Chapitre 16 : Introduction au métabolisme Métabolisme cellulaire Rappels de thermodynamique Rôle particulier de l’ATP Composés extrêmement riches en énergie Réactions d’oxydoréduction

Métabolisme cellulaire 1 Les réactions biochimiques dans la cellule sont à l’équilibre Les organismes vivants ne sont pas à l’équilibre Par le métabolisme l’organisme vivant consomme de l’énergie libre pour assurer différentes fonctions

Métabolisme cellulaire 2 Pour les êtres phototrophes l’énergie libre est fournie par le soleil grâce à la photosynthèse (CO2 + H2O --> glucides + O2) Les êtres chimiotrophes obtiennent leur énergie libre en oxydant des composées organiques provenant d’autres organismes phototrophes. L’énergie libre est le plus souvent utilisée pour la synthèse intermédiaire de composés phosphorylés riches en énergie tels que l’ATP.

Métabolisme cellulaire 3 Biomolécules Catabolisme (réactions exergoniques) Anabolisme (réactions endergoniques) Travail cellulaire Lumière Energie Matériaux de construction Déchets Aliments

Métabolisme intermédiaire Ensemble de réactions enzymatiques se déroulant à l’intérieur d’une cellule Voie métabolique : séquence de réactions permettant la synthèse ou la dégradation d’un composé Voies cataboliques : voies de dégradation; souvent productrices d’énergie (glycolyse, cycle de Krebs, ß oxydation) Voies anaboliques : voies de biosynthèse (gluconéogenèse, cycle de Calvin, acides gras etc…)

Métabolisme cellulaire 1 Chacune des réactions est catalysée par une enzyme propre Substrats, intermédiaires et produits sont appelés métabolites Environ 4000 enzymes sont connues Une simple bactérie contient entre 500 (Mycoplasma) et 5000 (Escherichia coli) gènes Un organisme eukaryote contient entre 6000 et 30 000 gènes, dont une grande partie avec une fonction encore inconnue

Catabolisme/anabolisme L’ATP et le NADPH fournissent l’énergie libre nécessaire aux réactions de biosynthèse. Ils sont formés au cours de la dégradation de métabolites complexes

Les voies métaboliques sont irréversibles Une réaction très exergonique faisant partie d’une voie à plusieurs étapes, impose le sens de déroulement de la voie et rend celle-ci irréversible. Par conséquence l’anabolisme et le catabolisme doivent emprunter des voies différentes A 1 2 Y X

Organisation des voies métaboliques Division en une série d’étapes élémentaires - une enzyme = une réaction élémentaire - chemin suit une “logique chimique” - certaines réactions sont possibles d’autres pas - meilleure récupération de l’énergie - utilité de cycles (cycle de Krebs, de l’urée, de Calvin, du glyoxylate)

Fonctions métaboliques d’organites d’eucaryotes

Rappel de thermodynamique Critère de spontanéité d ’une réaction : Variation d’énergie libre (de Gibbs) = ∆G ∆G < 0 réaction “exergonique” (thermodynamiquement possible) ∆G > 0 réaction “endergonique” thermodynamiquement impossible (à moins de fournir de l’énergie libre) ∆G = 0 équilibre thermodynamique

Rappel de thermodynamique ∆G = ∆ H - T∆S ∆H : variation d’enthalpie; chaleur reçue par le système ∆H > 0 : réaction endothermique ∆H < 0 réaction exothermique ∆S = variation d’entropie

Influence des [réactifs] sur la valeur de ∆G Pour un réactif “A” G = G° + 2,303 RT log[A] Avec G° = énergie libre standard R = constante des gaz parfaits Pour une réaction A + B C + D ∆G = ∆G° + 2,303 RT log [C][D]/[A][B] Avec ∆G° = variation d’énergie libre standard [Réactifs] = 1 M; Pression (gaz) : 1 atmosphère H2O = fraction molaire = 1; pH = 0 (∆G°) ; pH = 7 (∆G°’)

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ? Critère grossier, car les concentrations intracellulaires des réactifs sont très différentes de 1M Bon critère : ∆G Mais demande de connaître les concentrations intracellulaires de réactifs !

