Métabolisme Mots clés acétyl CoA, acide citrique, ADP, aérobie, anabolisme, anaérobie, ATP, ATP-synthase, catabolisme, chaîne de transport des électrons,

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1 Métabolisme Mots clés acétyl CoA, acide citrique, ADP, aérobie, anabolisme, anaérobie, ATP, ATP-synthase, catabolisme, chaîne de transport des électrons, coenzyme, cycle de Krebs, cytochrome, cytosol, dette d’oxygène, endergonique, exergonique, FAD, fermentation lactique, glucose, glycérol, masse isocalorique, mitochondrie, lactate, lacticodéshydrogénase, NAD, phosphorylation, pyruvate, respiration cellulaire, triglycéride Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

2 Objectifs Comprendre que extraction d’énergie à partir de la nourriture implique une série de réactions couplées Pouvoir décrire le rôle de l’ATP, du NAD+, et du FAD dans les réactions couplées Connaître les composés initiaux et finaux des grandes étapes de la respiration cellulaire Connaître la quantité d’énergie produite par chaque étape Comprendre le mécanisme de la phosphorylation oxydative et le fonctionnement de la chaîne de transport des électrons Comprendre comment la disponibilité d’oxygène affecte le rendement énergétique Comprendre comment les molécules autre que le glucose peuvent être utilisées comme source d’énergie Comprendre pourquoi il est avantageux de stocker l’énergie sous forme de lipide plutôt que sous forme de sucres simples ou complexes ou d’ATP Comprendre comment la respiration cellulaire peut être régulée Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

3 ATP et ADP CH 2 O OH N NH P O- - ADP L’addition d’un troisième groupement phosphate requiert de l’énergie. Cette énergie est libérée lorsque ce phosphate est enlevé. Conversions ADP - ATP sont le mécanisme principal de transfert d’énergie. CH 2 O OH N NH P - ATP Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

4 Cytosol ATP +2 +34 +0 (-2) Électrons transportés par 6 NADH et
2FADH2 Glycolyse 2 Pyruvate Glucose Cycle de Krebs ATP Chaîne de transport des électrons Électrons transportés par 2 NADH Cytosol Acétyl CoA Électrons transportés par 2 NADH +2 +34 +0 (-2) Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

5 Grandes étapes Glycolyse Pyruvate entre dans mitochondries
1 glucose=2 acide pyruvique +2ATP +2NADH Sous-étapes exergonique et d’autres endergoniques Dans le cytosol Les deux molécules de pyruvate contiennent encore la plupart de l’énergie Pyruvate entre dans mitochondries Acide pyruvique tranformé en Acétyl CoA (réaction de transition à la membrane externe de la mitochondrie) (produit NADH x2) Cycle de Krebs (acide citrique) dans la matrice Donne (CO2 +3 NADH+FADH2+ATP) x2 Phosporylation oxidative Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

6 Glycolyse Première étape du métabolisme des hydrates de carbone
Sucres simples sont dégradés en pyruvate Processus anaérobique: oxygène n’est pas requis Requiert glucose, 2 ADP, 2 ATP, 2 NAD+, 2 Pi, et 10 enzymes NAD+ =forme oxydée de nicotinamide adénine dinucléotide (une coenzyme) Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

7 Glycolyse: bilan glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
2 pyruvate + 2 NADH + 2 H2O + 4 ATP 10 enzymes Énergie nette 2 ATP Les deux molécules de pyruvate servent de substrat pour l’étape suivante Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

8 Réaction de transition
En conditions aérobies, le pyruvate est transformé en acétyl CoA en pénétrant dans la mitochondrie O || CH3-C-COO- + CoA-SH CH3-C-S-CoA + CO2 NAD NADH pyruvate déhydrogénase Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

9 Cycle de l’acide citrique (Krebs)
Série de réactions qui démantèlent l’acétyl CoA Les électrons et les atomes d’hydrogène sont envoyés à la chaîne respiratoire et éventuellement combinés pour produire H2O Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

10 Le cycle de l’acide citrique
acetyl CoA citrate oxaloacétate Un cycle en 9 étapes qui utilise l’acetate de acetyl-CoA et le transforme en CO2 cis-aconitate malate isocitrate fumarate -ketoglutarate succinate succincyl CoA 15

11 Transfert d’énergie dans le cycle de Krebs
citrate cis-aconitate isocitrate -ketoglutarate succincyl CoA succinate fumarate malate oxaloacétate acétyl CoA H2O CO2 + CO2 + Coenzyme A + Coenzyme A AdP FADH2 NADH ATP

12 Phosphorylation oxidative
Invention « récente » Membrane interne de la mitochondrie Produit 34 ATP par molécule de glucose Membrane externe interne Cristae Matrice Espace intermembranaire Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

