gras. Lorsque les muscles se contractent de façon plus soutenue, c'est le glucose qui devient la principale source d'énergie. Globalement, l'oxydation complète d'une molécule de glucose en CO2 et en eau fournit 38 molécules d'ATP (rendement énergétique élevé). C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP