chapitre 4 métabolisme et -...
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Chapitre 4Métabolisme et
transferts de matière
Partie IC - Le métabolisme cellulaire
code des diapositives
✭ très important, à savoir avec précision
❀ important pour comprendre
✄ pour approfondir, sinon à couper
1. L’autotrophie : de la matière minérale aux molécules organiques
2
La fixation du carbone
3
❀Marquage par 14CO2 puis temps de
chasse en présence de 12CO2Cinétique de marquage des différents
composés photosynthétiques
Travaux de Benson, Wilson et Calvin
4
❀
Identification des composés par radiochromatographie
2 s 5 s
30 s
Débit modulable : le temps de contact avec le 14CO2 est donc contrôlé
Expérience de Wilson et Calvin
5
- Le 3-PG diminue dès le retrait du CO2 donc il est le premier composé formé au moment de la fixation du CO2.- Le ribulose 1-5 diphosphate (RuBP) augmente ensuite : donc il apparaît après la formation du 3-PG.
état stationnaire
❀
Le
6
Oscillations anti-parallèles
Les oscillations montrentun caractère cyclique
des transformations du 3-PG en RuBP puis
RuBP en 3-PG
Expérience de Wilson et Calvin (2)
❀
Le cycle de Benson et Calvin
7
Carboxylation
Réduction du 3-PGen GAPRégénération
du RuBP
Comparaison Calvin / Krebs
8
✭ CO2
RuBPPG
GAP
triose P
Fixation de CO2
Réduction de PGRégénérationde RuBP
NADPH.H+ ATP
ATP
acétyl-coAFixation de 2 carbones
oxaloacétate citrate
oxydationdécarboxylation
NADH,H+ ATP
Régénérationde OAA
NADH,H+
FADH2
2 CO2
Cycle de Calvin Cycle de Krebs
Le cycle : une régénération complexe du RuBP
9
✄
La régulation du cycle de Calvin
10
Ferrédoxineréduite
2 H2O
4 H+ + O2H+
NADP+ 2 H+
NADPH,H+
LUMEN
STROMA
PHOTON
PS II
PS I
thylakoïde
thiorédoxine réduite
enzymes de régénération du RuBP+
✄
RubisCO+
ATP
RubisCOactivase
+
+
CO2
+
La RubisCO, dualité enzymatique
11
Fixation de CO2 diminuée en présence de O2
Inhibition compétitive entre CO2 et O2
1/KM
Deux substrats : deux réactions
12
❀
RuBP + CO2
2 PG
RuBP + O2
PG + P-glycolate (C2)
La RubisCO
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✭! Protéine la plus abondante de la biosphère
! 8 petites sous-unités S Régulatrices, codées par génome nucléaire
8 grandes sous-unités L
Catalytiques, codées par génome du chloroplaste
! forme active lorsqu’elle fixe un CO2 (forme carbamylée) dans chaque site actif
! activée par la RubisCO activase, elle-même activée par l’ATP (lumière)
! allostérique : activateur NADPH,H+ (lumière)
Synthèse de la RubisCO
14
❀
Mise en évidence de la photorespiration
15
❀ 02 dégagé
La présence de dioxygène diminue l’activité photosynthétique
Pendant quelques minutes, du CO2 est libéré en masse, à la suite de la phase lumineuse. Ce rejet de CO2 cesse au bout d e q u e l q u e s m i n u t e s à l’obscurité. Il s’agit donc d’un p r o c e s s u s r e s p i r a t o i r e dépendant de la lumière, donc appelé «photorespiration»
Une association entre 3 organites
16
✭
Le mécanisme de photorespiration
17
✄
La photorespiration : simplifié
18
✭
Chloroplaste
Péroxysome
Mitochondrie
2 RuBP+ 2 O2
2 P-glycolates
sucreCALVIN
2 glycolates
2 glycines
1 sérineCO2
glycérate
ATP3-PG
x 2
Technique de pulse-chase avec 14CO2
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❀
Tomate Maïs
oses mono-P
oses diP C1 du 3-PGtrioses P
Marquage 3s par 14CO2 puis temps de chasse en présence de 12CO2Cinétique de marquage des différents composés photosynthétiques
Diminution de 3-PG en parallèle de la hausse des oses P
Précisions : cas du Maïs
20
❀
Diminution de 3-PG en parallèle de la hausse de glucides P
décroissance exponentielle de malate et aspartatedroites parallèles =>
métabolisés par des voies identiques ?
