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Résumé de Biochimie Métabolique 2
Biochimie des animaux domestiques (VETE-G305)
Université Libre de Bruxelles
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Carmen Candelas Palomares COURS DU PROFESSEUR MARIA ISABEL GARCÍA Année 20 20/
SYNTHÈSE DE BIOCHIMIE
MÉTABOLIQUE
Synthèse de Biochimie Métabolique:
A CONNAITRE
La structure chimique et le nom des composés
Le nom des enzymes/coenzymes qui catalysent les réactions
Les points de contrôle de chaque voie et son type de régulation
Les exemples de dysfonctionnements possibles
- Devenir des composés alimentaires (« fuel ») → Catabolisme
Sucres et polysaccharides :
entérocyte
Glucose (sucre prédominant au niveau sanguin) Le D-glucose en projection de fischer porte une fonction aldéhyde sur son carbone anomérique et devient cyclique (projection de haworth) en solution aqueuse (dans le corps) par le phénomène de mutarotation. Le glucose sous forme cyclique s’apelle α-D-glucopyranose (36%) ou β-D-glucopyranose (63%) en fonction de la position de la fonction alcool (respectivement en bas et en haut) du C1.
Le D-fructose est pareil que le glucose à l’exception qu’il porte une fonction cétone sur son C2 au lieu d’un aldéhyde sur C1. Le D-fructose sous forme cyclique s’appelle α-D- fructofuranose.
(pyranose= cycle à 6C ; furanose= cycle à 5C)
Lipides (triacylglycérol) :
Ce sont des acides gras essentiels polyinsaturés (C=C) → Huiles plantes/huiles poisson omega-3/omega-6.
3 exemples d’acides gras : palmitate, oléate, stearate.
Ces acides gras sont liés à une molécule de glycérol pour former un triglycéride ou tracylglycérol.
On verra plus tard le métabolisme lipidique.
Protéines :
Polymères d’acides aminés rejoints entre eux par des liaisons peptidiques.
Les protéines contiennent du C, O, H, et 16 % d’azote (N) en poids.
Leur oxydation génère du CO2, H2O et NH4+ (à éliminer).
Il y a 6 types d’acides aminés :
Aliphatiques non polaires : Glycine, Alanine, Proline.
Branchés : Valine, Leucine, Isoleucine.
Polaires non chargés : Asparagine, Glutamine, Serine, Thréonine.
Chargés (acides(-)/basiques(+)) : Aspartate, Glutamate, Arginine, Lysine, Histidine.
Soufrés : Méthionine → Cystine.
Aromatiques : Phénylalanine → Tyrosine, Tryptophane.
Acides aminés essentiels « conditionnels » <-> générés à partir des AA essentiels.
Les acides aminés essentiels doivent être fournis par l’alimentation car nos cellules ne peuvent les synthétiser.
- Pouvoir énergétique des nutriments
Glucose libère → 4 kcal/g
Acides gras → 9 kcal/g
Acides aminés → 4 kcal/g
Boissons alcoolisées → 7 kcal/g
La capacité d’une molécule à être oxydée dépend de son état de réduction initial (déterminé par sa structure et la nature des groupements fonctionnels qu’elle porte).
1 kilocalorie (kcal) = 4,18 kiloJoules (kJ) Correspond à la quantité d’énergie requise pour élever de 1°C la température de 1 L d’eau.
- Le métabolisme en perspective :
Monnaie énergétique : Adenosine Tri Phosphate (ATP) → les liaisons entre les Pi (liaisons phospohoanhydride) sont à haut potentiel énergétique car instables.
Intermédiaires activés:
Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) (pyridine nucleotide) → NAD+/NADH+/NADP+. NAD+: accepte 2 e- (ion hydrure H- ) => NADH + H+ libéré. Impliqué dans les réactions impliquant l’oxydation d’alcool et d’aldéhydes. NADP+ : accepte 2 e- (ion hydrure H- ) => NADPH + H+ libéré. Impliqué dans les réactions dans les voies de biosynthèse principalement (Voie des Pentoses-Phosphate/Réactions de détoxifications).