13 Chaîne de transport des électrons
NADH transfère ses électrons à plusieurs intermédiaires et finalement à l’oxygène Cyanure, monoxyde de carbone et roténones bloquent ce transfert Énergie libre par rapport à O2 (kcal par mole) Cyanure Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

14 Chaîne de transport des électrons
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15 Synthèse ATP Intermédiaires pompent des ions H+ vers l’espace intermembranaire, créant un gradient Retour par des pores permet à ATP synthase de récolter cette énergie potentielle et de former de l’ATP (chimiosmose) Boyer et Walker, Prix Nobel de chimie 1997 Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

16 Rendement en ATP Nettement meilleur en présence d’oxygène
1 mole de glucose=686 Kcal d’énergie 1 mole d’ATP=7.3 Kcal d’énergie Respiration aérobique Fermentation 2 ATP 14.6 Kcal 38 ATP 277.4 Kcal Efficacité 2% Efficacité 40 % 18 X plus d’énergie ! Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

17 Et si il n’y a pas d’oxygène?
2 Acide pyruvique Glucose 2 Acide lactique 2 ADP + 2 Pi Glycolyse 2 ATP 2 NAD+ 2 NADH +2 H+ Mort pour la plupart des animaux Mais pour certains la respiration anaérobique permet d’obtenir de l’énergie Fermentation lactique: conversion de l’acide pyruvique en acide lactique (consomme 2 NADH: résultat net=2ATP) Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

18 Stockage d’énergie ATP Glycogène Graisses
109 molécules d’ATP dans cellule typique Remplacé en 1-2 minutes Glycogène Polysaccharide complexe dans le cytoplasme Réserve pour 1j chez les humains Graisses Masse isocalorique est 15% de celle du glycogène Réserve de 30j chez les humains Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

19 Glycogène Glycogène, un polymère de glucose qui sert de réserve d’énergie rapidement mobilisable (“amidon animal”) Équivalent à une journée de réserve d’énergie environ chez un adulte O c Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

20 Lipides comme source d’énergie
Lorsque la cellule contient beaucoup d’ATP Inhibition de la production d’ATP Acétyl-CoA sert à la biosynthèse d’acides gras Acides gras entreposés sous forme de triglycérides, surtout sous forme de gouttelettes dans cellules adipeuses Lorsque le besoin s’en fait sentir, les triglycérides sont hydrolysés dans le cytosol pour libérer des acides gras et le glycérol Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

21 Tissus graisseux Graisse brune Graisse blanche
couleur dûe au grand nombre de mitochondries spécialisée pour la production de chaleur contient un inhibiteur de la phosphorylation oxydative dissipe gradient protonique et convertit énergie chimique en chaleur  Graisse blanche spécialisée pour l’entreposage des lipides contient peu de mitochondries Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

22 Autres sources d’énergie
Polysaccharides Lipides Protéines Sucres simples Acides gras Acides aminés Pyruvate Acétyl CoA Phosphorylation oxydative ATP Cycle de l’acide citrique Glycolyse Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

23 Métabolisme Acétyl-CoA Pyruvate Polysaccharides Hexoses Pentoses
ATP ADP + Pi Polysaccharides Hexoses Pentoses Lipides Acides gras Protéines Acides aminés Cycle de l’acide citrique L’urée Urée CO2 Chaîne de transport des électrons Phosphorylation oxydative O2 e-

24 Catabolisme des acides aminés
Pyruvate Alanine, cystéine, glycine, sérine, threonine, trypotophane Leucine, tryptophane, isoleucine Acétyl CoA Oxaloacetate Arginine, glutamate, gluamine, histidine, proline Asparagine, aspartate Cycle de l’acide citrique ∂-Ketoglutarate Phénylalinine, tyrosine Isoleucine, methionine, valine Succinate Fumarate

25 Mécanismes de rétroaction
Inhibition Concentration élevée de produit arrête la réaction Régulation de la phosphofructokinase ADP et AMP activent l’enzyme Citrate inhibe l’enzyme Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

26 Sites web INTRODUCTION AU MÉTABOLISME KEGG Metabolic Pathways Le projet KEGG, qui est l’acronyme de Kyoto Encyclopaedia of Genes and Genomes, a pour but l’informatisation de la connaissance actuelle des voies métaboliques et régulatrices. Ces voies sont considérées comme des diagrammes représentant les liaisons entre les gènes, entre les protéines et entre les protéines et les gènes (Kanehisa 1997). KEGG incorpore la carte métabolique de Boehringer et une représentation graphique de plus de 100 voies métaboliques, dessinées manuellement. Tous les gènes d’enzymes sont identifiés par un numéro de code standardisé (EC number). Université d’Ottawa - Bio Les animaux: Structures et fonctions © Antoine Morin et Jon Houseman :03

27 Carte métabolique