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Métabolisme,
bioénergétique et
interactions avec le milieu
Jérémy Terrien, PhD UMR CNRS/MNHN 7179 MECADEV
Mardi 14 Avril 2015
Cours SEP 59 - Bases de morphologie fonctionnelle
Rôles de la cellule dans
les échanges d’énergie
Définitions
Définitions
Le catabolisme est l’ensemble des réactions enzymatiques de dégradation de
macromolécules qui convergent en un petit nombre de molécules de petite
taille.
Ces réactions s’effectuent avec une libération d’énergie dont une partie est stockée
sous forme d’ATP et de transporteurs d’électrons réduits (ex NAD(P)H et FADH2).
Les réactions cataboliques comprennent:
- La glycolyse,
- Le cycle de Krebs,
- La dégradation du glycogène,
- La phosphorylation oxydative,
- La voie des pentoses phosphate,
- La beta-oxydation des acides gras,
- La transamination/désamination des
acides gras.
Source d’énergie externe ou interne
Molécules simples (acides aminés,
molécules à petit
squelette de carbone,
acétyl-CoA, etc)
ENERGIE
nutriments glycogène
Définitions
L’anabolisme est l’ensemble des réactions enzymatiques de biosynthèse qui
divergent pour former beaucoup de macromolécules ou leurs précurseurs.
Ces réactions nécessitent un apport d’énergie fournie généralement par l’hydrolyse
de l’ATP et/ou par le pouvoir réducteur du NAD(P)H et du FADH2.
Les réactions anaboliques comprennent:
- La gluconéogenèse,
- Le cycle de Krebs,
- La synthèse du glycogène,
- La voie des pentoses phosphate,
- La synthèse des acides gras,
- La synthèse des acides aminés,
- La photosynthèse.
Molécules simples (acides aminés,
molécules à petit
squelette de carbone,
acétyl-CoA, etc)
ENERGIE
polysaccharides membranes
protéines
Vision générale du
métabolisme
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
Analogie entre moteur et
travail musculaire
Système redox et transfert
d’électrons
Il existe 4 types de transferts d’électrons:
- Le transfert direct
Fe 3+ + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 3+
Système redox et transfert
d’électrons
Il existe 4 types de transferts d’électrons:
- Le transfert direct
Fe 3+ + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 3+
- Le transfert sous forme d’atomes d’hydrogène
AH2 = A + 2 H + + 2 e -
Système redox et transfert
d’électrons
Il existe 4 types de transferts d’électrons:
- Le transfert direct
Fe 3+ + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 3+
- Le transfert sous forme d’atomes d’hydrogène
AH2 = A + 2 H + + 2 e -
- Le transfert sous forme d’ion hydrure
Système redox et transfert
d’électrons
Il existe 4 types de transferts d’électrons:
- Le transfert direct
Fe 3+ + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 3+
- Le transfert sous forme d’atomes d’hydrogène
AH2 = A + 2 H + + 2 e -
- Le transfert sous forme d’ion hydrure
- Le transfert après incorporation d’oxygène (combustion)
R-CH3 + ½ O2 = R-CH2-OH
Système redox et transfert
d’électrons
Transfert d’électrons: le
couple FAD/FADH2
FAD: Flavine adénine dinucléotide (seulement transfert d’électrons)
Grâce à sa capacité à transporter l’énergie libre ET les électrons, le NAD+ est
un intermédiaire universel et essentiel dans les cellules
Focus sur le couple
NAD+/NADH
NAD: Nicotinamide adénine dinucléotide
Focus sur le couple
NAD+/NADH
Déshydrogénation:
Un atome d’hydrogène du substrat est directement transféré au NAD+, l’autre
apparaît dans le solvant sous forme de proton.
Les 2 électrons perdus par le substrat sont transférés au NAD+
Focus sur le couple
NAD+/NADH
Transporteur activé de
groupes dicarbonés
Adénosine P-P
Co-enzyme A: CoA ou CoA-SH
Transfert de groupement acyl
Co-enzyme A
L’ATP
ATP: Adénosine tri-phosphate
Transfert de groupement phosphoryl
ATP et énergie
Energie libre standard d’hydrolyse des composés phosphorylés
Réduction
Oxydation
Origine du carbone réduit
« Ce qui entretient la vie est un petit courant électrique alimenté par le soleil » Szent-Györgyi (1893-1986, biochimiste hongrois)
La lumière à l’origine de la
vie
Résumé de la réaction de
photosynthèse
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
Qu’est-ce qu’une voie
métabolique?
Il existe plus de 1000 réactions chimiques dans
un organisme
Mais…
Le métabolisme est un ensemble cohérent
contenant de nombreux motifs communs
Une centaine de molécules jouent un rôle central
dans toutes les formes de vie
Le nombre de type de réactions est relativement
petit
Les voies métaboliques sont régulées de la même
façon
Le métabolisme, c’est
complexe!