Flavine Adenine Dinucleotide → FAD : accepte 2 e- (2 H provenant de 2 atomes différents) => FADH2. Impliqué dans les réactions impliquant la formation de liaisons C=C.
Type de réactions biochimiques :
Mécanismes de régulation des voies métaboliques :
Le contrôle du métabolisme a lieu à plusieurs niveaux :
Modulation de la quantité d’enzyme : La quantité d’enzyme dépend du rapport entre les : taux de synthèse (transcription/traduction) et les taux de dégradation.
Modulation de l’activité catalytique de l’enzyme :
- Contrôle allostérique réversible (voies de biosynthèse) => le produit final inhibe la 1 ère réaction de la voie métabolique. *Modification covalente réversible par phosphorylation activation/inhibition de l’activité.
- Contrôle hormonal assurant la régulation coordonnée.
Accessibilité des substrats dans la cellule
- Transfert entre cytosol et organites (mitochondries)
- Compartimentalisation entre voies cataboliques et anaboliques (acides gras)
- Etat énergétique cellulaire lié à la formule établie par Atkinson-Walton:
Charge énergétique = (CE) =
[ATP] + ½ [ADP]
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Charge énergétique = 0 seul AMP présent Charge énergétique = 1 seul ATP présent Charge énergétique des cellules ~ 0-0. Si CE élevée, cela favorise les voies anaboliques (utilisant ATP) Si CE faible, cela stimule les voies cataboliques (générant ATP)
- Équilibre alimentaire & besoins énergétiques :
Balance énergétique entre apport énergétique et consommation énergétique → Eapport alimentaire - Econsommée = Estockée
Apport énergétique journalier recommandé : Protéines : 15-20%, Lipides : 30%, Glucides : 50- 55%
Métabolisme basal : Femme= 9200kJ / 2200kcal ; Homme= 12600kJ / 3000kcal.
IMC = Indice de Masse Corporelle (poids kg/taille m2).
(Faire excercices cours 1)
- Énergie libre standard ∆G 0 et Keq :
- Définition :
∆G’0 = - RT. ln K’eq
Si ∆G’ 0 > 0 K’eq <1 la réaction se déplacera dans le sens << (des réactifs) ∆G’0 = 0 K’eq =1 réaction à l’équilibre ∆G’0 < 0 K’eq >1 réaction dans le sens >> (des produits)
- Couplage énergétique des réactions biochimiques :
- L’hydrolyse d’ATP ∆G’0<0:
ATP + H20 →ADP + Pi + H+ ∆G’0= -30 kJ/mol ou -7 kcal/mol
(Rq: L’hydrolyse de la liaison phosphoester α libère = - 3 kcal/mol).
∆G « réel » d’hydrolyse de l’ATP dans les érythrocytes : se calcule à partir des suivantes concentrations : [ ATP] = 2,25 mM ; [ ADP] = 0,25 mM ; [ Pi ] = 1,65 mM.
∆G = ∆G’0 + R. ln ([ADP].[Pi]/[ATP])
- Principe du couplage énergétique
Une réaction thermodynamiquement défavorable (∆G’0 >0) peut avoir lieu si elle est couplée à une autre réaction avec ∆G’0 << (par exemple l’hydrolyse de l’ATP).
La somme des ∆G’0 des réactions individuelles d’une voie métabolique doit être <0 pour que le flux ait lieu.
Exemple de couplage énergétique: la phosphorylation du glucose par l’hexokinase
Image : ∆P (énergie potentielle) ∆G
- Couplage énergétique et hydrolyse de l’ATP
Dans les réactions biochimiques couplées à l’hydrolyse de l’ATP, l’hydrolyse n’est pas réalisée directement. Elle se déroule en 2 temps :1) ATP transmet un de ses groupements phosphate à un substrat (enzyme) → augmentation de son énergie libre : formation d’un intermédiaire. 2)Le groupement phosphate présent sur l’intermédiaire →déplacé par un autre réactant → formation de Pi + molécule cible.
Exemple : Glutamate + NH3 + ATP--------glutamine synthétase----------> Glutamine + ADP + Pi
Keq
- Nucléotides ayant des liaisons à haut potentiel énergétique
Possèdent une liaison phosphate équivalente en terme énergétique à celle de l’ATP (favorisation thermodynamique pour la synthèse de molécules (ex. synthèse de glycogène)). Ces composés sont générés à partir de l’ATP par les nucleosides di/monophosphokinases.
