METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE

1. METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE CONVERSION ENERGETIQUE, NOTION DE COUPLAGE

2. INTRODUCTION

3. LA VIE CELLULAIRE NECESSITE DE L’ENERGIE… • Pour synthètiser de nouvellesmolécules (reactions endergoniques) • Pour amorcer le transport actif • Pour un travail mécanique (division cellulaire, cyclose, contraction musculaire) • Pour maintenir le potentielmembranaire (pompeNaK) • Pour la sécrétioncellulaire • Pour produire de l’energieradiante (bioluminescence) • …

4. 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...

5. Autotrophe : source d’énergie = énergie solaire • Hétérotrophe : source d’énergie = molécules organiques

6. VIE CELLULAIRE = TRAVAUX CELLULAIRES = NÉCESSITÉ D’ÉNERGIE Energie chimique : Pouvoir réducteur NADPH, H+ Energie chimique : Equivalent énergétique ATP, GTP,… Energie osmotique : DµH+ Energie chimique Molécules organiques

7. 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

8. 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

9. Couplage chimio-chimique • Transfert d’énergie d’une molécule à une autre

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

11. Couplage osmo-chimique • Gradient osmotique favorable utilisé pour produire une réaction défavorable = synthèse de l’ATP

12. Couplage chimio-osmotique • Réaction hydrolyse ATP utilisé pour produire un gradient osmotique

13. 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

14. ATP ADP + Pi B. Rôle central de l’ATP dans le métabolisme cellulaire 4 façons de faire de faire de l’ATP Plusieursfaçons de consommer de l’ATP • Synthèse des macromolécules • Pompageionique(pompe Na/K) • Mobilité (amibes, spermato) • Contraction (muscles) • Production de chaleur • (frissonnement) • Endocytose, exocytose • Photosynthèse (chloroplastes) • Phosphorylationoxydative • (Mitochondries) • Glycolyse (cytosol) • Cycle de Krebs • (Mitochondries - GTP) Respiration cellulaire

15. Structure de l’ATP • L’ATP estconstituéd’une base, danscecasuneadénine, un ribose et unechaîne de phosphates.

16. 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

17. LA RESPIRATION CELLULAIRE ET SON CONTROLE

18. 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

19. Etape 1 : dégradation des macromolécules en composés + simple • Etape 2 : formation d’acetyl-CoA • Etape 3 : cycle de Krebs et phosphorylation oxydative

20. 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.

21. Phase préparatoire

22. Phase de remboursement

23. 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)

24. 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

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

26. Entrée des oses dans la voie glycolytique

27. La décarboxylation oxydative • Matrice mitochondriale • Pyruvate deshydrogenase est un complexe multienzymatique de grande taille

28. Entrée pyruvate dans mitochondrie • Membrane externe: porine (10,000) • Membrane interne: pyruvate translocasesymportpyruvate/H+

29. Complexe multienzymatique : • La pyruvate décarboxylase (E1) • La dihydrolipoamideacetyltransferase (E2) • La dihydrolipoamide déshydrogénase (E3)

31. Contrôle de l’activité enzymatique

33. 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

34. Formation d’un acyl-CoA dans le cytosol

35. 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

36. 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

37. Contrôle beta oxydation • Contrôle par produit de la réaction (malonyl-CoA) • Empêche formation acylcarnitine et donc pénétration des AG dans la mitochondrie

38. Contrôle hormonal libération TG • Adrénaline permet libération des AG par lyse des TG • Hausse AGL circulant dans le sang et disponible pour cellule

39. Devenir du pyruvate ? • Voies cataboliques différentes selon : • L’organisme (levure, plantes, bactéries) • Le tissu (muscle) • Conditions métaboliques (aérobie vs anaérobie)

40. 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

41. Contrôle cycle Krebs

43. La phosphorylation oxydative

44. Chaine de transport des électrons • Les électronsextraits des nutriments sonttransférés par le NADH + H+ et la FADH2 aux protéines de la chaîne. • Les électronssontacheminés à la prochainemolécule qui a plus d’affinité pour les electrons et ainsi de suite par cascade. • La dernièremoléculecèdesesélectrons à l’O2 qui recueilleunepaire de protons dans le milieu aqueux et forme de l’eau.

45. Potentiel d’oxydo-réduction de quelques couples Redox

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

47. Découverte complexe F0-F1

48. L’ATP synthétase, théorie chimio-osmotique de Mitchell = Complexe F0-F1

49. Hypothèse de Mitchel (1961) • Le gradient de H+ permet la synthèse d’ATP par la mitochondrie

50. 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