1ère étape de la dégradation du glucose
Régénération d’ATP sans nécessité d’oxygène
Voie réversible:
néoglucogenèse
La glycolyse
Le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique
2ème étape de la dégradation du glucose
Oxydation du carbone en CO2 et production d’ATP
Voie à pouvoir réducteur - production de NADPH + H+, utilisé lors de la biosynthèse des
acides gras, du cholestérol et pour la réduction du glutathion,
- production de ribose-5-phosphate utilisé lors de la synthèse des
nucléotides,
- production d'érythrose-4-phosphate, précurseur d'acides aminés
aromatiques : phénylalanine, tyrosine et tryptophane.
La voie des pentoses
phosphate
La glycogenogenèse et la
glycogénolyse
Voie réversible de synthèse et de dégradation du
glycogène
Stockage d’énergie et de glucose
Biosynthèse et dégradation
des acides gras
- Biosynthèse: lipogenèse
- Dégradation: lipolyse (beta-oxydation; très exergonique)
Biosynthèse et dégradation
des acides aminés
- Distinction entre acides aminés essentiels et
non-essentiels,
- Turnover rapide (pas de stockage)
- Catabolisme: désamination oxydative,
transamination, décarboxylation
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
La mitochondrie
La phosphorylation
oxydative
Tissu
adipeux
brun
Le découplage de la chaîne
de respiration terminale
L’axe central du catabolisme
est constitué par la glycolyse,
le cycle de Krebs et la
phosphorylation oxydative.
Si l’axe est parcouru dans sa
totalité, on obtient des produits
terminaux très simples:
H2O, CO2, NH3, ATP, NADH.
MAIS ATTENTION!!
FONCTIONNEMENT AEROBIE
Interaction des voies
métaboliques
Bilan de production d’ATP
pour une mole de glucose
La fermentation
En l’absence d’oxygène, 2 types de fermentation possibles: lactique et alcoolique
Utilisation du pouvoir réducteur du NADH + H+
Intervention d’enzymes: lactate et alcool déshydrogénases
Bilan comparatif des
rendements en ATP
Métabolisme aérobie et
production de radicaux libres
Impact des radicaux libres
sur la santé
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
Mitochondries: cycle de Krebs, phosphorylation oxydative, oxydation des acides gras,
dégradation des acides aminés.
Cytosol: glycolyse, voie des pentoses phosphate, biosynthèse des acides gras,
synthèse et dégradation du glycogène.
Lysosomes: digestion du matériel cellulaire ou phagocyté.
Noyau: réplication et transcription de l’ADN, modification des ARNs.
Golgi: modification des protéines, synthèse des membranes, synthèse des sucres
complexes.
RER: synthèse des protéines membranaires et secrétée.
REL: synthèse des lipides et des stérols.
Peroxysomes: réactions oxydatives, cycle du glyoxylate.
Chloroplastes: photosynthèse, cycle de Calvin, synthèse et dégradation de l’amidon,
cycle des pentoses phosphate, glycolyse (partielle), gluconéogenèse (partielle).
Les réactions métaboliques
sont compartimentées
Présence de transporteurs
nécessaire
La présence des compartiments rend nécessaire une série de transporteurs
sélectifs qui transportent les métabolites à travers les membranes er connectent les
différentes voies métaboliques
Interactions entre les
organes
Régulation du métabolisme
par l’axe thyroïdien
Les désordres métaboliques
Système redox et transfert d’électrons
Les grandes voies métaboliques
La respiration mitochondriale
Les régulations métaboliques
Les interactions avec le milieu: exemple du microcèbe
Plan du cours
Colonie fondée en 1967 par Dr. Petter au sein d’un laboratoire
MNHN à Brunoy
Importation d’animaux de 1967 à 1972
(avant convention de Washington) April/October 1967: 7 males -13 females
September/December 1968: 17 - 56 females
October 1970: 7 males - 35 females
Mars 1972: 18 males - 38 females
Fin des captures d’animaux en
Mars 1972 : autonomie complète
de l’élevage depuis.
La colonie de microcèbes
Le microcèbe (Microcebus
murinus)
- Primate prosimien
- Nocturne, hétérotherme
- Endémique de Madagascar
Le microcèbe
Rythmes biologiques
(journaliers et saisonniers):
- extrêmement marqués
- synchronisés par la photopériode
Poids Survie max.
