Thermodynamique (notion-rappel)

Cellules et organismes

E.Coli = dedoublement – 40 min – 20 minHumain – poids constant durant 40 ans – 6 tonnes d’alimentation solide –40.000 litres d’eau

Bioénergétique

Bioénergétique – lois - Production de l’énergie- Echanges énergétique-Réactions chimiques impliquées

Une Celllule ne peut créer de l’énergie - extraire- la transformer- l’utiliser- échanger

Cellule vivante crée de l’ordre – fabrication de biomolécules –- Augmentation de l’entropie de l’univers

Variation d’enthalpie libre

H = énergie totale d’un composé organiqueG= fraction d’énergie pouvant fournir un travail = enthalpie libreTS = énergie entropique

Aucun intérêt de connaître l’énergie totale d’un système mais bien son évolution

∆G donne l’évolution du système réactionnelle

1cal=4.184J

∆G donne l’évolution du système réactionnelle

A>>>>>>>>>>>>>>B

Réaction spontanée, libère de l’énergie

Ne peut se faire qui si l’on fournit de l’énergie

Se fait sans consommation d’énergie

ATP

[ATP] = 10-4 -10-3M

ATP, ADP, AMP

Il est thermodynamiquement instable, a tendance à s’hydrolyser.Cette instabilité lui permet d’être un transporteur d’énergie et un transporteur/donneur de groupement phosphoryle

°

Une cellule, un organisme ne peuvent rester en vie sans énergie. Cette énergie, ils l'obtiennent en consommant une myriade de molécules organiques de toutes sortes, en les convertissant en un nombre plus restreint de molécules relativement simples, puis en extrayant graduellement l'énergie chimique entreposée dans ces carburants pour la monnayer sous une forme directement utilisable (l'ATP), ou pour l'entreposer à court (glycogène) ou moyen (graisses) terme.

Les voies métaboliques comprennent des milliers de réactions chimiques complexes qui doivent être coordonnées efficacement pour fournir l'énergie venant de la nourriture (catabolisme) ou pour créer d'autres molécules organiques à partir de molécules plus simples (anabolisme).

Les cellules animales ne peuvent survivre à de hautes températures ou à de fortespressions.

L'extraction de l'énergie contenue dans les molécules doit donc se fairegraduellement. Pas question de simplement brûler des hydrates de carbone(comme dans un moteur à explosion).

Les voies cataboliques permettent de convertir les grandes quantité d'énergiecontenues dans les sucres, les acides gras ou les acides aminés, en de plus petitesdénominations: les molécules d'ATP. Cette conversion d'énergie se fait en une sériedénominations: les molécules d'ATP. Cette conversion d'énergie se fait en une séried'étapes et fait intervenir un nombre hallucinant de composés et enzymes.

En couplant les réaction exergoniques à des réactions endergoniques, les cellulesanimales peuvent donc libérer l'énergie quand est elle requise et là où elle estrequise.

Pourquoi l'oxygène est-il nécessaire ?

Si la grande majorité des animaux ont besoin d'oxygène poursurvivre, c'est parce qu'en son absence ils ne peuventextraire assez d'énergie des carburants assimilés. Lorsquel'oxygène est disponible aux cellules animales, elles peuventcomplètement oxyder les molécules d'aliments en dioxyde decarbone et en eau.

En son absence, l'oxydation est moins complète, et l'énergieproduite ne correspond qu'à une fraction de ce qui est libéréen conditions aérobies. Les cellules qui ont un métabolismeélevé et qui ont peu de réserves d'ATP (neurones du cerveaudes mammifères, par exemple) ne peuvent survivre plusd'une minute ou deux sans oxygène.

Molécules >>>>>>>>>> CO2+ H2O

Glycolyse ou voie d’Emben-Meyeroff-Parnas

• 1ère voie élucidée complètement• Dégradation du glucose avec production d’énergie et

d’intermédiaires repris dans d’autres séquences métaboliques

• Aérobique

2 ATP, 2NADH,H+ et 2 pyruvates

• Anaérobique

fermentation lactique, ethanolique

Mécanisme primitif de production d’énergie (anaérobie)

Mécanisme préparatoire au catabolisme aérobique des glucides

2 ATP, 2NADH,H+ et 2 pyruvates

Transport du glucose

Membrane

Glucose

I II III IV V

Transport facilité

Na+

IV : muscles striés, adypocytes (régulation insuline dépendante)I: érythrocytes

Na+

Cotransport

Coenzymes

Apoenzyme <> Haloenzyme

Fonctions de ces coenzymes

• Accepteurs et transporteurs de radicaux libérés au cours de la catalyse

Coenzymes d’oxydoréduction

• Transport d’atomes d’hydrogène sous formes de protons et d’électrons (NAD+, FAD…) ou d’électrons (cytochrome…)