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ? Exemple : fructose-1,6-bisphosphate aldolase Fructose-1,6-P2 Glycéraldéhyde-3-P + dihydroxyacétone-P ∆G°’ = + 24 kJ/mol Mais [Fru-1,6-P2] ≈ 100 µM [Glycéraldéhyde-3-P] ≈ 5 µM [Dihydroxyacétone-P] ≈ 100 µM ∆G ≈ - 8.4 kJ/mol

Réactions proches et éloignées de l’équilibre thermodynamique Dans voies métaboliques réactions proches de l’équilibre thermodynamique (∆G ≈ 0 à - 2 kJ/mol) les plus fréquentes Régulation ”passive” : [substrats] et [produits] réactions éloignées de l’équilibre thermodynamique (∆G < - 8 kJ/mol) Étapes régulées Régulation par [substrats] et [produits] Régulation allostérique Régulation par modification covalente

Thermodynamique des composés phosphorylés Les processus endergoniques qui assurent le maintien en vie des organismes sont rendus possibles par les réactions exergoniques de l’oxidation des nutriments. Ce couplage dépend le plus souvent de la synthèse d’intermédiaires « riche en énergie ». L’ATP est une sorte de monnaie universelle d’énergie libre liaison pyrophosphate Réactions de transfert de groupement phosphoryle R1-O-PO32- + R2-OH R1-OH + R2-O-PO32- ATP + H2O ADP + Pi ATP + H2O AMP + PPi Pi= phosphate inorganique (PO43-) PPi= pyrophosphate (P2O74-) Structure de l’ATP montrant sa relation à l’ADP, l’AMP et l’adénosine

∆G d’hydrolyse de l’ATP ATP + H2O ADP + Pi ∆G°’ = - 29.2 kJ/mole ∆G ≈ - 55 kJ/mole si [ATP] = 5 mM; [ADP] = 0,1 mM; [Pi] = 5 mM ATP + H2O AMP + PPi ∆G°’ = - 32 kJ/mole ∆G ≈ - 84 kJ/mole si [ATP] = 5 mM; [AMP] = 10 µM; [PPi] = 1 µM

Détermination du ∆G°’ d’une réaction ∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B] À l’équilibre ∆G = ∆G°’ + 2,303 RT log [C][D]/[A][B] = 0 Donc ∆G°’ = - 2,303 RT log [C][D]/[A][B] On détermine la concentration des substrats et produits de la réaction lorsque celle-ci a atteint son équilibre thermodynamique et on calcule ∆G°’

Utilité des valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse Reflètent le contenu énergétique d’une liaison Permettent de calculer les valeurs de ∆G°’ de réactions de transfert de groupe

Rôle particulier de l’ATP comme monnaie énergétique Composé abondant dans la cellule (≈ 5 mM) Riche en énergie (∆G°’ = - 29.2 kJ) Utilisé par de très nombreuses enzymes Kinases (entre autres celles qui forment autres nucléotides) Ligases ATPases (transport, mouvement) Pouvant être formé à partir de composés ”super”-riches en énergie PEP (phosphoénolpyruvate), créatine-P, 1,3-bisphosphoglycérate par les phosphorylations oxydatives mitochondriales

Origine du haut contenu énergétique de l’ATP (des NTP) Plus grande stabilisation de résonance des produits d’hydrolyse Meilleure solvatation des produits Répulsion électrostatique des charges négatives dans ATP Formation par hydrolyse d’une fonction acide (qui s’ionise à pH neutre) Et cependant, l’ATP, “thermodynamiquement instable”, est “cinétiquement stable” (besoin d’enzyme pour catalyser son hydrolyse). NB - ATP essentiellement présent sous forme d’ATP-Mg

Valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse Métabolite ∆G°’ hydr kcal/mol Phosphoénolpyruvate - 14,8 1,3-bisphosphoglycérate - 11,8 Acétylphosphate - 11,2 Phosphocréatine - 10,3 Pyrophosphate - 8,0 ATP ( AMP + PPi) - 7,6 ATP (ADP + Pi) - 7,3 Glucose 1-phosphate - 5,0 Glucose-6-phosphate - 3,3 Glycérol-3-phosphate - 2,2 Extrêmement riches Riches Pauvres NB: Le ∆G d’une réaction varie en fonction des concentrations totales de ses substrat et ses produits et avec leurs états de ionisation (pH)

Transfert de groupements phosphoryle

Composés extrêmement riches en énergie Phosphoénolpyruvate - 61,9 1,3-bisphosphoglycérate - 49,4 Acétylphosphate - 43,1 Phosphocréatine - 43,1 PEP + ADP Pyruvate + ATP ∆G°’ = - 31,5 kJ/mol pyruvate kinase 1,3-P2G + ADP 3-phosphoglycerate + ATP ∆G°’ = - 18,9 kJ/mol phosphoglycérate kinase P-créatine + ADP créatine + ATP ∆G°’ = - 12,6 kJ/mol créatine kinase

Facteurs responsables du caractère « riche en énergie » des liaisons pyrophosphate Stabilisation par résonance Forces de répulsion électrostatiques Energie de solvation