Humain 60-80 kg 120 ans
Macaque 6-10 kg 40 ans
Microcèbe 60-80 g 12 ans
Souris 20-30 g 2.5 ans
Le microcèbe
T °C Disponibilité alimentaire
Précipitations (mmH2O)
20
40
60
80
100
120
A S O N D J F M A M J J A S
10
15
20
25
30
35
Saison
sèche et
froide
Été
Reproduction
Hiver
Contrainte écologique Stratégies adaptatives
Hiver = saison critique
Conditions défavorables de disponibilité
alimentaire
Nécessité de limiter les dépenses
énergétiques pour préparer la saison de
reproduction
Madagascar
Contrainte écologique Stratégies adaptatives
60
80
100
120
140
% v
aria
tio
ns
Jours courts
Saison sèche
Reproduction
Masse corporelle
Prise alimentaire Métabolisme de repos
Economie
d’énergie
Repos sexuel
T °C Disponibilité alimentaire
Précipitations (mmH2O)
20
40
60
80
100
120
A S O N D J F M A M J J A S
10
15
20
25
30
35
Saison
sèche et
froide
Été
Reproduction
Hiver
Madagascar
Contrainte écologique Stratégies adaptatives
60
80
100
120
140
% v
aria
tio
ns
Jours courts
Saison sèche
Reproduction
Masse corporelle
Prise alimentaire Métabolisme de repos
Economie
d’énergie
Repos sexuel
T °C Disponibilité alimentaire
Précipitations (mmH2O)
20
40
60
80
100
120
A S O N D J F M A M J J A S
10
15
20
25
30
35
Saison
sèche et
froide
Été
Reproduction
Hiver
Maintien du phénotype saisonnier en
conditions de captivité
(changement du régime photopériodique)
Madagascar
- Contrôle saisonnier de
l’hibernation (obligatoire)
- Contrôle circadien de la
torpeur journalière
- Rôle dans le contrôle des
réveils
1. Rétine: entrée neuro-sensorielle de
l’horloge biologique)
2. Synchronisation des messages
photiques et non-photiques (horloge
alimentaire)
3. Genèse de rythmes biologiques
d’origine neuronale ou neuro-
endocrine
4. Implication de l’adénohypophyse
dans la saisonnalité
Rôle de la photopériode
60
80
100
120
140
% v
aria
tio
ns B
M
Repos sexuel Reproduction
JOURS COURTS JOURS LONGS
0 15 30 45 60 75 90
50
100
150
200
GTT_ADULT
Run 1
Run 2
Run 3
Run 4
Time (min)
Gly
ca
em
ia (
ng
/dL
)
glycémie*insulinémie
Run 1 Run 2 Run 3 Run 40
10
20
30
40
Test de tolérance au glucose
Indice d’insulino-résistance
Phénotype saisonnier
Hibernation et obésité
Sexe Trade-off énergétique différent entre mâles et femelles (coût de la reproduction)
Réchauffement climatique Augmentation de la fréquence des épisodes imprévisibles dans les régions
tropicales
Ajustements comportementaux Viennent suppléer les capacités autonomiques (choix du nichoir, socialité, etc)
Vieillissement
Facteurs modulateurs
Saison de reproduction
Saison de repos métabolique
(g)
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Age (années)
Mâles
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Age (années)
(g)
Femelles
Effets du vieillissement
© Eric Guéton
Avec l’âge:
Torpeurs plus profondes
Torpeurs plus fréquentes
Effets du vieillissement
AD
ULT
S
AG
ED
25°C 12°C © Eric Guéton
1
2
3
Daily heterothermia process (to counteract low capacities for energy storage)
-Intermediate state between homeothermy and hibernation
-Physiological process particularly used during cold exposure and food scarcity
period to save energy and water (winter season)
Rôle de la torpeur
Initiation de la torpeur induite par la
baisse de disponibilité en
nutriments:
- Augmentation en [NAD+] intracellulaire active
SIRT1 qui désacétyle BMAL1: diminution de la
transcription des gènes sous contrôle de
l’horloge biologique
- SIRT1 promeut l’activité d’enzymes
fonctionnant dans des conditions de lipolyse et
d’hypoxie (HIF-2a)
- Augmentation en [AMP] intracellulaire active
AMPK qui promeut l’utilisation de lipides
comme substrat énergétique
Cascade moléculaire
Déséquilibre énergétique
0
20
40
60
80
100
120
140
160
adults aged
DE
E12°C
-DE
E25°C
ADULTS AGED
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 20 40 60 80 100 120 140
rs² = 0.40 Tc
min
(12°C
) -
Tc
min
(25°C
)
DEE12°C-DEE25°C
Torpeur profonde = torpeur inefficace
Défaut dans
l’approvisionnement du BAT
Avec l’âge: Contrôle perturbé de la
descente thermique
impliquant des coûts élevés
au réveil
Modèle proposé
Des questions??
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