• Nicotiniques• Nicotiniques• Flaviniques• Quinoniques• Metalloporphyrines• Protéines Fe-S

Nicotiniques

Nicotinamide Adénine Dinucléotide

Etapes enzymatique de la glycolyse

• 10 étapes • 10 enzymes

• Aérobie• Aérobie• Anaérobie : muscleglobule rouge

Glucose >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> Pyruvate

Intermédiaires phosphorylés

Phase de consommation de l’ATPInvestissement

Formation de pyruvate et 2 ATP, NADHRetour de l’investissement

Glucokinase

Phosphoglucose isomérasealdose cétose

Enzyme allostérique , inhibée par des hautes concentrations en ATP

Hexose (fonction réductrice masquée) Triose

HPO4_ _

H2PO4-

Lactate dehydrogénase

Glycolysis: Specific tissue functions

• RBC’s– Rely exclusively for energy

• Skeletal muscle– Source of energy during exercise, particularly high – Source of energy during exercise, particularly high

intensity exercise

• Adipose tissue– Source of glycerol-P for TG synthesis– Source of acetyl-CoA for FA synthesis

• Liver– Source of acetyl-CoA for FA synthesis– Source of glycerol-P for TG synthesis

Régulation de la glycolyse• Disponibilité du glucose

(dégradation, transporteurs)

Glut1,3 concentration basale du glucose. Brain & RBC:

– GLUT-1 has high affinity (low Km) for glucose and are always saturated. Insures that brain and saturated. Insures that brain and RBC always have glucose.

Glut2 (foie, pancréas) non insulinodependante. Liver:

– GLUT-2 has low affinity (high Km). Uses glucose when fed at rate proportional to glucose concentration

Glut4 (muscle, tissu adipeux) insulinodependante

Glycogénolyse

Hydrolyse

-alpha amylase (salivaire, pancréatique)

MaltoseAlpha dextrine

Maltase Dextrinase

Phosporolyse

Phosphorylase

Phosphorolyse de la liaison (alpha 1-4) à partir de l’extrimité non réductricePhosphorylase

Arrêt à 4 unités de glucose en amont de alpha (1-6)

Glucose 1 phosphate

Enzymes de débranchementActivités glycosyltransférase, alpha (1-6) glucosidase

Phosphorolyse

Isomérisationphosphoglucomutase

extrémités non réductrices

(αααα1 6)

GLYCOGENE

glycogène phosphorylase Pi

(αααα1 6)

glucose-1-phosphateenzyme

débranchante

(αααα1 6)

enzyme débranchante glucose

Master 1 Biochimie Biotechnologies

Glycogénogénèse

Glycogénogénèse

• Glucose-6-PO4PHOSPHOGLUCOMUTASE > Glucose1-

PO4.• UTP + Gluc-1- PO4

UDPG-PYROphosphorylase > UDP-Glc + PP1.Glc + PP1.

• UDPGlc + Glycogène (C5)nGLYCOGÈNE SYNTHASE >

UDP + Glycogène (C5)n+1.

• l'enzyme d'embranchement :– (amylo (1-4),(1-6)-transglucosidase

4

5

1

2

Glycogène

81

3

2

2

34

2

Regulation of Glycolysis

• Regulation of 3 irreversible steps• PFK-1 is rate limiting enzyme and

primary site of regulation.primary site of regulation.

Phosphoryle tous le glucoseToujours active; Vmax

Maintient un état d’équilibre

Regulation of PFK-1 in Muscle

• Relatively constitutive• Allosterically stimulated by AMP

– High glycolysis during exercise

• Allosterically inhibited by – ATP

• High energy, resting or low exercise

– Citrate• Build up from Krebs’ cycle• May be from high FA beta-oxidation -> hi acetyl-CoA• Energy needs low and met by fat oxidation

Regulation of PFK-1 in Liver

• Inducible enzyme– Induced in feeding by insulin– Repressed in starvation by glucagon

• Allosteric regulation• Allosteric regulation– Like muscle w/ AMP, ATP, Citrate– Activated by Fructose-2,6-bisphosphate

Role of F2,6P2 in Regulation of PFK-1

• PFK-2 catalyzes– F6P + ATP -> F2,6P2 + ADP

• PFK-2 allosterically activated by F6P– F6P high only during feeding (hi glu, hi GK activity)