Bilan : 2 types de photosynthèse
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✭ TOMATE : photosynthèse en C3, une carboxylation
MAÏS : photosynthèse en C4, deux carboxylations
CO2 produits terminaux (oses P,
PEP, saccharose)3-PG
(sur le C1)
Carboxylation
malate et/ouaspartate(sur le C4)
3-PG(sur le C1)
produits terminaux (oses P saccharose)
CO2 CO2
libéré
1 : enzyme = PEPcarboxylase 2 : enzyme = RubisCO
enzyme = RubisCO
1 2
22
✭
Caractères des feuilles de plantes en C4
chloroplaste à nombreux thylakoïdes
chloroplaste à thylakoïdes rares mais
beaucoup d’amidon
Mécanisme de photosynthèse en C4
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✭
Carboxylation:Pompage de CO2
Décarboxylation:CO2/O2 favorable à RubisCO
puis carboxylation : cycle de Calvin
Mésophylle Gaine périvasculaire
Comparaison C3/C4 en fonction de T
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❀Assimilation de CO2 en µmol.m-2.s-1
Pennisetum, plante en C4
Fétuque, plante en C3
Eclairement saturant (2 000 µmol photons.m-2.s-1) et air normal à 300 ppm CO2
Les devenirs du GAP
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Calvin
RuBPCO2
3-PG
GAPfructose 6P
glucose 6P
glucose 1P
ADP-glucose
AMIDONAGPase
3-PG
Pi+-
Pi
ATPPi
trioses P
GLYCOLYSE
fructose 1-6 diP
fructose 6P
fructose 6P glucose 6P
glucose 1P
UDP - glucoseSACCHAROSEEXPORTATION
chloroplaste cytosol❀
Les devenirs du GAP
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✭
ht tp:/ / www.snv.jussieu.fr/ bmedia/ Photosynthese-cours/ 20-cellule.htm
Rappel de la structure de l’amidon
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✭
Régulation des voies dans le temps
28
✭
Moment de la journée
Synthèse cytosolique de saccharose
Synthèse d’amidon dans le stroma
Matin Oui : à partir des trioses nouvellement synthétisés Non
Journée ensoleillée
Oui : à partir des trioses nouvellement synthétisés
Oui : à partir des trioses nouvellement synthétisés
Soir et nuit : obscurité
Oui : à partir des trioses issus de la dégradation de l’amidon Non
L’azote et les plantes
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Symbiose racine / champignonmycorhize
Nitrobacter
Le champignon utilise toutes les formes d’azoteLa plante
capte NH4+ et surtout NO3-
Transfert de Glutamine du champignon vers la racine
✄
LE RÔLE DES ECTOMYCORHIZES DANS LA NUTRITION AZOTÉEDES ARBRES FORESTIERSClaude PLASSARD - M. CHALOT - B. BOTTON - F. MARTIN
Assimilation d’azote dans la plante
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✭
α-cétoglutarateATP
α-cétoglutarate
NADPH,H+
NiR : nitrite réductase
NR : nitrate réductase
GS : glutamine synthétase
GOGAT : glutamate synthase
Ferrédoxine réduite NADPH,H+
produit du chloroplaste
NH4+ Glutamine Glutamate DEPUIS LA SYMBIOSE MYCORHIZIENNE
Le métabolisme de l’azote
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❀
Cytosol : NO3- + NADPH,H+ → NO2- + NADP+ + H2O!enzyme = nitrate réductase
Chloroplaste :1) NO2- + 6 ferrédoxines réduites + 8 H+ → NH4+ + 6 ferrédoxines oxydées + 2 H2Oenzyme = nitrite réductase
2) NH4+ + glutamate + ATP → glutamine + ADP + Pienzyme = glutamine synthétase
3) glutamine + α-cétoglutarate + NADPH,H+ → 2 glutamate + NADP+
enzyme = glutamate synthase (GOGAT)
en rouge : composés issus de la phase photochimique de la photosynthèse
Des réductions de NO3- en molécules azotées
Réactions et potentiels rédox
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❀NO3- + NADPH,H+ → NO2- + NADP+ + H2O