Les voies métaboliques utilisant ces composés activés sont :
o UTP (Uridine Tri Phosphate) → métabolisme des sucres o CTP (Cytidine Tri Phosphate) → synthèse des lipides o GTP (Guanosine Tri Phosphate) → synthèse des protéines
- Intermédiaires activés ayant des liaisons à haut potentiel énergétique
L’hydrolyse de ces composés instables au ∆G’0 <<0 libère de l’énergie (souvent un Pi) et la porte à la synthèse d’ATP. PHOSPHORYLATION AU NIVEAU DU SUBSTRAT.
Exemples d’intermédiaires activés (instables) : 1,3 biphosphoglycerate, Phosphoénolpyruvate PEP, La phosphocréatine (sert de réservoir énergétique pour la synthèse d’ATP et le transport dans le muscle, les neurones, cœur et spermatozoïdes), l’AcétylCoA (sa liaison thioester est très réactive), Coenzyme A (Vitamine précurseur Pantothénate (vitamine B5)).
- Réactions d’oxydoréduction :
- Rappel
L’oxydation des nutriments s’accompagne d’un transfert d’e- à des systèmes Redox => Synthèse d’ATP.
Une réaction redox fait intervenir un couple Redox: 1 donneur d’é- : un composé carboné réduit qui sera oxydé 1 accepteur d’e-: (tel que) un coenzyme oxydé qui sera réduit.
Le transfert des e- peut se faire de plusieurs manières: e-; atome d’hydrogène, ion hydrure, molécule d’hydrogène « équivalents réduits »
- Potentiel de réduction « Redox »
E’0 : potentiel redox standard d’un composé → Correspond à la mesure (en Volts) du changement d’énergie quand un composé accepte des e- (devient réduit) Expression de la « volonté » d’un composé à accepter des e-.
Les e- vont se déplacer spontanément vers la solution au plus haut potentiel redox standard.
Électrode standard : H+ E 0 =0,00V
- Potentiel Redox E’0 et ∆G’
Cours 3 : Cycle de Krebs
- Lieu du cycle de Krebs : matrice mitochondriale ( eucaryotes ) :
Procaryotes : le cycle se déroule dans le cytosol.
Membrane externe : perméable aux molécules jusqu’à 5 kDa (composée de porines) ;
Matrice : contient les enzymes du cycle de Krebs (SAUF la Succinate dehydrogénase) ;
Membrane interne : formant des invaginations (cristae) très imperméable ce qui requiert un transport actif secondaire pour le transport d’ions et petites molécules polaires.
- Fonctions du cycle de Krebs :
1. Oxydation des composés à 2 Carbones ⇒ 2 CO2 + énergie transmise à la chaîne respiratoire Compte pour les 2/3 de l’ATP généré par catabolisme.
2. Rôle central dans le métabolisme intermédiaire
Rôle amphibolique = catabolisme & anabolisme
⇒ Intermédiaires précurseurs biosynthétiques ⇒ Intermédiaires et réactions anaplérotiques (réaction chimique qui produit un métabolite, (espèce chimique intermédiaire) d'une voie métabolique ; rétablit la concentration en métabolites au sein du milieu mitochondrial).
- Oxydation des composés à 2 Carbones :
- Vue générale du cycle :
Le cycle requiert ces coenzymes : niacine, thiamine, acide pantothénique, riboflavine et lipoate ;
Ainsi que ces minéraux : Mn2+, Ca2+, Fe2+, phosphate.
Pour rappel, l’Acétyl CoA est un intermédiaire activé (haut potentiel énergétique) => va transmettre les 8 e- de ses 2C aux coenzymes : 3 NAD+ → 3 NADH et 1 FAD → 1 FAD(2H) qui vont les transmettre à la chaîne respiratoire pour synthétiser 1GTP/ATP.