• PFK-2 activated by dephophorylation • PFK-2 activated by dephophorylation – Insulin induced protein phosphatase– Glucagon/cAMP activates protein kinase to inactivate

• Therefore, during feeding– Hi glu + hi GK -> hi F6P– Activates PFK-2 –> hi F2,6P2

– Activates PFK-1 -> hi glycolysis for fat synthesis

Fructose 6 phosphate

Glucagon (foie)

Pyruvate kinase

Inhibiteurs : citrate, ATPActivateurs : fructose 1, 6 bisphosphate (évite un bouchon)Modulation par phosphorylationNon phosphorylée activePhosphorylée inactive (glucagon)

Pyruvate Dehydrogenase:The enzyme that links glycolysis with other

pathways• Pyruvate + CoA + NAD -> AcetylCoA + CO2 + NADH

La thiamine pyrophosphate est un coenzyme de transfert. Dérivé de la thiamine (vitamine B1), il est fixé à l'enzyme, c'est un groupement prosthétique.

Il participe aux réactions de décarboxylation.

Le lipoate (acide lipoïque) est un coenzyme, il ne dérive pas d'une vitamine et est toujours fixé à l'apoenzyme de façon covalente : c'est un groupement prosthétique.

La forme oxydée fixe un groupement acyle par une liaison acylthioester.Sous forme oxydée, il est de couleur jaune, alors que sous forme réduite, il est incolore. l'acide lipoïque est un coenzyme liposoluble qui assure le transfert de

groupement acyle (voir réaction de décarboxylation oxydative). L'acide lipoïque a une structure hétérocyclique comprenant deux atomes de soufre.

Thioester Hydrolyse deltaG O’ = -31.4KJ/mol

Origine vitaminique : B3Acide pantothenique

Pyruvate déshydrogénase

-Disponibilité des cofacteurs

- modification covalente phosphorylationNon phosphorylée active

Kinase : pyruvate déshydrogénase kinaseKinase : pyruvate déshydrogénase kinase

Contrôle allostérique : activateur : ATP, NADH et AcetylcoA

Inhibiteurs : pyruvate

Phosphatase : muscle (Ca++), tissus adipeux (insuline)

Néoglucogénèse

Ne peux avoirNe peux avoirlieu simultanément

2/3

imidazole

Origine vitaminique : Vitamine H

thiophène

Malate deshydrogénase

Reduction oxydation

Energetics of Gluconeogenesis

• Pyruvate Carboxylase– 2 ATPs

• PEP Carboxykinase

Cycle futile

• PEP Carboxykinase– 2 GTPs

• 3-P-glycerate kinase– 2 ATPs

• Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase– 2NADH

Coordinated Regulation of Gluconeogenesis and Glycolysis

Coordinated Regulation of Gluconeogenesis and Glycolysis

• Regulation of enzyme quantity

• Fasting: glucagon, cortisol– induces gluconeogenic enzymes– represses glycolytic enzymes– liver making glucose

• Feeding: insulin– induces glycolytic enzymes– represses gluconeogenic

enzymes– liver using glucose

Precursers for gluconeogenesis

• Lactate– RBC– muscle– the Cori Cycle

Precursers for gluconeogenesis

• Alanine and other amino acids– transamination of pyruvate– pyruvate derived from glycolysis or from amino acid

degradation– Cycle de Felig– Cycle de Felig

Precursers for gluconeogenesis

• Glycerol– derived from adipocyte lipolysis– hepatic glycerol kinase

Glycerol kinase (unique!)

Glycerol-3-phosphate deshydrogénaseNAD+

NADH+H+

Glucogénèse à partir d’autres hexoses

Fructose metabolism

• In muscle:– Hexokinase phosphorylates fructose.– Fructose 6-phosphate continues through

glycolysis.glycolysis.

• In liver:– Glucokinase instead of hexokinase.– Glucokinase is specific for glucose.

Fructose Metabolism in

Liver

O CH2OH

OHHH HO

HOCH2

OH H

D-Fructose

O HATP

O H2C

OHHH HO

HOCH2

OH H

O PO

O

O

Fructose1-phosphate

Fructose 1 phosphate aldolase

HC

C

CH2OH

OH

CH2

C

CH2OH

O

OP

O

O

O

+

Glyceraldehyde

Dihydroxyacetonephosphate

HC

C

CH2

O H

O P

O

O

O

OH

Glyceraldehyde3-phosphate

ATPADP

Triose kinase

Galactose metabolism

Galactose metabolism

Galactose metabolism

Galactose metabolism

NADH + H+

NAD+