NO3-/NO2- : E’° = 420 mV NADP+/NADPH,H+ : E’° = -320 mV
NO2- + 6 ferrédoxines réduites + 8 H+ → NH4+ + 6 ferrédoxines oxydées + 2 H2O
NO2-/NH4+ : E’° = ? mV ferrédoxine ox/ferrédoxine red : E’° = -430 mV
NH4+ + glutamate + ATP → glutamine + ADP + Piglutamine + α-cétoglutarate + NADPH,H+ → 2 glutamate + NADP+
______________________________________________________NH4+ + α-cétoglutarate + ATP → glutamate + NADP+ + ADP + Pi
α-cétoglutarate NH4+/glutamate : E’° = -140 mV NADP+/NADPH,H+ : E’° = -320 mV
2. L’hétérotrophie : utilisationdes molécules organiques
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La glycolyse : phase d’investissement
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✭ 1) Formation du fructose 6 phosphate
Activation du glucose
Isomérisation
ATP ADP
ATP ADP
ΔG°’ = -16,7 kJ.mol-1ΔG = -33,4 kJ.mol-1
ΔG°’ = +1,7 kJ.mol-1ΔG = -2,5 kJ.mol-1
ΔG°’ = -14,2 kJ.mol-1ΔG = -22,1 kJ.mol-1
Formation du GAP, molécule exploitable
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✭ 2) Formation du glycéraldéhyde 3 phosphate
ΔG°’ = +23,8 kJ.mol-1ΔG = -1,2 kJ.mol-1
ΔG°’ = -7,5 kJ.mol-1ΔG = -2,5 kJ.mol-1
La glycolyse : phase de remboursement
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✭
+ NAD+ + NADH,H+
3) Oxydation du glycéraldéhyde 3 phosphate
ΔG°’ = +6,2 kJ.mol-1ΔG = -1,7 kJ.mol-1
La glycolyse : phase de remboursement
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✭4) 1ère formation d’ATP
ATPADP1-3 DPG
ΔG°’ = -18,8 kJ.mol-1ΔG = +1,2 kJ.mol-1
Le
38
✭ 5) 2ème formation d’ATP
La glycolyse : phase de remboursement
ATPADP
ΔG°’ = +4,6 kJ.mol-1ΔG = +0,8 kJ.mol-1
ΔG°’ = +1,6 kJ.mol-1ΔG = -3,3 kJ.mol-1
ΔG°’ = -31,3 kJ.mol-1ΔG = -16,5 kJ.mol-1
Bilan
39
✭
x 2
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
2 CH3COCOOH + 2 ATP + 2 NADH,H+
phase endergonique : 2 ATP utilisésphase exergonique : 2 NADH,H+ et 2 x 2 = 4 ATP
bilan net par glucose : 2 NADH,H+ et 2 ATP
Profil énergétique de la glycolyse
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❀ une suite d’étapes dont 3 irréversibles
G
G6P F6P
G3P 1,3BPG
F1,6diP
ΔG°0
-80
-30
-60
3PG PEP
Pyr
HK
PFK1
PK
Contrôle de l’activité de la PFK1
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✭
6
Métabolisme et transferts de matière
+
+1
98765
4
3
2
10
sens d'avancement de la séquence réactionnelle
glucose
glucose 6P
fructose 6P
fructose
1,6bisP
DHAP
PGald
1,3bisPG
pyr.2PGA
PEP
3PGA
hexokinase
phosphofructokinase
pyruvate kinase
glucose 6P
ATP, citrate
AMP
AMP
ATP
kJ.mol–1
G = (Gpyr Gx)
!
G'r10 = 15 kJ.mol–1!
G'r3 = 25 kJ.mol1!
G'r1 = 30 kJ.mol1!
0
60
30
FIGURE 9.2 Profil énergétique de la glycolyse et les trois niveaux de contrôle.1 à 10 : numéros des réactions ; réaction 1 : glucose converti en glucose 6-P.
Le contrôle au niveau de la PFK1L’analyse de la cinétique de la troisième réaction de la glycolyse, catalysée par la phosphofruc-tokinase 1 ou PFK1, conduit à une courbe sigmoïde, caractéristique d’une cinétique non michae-lienne, impliquant un effet coopératif entre les sous-unités de l’enzyme de type tétramère. La figure 9.3 montre que la vitesse maximale de la réaction est atteinte pour des concentrations variables de substrat, en fonction des effecteurs présents dans le milieu réactionnel. L’activité de la PFK1 est favorisée par l’AMP qui est un effecteur allostérique activateur, et elle est diminuée par l’ATP en concentration élevée, lequel est un effecteur allostérique inhibiteur.