2e-
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Réaction 4: Oxydation de l’α-ketoglutarate par le complexe α-ketoglutarate dehydrogenase
Mécanisme : α-Ketoglutarate → succinyl-CoA
Décarboxylation oxydative caractéristique d’une famille de dehydrogenases (→ libération d’ CO2)
NAD+ : accepteur d’e- (→NADH)
L’énergie d’oxydation est conservée par la liaison thioester formée avec le CoASH
La famille de dehydrogenases o α-ketoglutarate dehydrogenase o Pyruvate dehydrogenase complex (PDC) o Branched-chain α-keto-acid dehydrogenase
Les dehydrogenases sont des enzymes formées de 3 activités enzymatiques E1 E2 et E3 : o Taille du complexe variable suivant les espèces→ Mammifères : 50 nm diamètre. o E1 : sous-unité spécifique du substrat activité α-keto acide décarboxylase dehydrogenase (TPP) → E1: CO2 libéré = Intermédiaire covalent formé avec le TPP. o E2 : transacétylase (Lipoate: transporte aussi bien H/e- que groupements acyl). E2 transfère l’acyl au CoA-SH => succinyl CoA → E2: comporte 3 domaines fonctionnels séparés par des linkers (20-30 aa) : ▪ N-ter: domaine contenant le lipoyl (liaison amide au groupe amino ε) d’une Lys de l’enzyme ▪ Central: liaison à E1 et E ▪ Partie interne: domaine acyl-transferase E2 transfère les e- du lipoate réduit vers le FAD de l’activité E3 => Lipoate oxydé régénéré => FAD(2H) réduit o E3 : dihydrolipoyldehydrogenase (FAD) Identique pour les 3 complexes à l’intérieur d’une même espèce. E3 transfère les e- du FAD(2H) réduit vers le NAD+ => FAD régénéré => NADH réduit + H+.
Avantage d’un complexe multienzymatique: le produit d’une enzyme est transféré d’une enzyme à l’autre avec une perte minimale d’énergie. Il s’agit d’un exemple de «SUBSTRATE CHANNELING»
Réaction 5 : Conversion du succinyl CoA en succinate par la succinyl CoA synthetase
Mécanisme : Succinyl-CoA → Succinate
- L’énergie d’hydrolyse de la liaison thioester est conservée dans la formation de la liaison phosphoryl (à haut potentiel énergétique) de GTP « PHOSPHORYLATION AU NIVEAU DU SUBSTRAT »
- Rq : GTP peut générer de l’ATP via l’activité de la nucléotide diphosphokinase (Cours 2)
Réaction 6 : Oxydation du succinate par la succinate déhydrogénase Enzyme associée à la membrane interne de la matrice mitochondriale
Mécanisme : Succinate → Fumarate
- L’oxydation du succinate se déroule en 3 réactions consécutives dont la 1ere est une oxydation portant à la formation d’une liaison C=C (FAD est le coenzyme).
- Le malonate (inhibiteur compétitif) bloque le cycle de Krebs.
Réaction 7 : Hydratation du fumarate par le fumarase = fumarate hydratase
Mécanisme : Fumarate → Carbanion transition state→Malate. Le fumarase : est une enzyme stéréospécifique seul le fumarate (trans) et le L-malate sont substrats
Réaction 8 : Oxydation du malate par la L-malate dehydrogenase
Synthase : condensation en l’absence de NTP ≠ synthétase : condensation en présence de NTP
Réaction irréversible ∆G’ 0 <
Régulation du cycle de Krebs
Le taux du cycle de Krebs est ajusté à :
- la Glycolyse (source d’acétyl CoA via le pyruvate)
- l’activité de la chaîne respiratoire (ETC)
Le taux du cycle de Krebs est ajusté à :
- Etat de phosphorylation de l’ATP : ratio ATP/ADP
- Etat de réduction du NAD+ : ratio NADH/NAD+ Les pools sont ~constants dans la cellule
✓ Le flux des composés carbonés vers le cycle de Krebs est régulé à 2 niveaux: o 1. Conversion du pyruvate en acétyl CoA (activité de la PDC) o 2. L’entrée de l’acétyl CoA dans le cycle (activité de la citrate synthase) ✓ Dans le cycle de Krebs, ce sont les 3 réactions exergoniques qui sont régulées. o 1. Citrate synthase o 2. Isocitrate dehydrogenase o 3. α-ketoglutarate dehydrogenase
Régulation de la PDC Régulation par modification covalente. Inhibition allostérique de la PDC : ATP, acetyl-CoA, NADH, acides gras. Activation allostérique de la PDC : Ca2+ (contraction musculaire demande accrue d’énergie). Phosphorylation/déphosphorylation sont médiées par une kinase et une phosphatase appartenant au complexe PDC. Quand les ratio ATP/ADP et NADH/NAD+ sont élevés, la PDC est inactivée.