La résonance est responsable du caractère « riche en énergie » des acyles phosphate R-CH2 - O-PO32- R-CH2-O-H + HOPO32- DG°’ ≤ 20 KJ/mol H2O O O R-CO~PO32- R-C-O-H + HOPO32- O-H Liaison d’haute énergie R-C=O DG°’ > 40 KJ/mol

Phosphagènes - Composés permettant de régénérer rapidement l’ATP (en particulier dans muscles) - Dérivés de la guanidine

Rôle de réservoir énergétique de la phosphocréatine P-créatine + ADP créatine + ATP ∆G°’ = - 12.6 kJ/mol Keq = [créatine][ATP]/[P-créatine][ADP] ≈ 100 1 Lors de contraction musculaire [ATP]/[ATP] + [ADP] 1 [P-créatine]/[P-créatine] + [créatine]

Réactions d’oxydoréduction Importance biosynthèses : souvent réductions biodégradations : souvent oxydations Réactions d’oxydo-réduction souvent productrices ou consommatrices de beaucoup d’énergie

Réactions d’oxydo-réduction Ared + Box Aox + Bred “Monnaie d’échange” : NAD+/NADH et NADP+/NADPH Calcul des ∆G des réactions d’oxydoréduction : à partir des valeurs de potentiel de réduction

Mesure de la force électromotrice Pile électrochimique : Fe3+ + Cu3+ <========> Fe2+ + Cu2+ Cu+ <-------------> Cu2+ + e- (oxydation) Fe3+ + e- <-------------> Fe2+ (réduction) Potentiel mesuré est la force électromotrice Point de référence : l'électrode de gaz d'hydrogène: 2H+ + 2e- <-------------> H2(g) Dans des conditions standard: [H+] = 1M (pH=0); H2(g) 1atm, 25°C

Valeurs de potentiel de réduction Demi-réaction 1/2 O2 + 2H+ + 2 e- H2O Cyt a3 (Fe3+) Cyt a3 (Fe2+) Cyt a (Fe3+) Cyt a (Fe2+) Cyt c (Fe3+) Cyt c (Fe2+) Cyt b (Fe3+) Cyt b (Fe2+) Ubiquinone + 2 H+ + 2 e- Ubiquinol Fumarate + 2 H+ + 2 e- Succinate FAD (lié) + 2 H+ + 2 e- FADH2 FMN (lié) + 2 H+ + 2 e- FMNH2 Pyruvate + 2 H+ + 2 e- Lactate Acétaldéhyde + 2 H+ + 2 e- Ethanol NAD+ + H+ + 2 e- NADH NADP+ + H+ + 2 e- NADPH Acétate + 3 H+ + 2 e- Acétaldéhyde E°’ (V) 0,82 0,39 0,29 0,25 0,22 0,10 0,03 ≈ 0 - 0,18 - 0,20 - 0,32 0,32 - 0,58 Bons oxydants Bons réducteurs

Relation entre potentiel oxydoréduction et ∆G Travail = charge x différence de potentiel ∆G°’ = - n F ∆E°’ “-” : parce que charge négative des électrons n = souvent 2, parce que deux électrons échangés F : constante de Faraday = charge d’une “mole” d’électron = 96,9 kJ/(Volt x mol) Oxydation du NADH par O2 NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O ∆E°’ = 0,82 V - (-0,32V) = 1,14 V ∆G = - 2 x 23,06 x 1,14 = 221 kJ/mol (soit de quoi synthétiser certainement 3 mol d’ATP)

Effet des concentrations de réactifs sur ∆E

Valeurs de potentiel de réduction Demi-réaction 1/2 O2 + 2H+ + 2 e H2O Cyt a3 (Fe3+) Cyt a3 (Fe2+) Cyt a (Fe3+) Cyt a (Fe2+) Cyt c (Fe3+) Cyt c (Fe2+) Cyt b (Fe3+) Cyt b (Fe2+) Ubiquinone + 2 H+ + 2 e Ubiquinol Fumarate + 2 H+ + 2 e Succinate FAD (lié) + 2 H+ + 2 e FADH2 FMN (lié) + 2 H+ + 2 e FMNH2 Pyruvate + 2 H+ + 2 e Lactate Acétaldéhyde + 2 H+ + 2 e Ethanol NAD+ H+ + 2 e NADH NADP+ H+ + 2 e NADPH Acétate + 3 H+ + 2 e Acétaldéhyde E°’ (V) 0,82 0,39 0,29 0,25 0,22 0,10 0,03 ≈ 0 - 0,18 - 0,20 - 0,32 0,32 - 0,58 Chaîne Resp. Succinate déshyd. Déshydro génases