S (mmol. L–1)
V0 (µmol. min–1)
0
+ AMP
KC0,5KB0,5KA0,5
+ ATP, + citrate
PFK 1 seule
activation inhibition
Vmax
Vmax / 2
domaine de variation de Vo pour
une teneur donnée en substrat S
FIGURE 9.3 Activité de la PFK1, témoin, et en présence d’effecteurs allostériques.
Quand le niveau énergétique de la cellule est élevé (rapport ATP/ADP fort), la forte concentra-tion en ATP inhibe l’activité de la PFK1 et la voie catabolique de la glycolyse cesse de fournir de l’ATP. Dans ce cas, l’ATP est à la fois substrat et effecteur ! On parle de contrôle homo-trope. En fait, l’ATP se lie en tant que substrat avec une forte affinité au site catalytique et en tant qu’effecteur avec une moindre affinité au site régulateur. Il n’exerce son activité inhibitrice que lorsqu’il est présent à forte concentration. Ce type de régulation dit rétrocontrôle négatif fait que toute variation de la concentration d’ATP dans un sens est immédiatement suivie d’une variation opposée. La quantité d’ATP est ainsi étroitement ajustée selon un équilibre dynamique.
Voir chapitre 6, § 6.3.2
Quantité des effecteurs en condition de niveau
énergétique cellulaire faible
Effecteurs allostériques activateurs (+)
et inhibiteurs (–) de PFK1
Quantité des effecteurs en condition de niveau
énergétique cellulaire élevé
FaibleFaibleForte
ATP (–)Citrate (–)AMP (+)
ForteForteFaible
Augmentée Activité de la PFK1 Inhibée
Forte Vitesse de la glycolyse Faible
Conséquences sur l’activité de l’enzyme et sur la vitesse de la glycolyse
La PFK1, enzyme allostérique
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Forme TSite actif peu accessible pour F6P. ATP inhibiteur quand il se lie au site
inhibiteur, accessible en forme T seulement. F26diP diminue l’effet
inhibiteur de l’ATP donc active.
Forme RSite actif très accessible
pour le F6P.
site actif
F6PATP
site d’inhibitionallostérique
ATP_
site actif
F6P ATP
F6P F6PATPATP
F6P ATP
citrateATP
F26diPADP
Poursuite de la glycolyse
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Glucose 2 pyruvates
consommation de l’ATP par l’activité cellulaire
2 ATP
2 NAD+ 2 NADH,H+
2 ADP + 2 Pi
Régénération du NAD+ par deux voies possibles :- réoxydation au niveau de la mitochondrie si présence de dioxygène ;- réoxydation par transferts des électrons vers le pyruvate = fermentation, en cas d’absence de dioxygène.
✭
Régénérer NAD+ en aérobie
AspartateMalate
NAD+ NADH,H+
Malate Aspartate
NAD+ NADH,H+
44
Système navette malate aspartate glycolyse
45
❀
Levure en conditions anaérobies
Levure en conditions aérobies mitochondrie
Régénérer NAD+ en anaérobie : les fermentations
Attention : il existe des fermentations aérobies, par des organismes sans mitochondries : exemple de la fermentation acétique de la bactérie Acétobacter.
Régénérer NAD+ : la fermentation éthanolique
46
✭
2 enzymes nécessaires1) pyruvate décarboxylase2) alcool déshydrogénase ADH
Le
47
✭ CH3COCOO- + NADH,H+ CH3CHOHCOO- + NAD+
pyruvate! ! ! ! lactate
4 sous-unités associéesSous-unités de deux types : H (heart)
ou M (muscle)
Régénérer NAD+ : la fermentation lactique
Lactate déshydrogénase
La diversité des fermentations
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✄Fermentation type d’aliment concerné Micro-organisme impliqué Remarque
lactiqueyaourt, choucroute,
saucisson, levain, certains fromages
Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus
malolactique travail du vin rouge Oenococcus
alcoolique boissons alcoolisées Saccharomyces cerevisae, Candida utilis
Les plantes possèdent rarement de glucose mais de l’amidon. Donc on utilise le malt = orge germé car l’amidon est alors
hydrolysé en glucose au moment de la germination.
acétique vinaigre Acetobacter
découverte par Pasteur - Acetobacter est véhiculé par la
Drosophile (mouche du vinaigre !).
propionique fromages à pâte cuite Propionibacterium
butyrique odeur piquante des fromages Clostridium butyricum
Et encore les biocarburants, des polymères bio-dégradables...