Régulation de la citrate synthase
- Inhibition par son produit citrate (inhibiteur compétitif) et ATP, NADH
- Activation par l’ADP
Régulation de l’isocitrate dehydrogenase
- Inhibition par son produit NADH
- Activation par l’ADP
Régulation de l’αKG dehydrogenase
- Inhibition par son produit NADH
Dans les muscles, le Ca2+ stimule l’isocitrate dehydrogenase et la αKG dehydrogenase.
Rq: Régulation de la malate dehydrogenase Inhibition par son produit NADH.
- Rôle central dans le métabolisme intermédiaire
Les intermédiaires du cycle servent de précurseurs biosynthétiques :
Foie (rôle métabolique majeur) :
Citrate => synthèse d’acides gras.
α−ketoglutarate =>synthèse d’acides aminés (Glu Arg Pro Gln) ⇒ purines (à partir de Glu).
SuccinylCoA => synthèse d’hème Malate => synthèse de glucose (via néoglucogenèse).
oxaloacetate =>synthèse d’acides aminés (Asp Asn) et de pyrimidines (à partir de Asn).
Cerveau :
α−ketoglutarate => synthèse de Glu et γ-aminobutyric acid (GABA) servent de neurotransmetteurs.
- Intermédiaires et réactions anaplérotiques
Si on déplète le cycle de Krebs en intermédiaires (oxaloacétate), il est nécessaire de compenser par un apport en intermédiaires pour maintenir le cycle actif (avec oxydation de l’acétyl CoA).
o Pyruvate carboxylase (PC)
Réaction qui requiert de l’énergie (ATP) ; Enzyme présente dans de nombreux tissus (foie, cortex rénal) ; Quand [OAA=oxaloacétate] diminue=> taux de réaction de citrate synthase diminue => [acetyl CoA] augmente => active la PC de façon allostérique
Mécanisme : La PC contient une biotine (coenzyme-groupement prosthétique) qui forme un lien covalent intermédiaire avec le CO2, lequel sera alors transféré au pyruvate pour former de l’OAA.
Biotine= vitamine B7 ->Requise dans l’alimentation Mais déficience rare.
- Dysfonctionnements du cycle de Krebs
« symptômes » : Incapacité à synthétiser de l’ATP à partir des composés de l’alimentation et une Accumulation des précurseurs/composés du cycle (pyruvate, α-KG)
Situations les plus communes:
- O2 insuffisant pour accepter les e- transférés à la chaîne respiratoire
- Déficience en thiamine (vitamine B1-précurseur du TPP) qui impacte sur les enzymes de la famille des dehydrogenases (PDC, α-KG dehydrogenase, branched-chain α-céto-acid dehydrogenase) → diète pauvre (malnutrition, anorexie), ou alcoolisme (défaut d’absorption intestinale)
- Déficience en PDC E1 sous-unité α (désordre lié à l’X dominant)
Manifestations « Beriberi »: B1 déficience sévère et chronique Cœur, muscle squelettique et cerveau sont les plus impactés (glucose comme substrat majeur pour synthèse d’ATP) Acidose lactique (pyruvate >>> lactate).
Intoxication à l’arsenic : L’arsenite (AsO3 2- ) se lie aux groupements sulfhydryl présents dans le lipoate de l’activité enzymatique E2 de l’ αKG dehydrogenase, PDC → Il s’agit d’un complexe stable qui Bloque l’oxydation des substrats ⇒ Bloque le cycle de Krebs.
Résumé de Biochimie Métabolique 2
Cours: Biochimie des animaux domestiques (VETE-G305)
Université: Université Libre de Bruxelles
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