Origines de l’acétyl-coenzyme A
49
✭
Le pyruvate provient :- de la glycolyse
- du catabolisme des acides aminés
À partir du pyruvate
possible avec Cystéine, Glycine, Sérine, Thréonine
et Tryptophane
Du pyruvate à l’acétyl-coenzyme A
50
✭ acide pyruvique + CoA + NAD+ -----> Acétyl-CoA + CO2 + NADH,H+
Complexe pyruvate déshydrogénase
51
À partir des acides gras
Origines de l’acétyl-coenzyme A
COOH C=O
AMPI
ATP coenzymeA
C=O
S-coAI
Acide gras Acyl-
coenzymeA
Activation dans le cytosol
CarnitineC=O
S-coAI
matrice
Entrée dans la mitochondrie
❀
L’hélice de Lynen
52
✄
1 tour d’hélice
R - CH2 - C - S - coA
R - CH2 - CH2 - CH2 - C - S - coA
=
O
=
O
R - CH2 - CH - CH2 - C - S - coA
=
OOH_
FAD
FADH2
H2O
NAD+
NADH,H+
R - CH2 - C - CH2 - C - S - coA
=
O
=
O
H - S - coA
CH3 - C - S - coA
=
O
De l’acyl-coA aux acétyl-coA
53
❀
✭Acyl-CoA + NAD + + FAD + CoASH Acyl(n-2)CoA + NADH,H+ + FADH2 + acétyl-CoA
Origines de l’acétyl-coenzyme A
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✄ À partir des acides aminés
Rendements énergétiques comparés
55
✭• Glycolyse + fermentation2 ATP soit 2% de l'énergie du glucose (61 kJ.mol-1 pour un glucose de 2860 kJ.mol-1).
• Glycolyse + cycle de Krebs! glycolyse! 2 ATP! ! ! 2 NADH,H+ réoxydés sur la membrane mitochondriale! formation de 2 acétyl coenzyme A : 2 NADH,H+ soit 6 ATP! cycle de Krebs x 2! ! ! 6 NADH,H+ soit 18 ATP! ! ! 2 FADH2 soit 4 ATP! ! ! 2 ATP
! ! ! ! total : 38 ATP soit 38 % de l'énergie du glucose
• Oxydation d’un acide gras à 6 carbonesconsommation d’un ATP pour activer l’acide gras dans le cytosolformation de 3 acétyl-coenzyme A en 2 tours d’hélice : 2 NADH,H+ soit 12 ATP et 2 FADH2 soit 4 ATP cycle de Krebs x 3 9 NADH,H+ soit 27 ATP! ! ! 3 FADH2 soit 6 ATP! ! ! 3 ATP
! ! ! ! total : 45 ATP
Sources des molécules azotées
56
❀ • Autotrophes vis à vis de l’azote
NO3- NH4+
N2
NO2- Gln Glu
• Hétérotrophes vis à vis de l’azote
Source nutritiveorganique
vert = minéralviolet = organique
protéines
acides nucléiques
acides aminés
bases azotées
Synthèse des acides aminés
57
✄
Synthèses des bases azotées
58
ATPHCO3-
Ribose 5P
carbamyl P Uridine
Thymidine
Cytidine
aspartatesérine
glycine
glutamineglutamate
BASES PYRIMIDIQUES
BASES PURIQUES
Inosine
Adénosine
Guanine
aspartate
glutamineglutamate
aspartateglutamineglycine
glutamate
✄
acide urique
NH3
Panorama simplifié des transformations de matière
59
✭
Pouvoir réducteur NADH
ATP
ribose 5P
Pouvoir réducteur NADPH
Protéines
Glycogène
Nucléotides
Triglycérides et phospholipides membranaires
Déchets:H2O ,CO2 et NH3
Pouvoir réducteur NADH ATP
Cellule eucaryote hétérotrophe
Document Frédéric Celle
60
✭ bases azotées
bases azotées
chloroplaste
mitochondriecytosol
vacuole
Cellule eucaryote autotrophe
Panorama simplifié des transformations de matière
Document Frédéric Celle
61
✭
Panorama simplifié des transformations de matièreEubactérie nitratante
Document Frédéric Celle