Résumé biochimie

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BIOCHIMIE

Introduction Définition : La biochimie est l’étude des constituants de la matière vivante et de leurs réactions.
l’étude des réactions chimiques (complexes et catalysées) donnant naissance à la vie. Vie = agencement de molécules inertes (ADN…) en un édifice capable de se reproduire.
ensemble de réactions chimiques coordonnées d’une grande complexité. Caractéristiques fondamentales de la chimie des être vivants : -

Présence de macromolécules Présence d’enzymes (catalyseurs très spécifiques) : extraordinaire efficacité et spécificité : Réaction totale avec un rendement de 100% du produit nécessaire + accélération de la réaction Les enzymes fonctionnent de manière coordonnée
régulation et rétrocontrôle possibles. Grande organisation de la cellule : tout est fonction des structures de la cellule, les réactions dépendent de l’endroit où elles se déroulent (ex : respiration
membrane de la mitochondrie). Système ouvert : échanges de matières et de chaleur (énergie) avec l’extérieur
∆E = ∆H – T∆S, ∆E 0 : réaction endergonique, qui ne peut se produire spontanément. (endothermique)

64 ∆G = 0 : réaction à l’équilibre. Dans les conditions standard (concentrations = 1mol/l), on définit la variation d’énergie libre standard ∆G°, qui est une constante. Les enzymes ne peuvent catalyser que les réactions spontanées (∆G° 0 = 2 kcal/mol ∆G° < 0 = -8 kcal/mol B→C A→C ∆G° < 0 = -6 kcal/mol C’est le couplage des réactions qui rend l’ensemble possible. Attention: ∆G change au cours de la réaction, tandis que ∆G° reste constante. Pour les réactions qui se passent dans une cellule, on a défini ∆G°’, qui tient compte des protons en solution aqueuse à pH=7 : ∆G°’ = ∆G° ± 2,03 RT m log[H+] + si H+ est un réactif, - si H+ est un produit. m est le coefficient des protons (des H+). Exemple : Transformation de glucose-1-phosphate en glucose-6-phosphate par la phosphaglucomutase. On part de [G1P] = 10-1M. A l’équilibre, [G1P] = 4,5.10-3M, et [G6P] = 96.10-3M Kéq = [G6P]/[G1P] = 96.10-3/4,5.10-3 = 21,3 ∆G° = -2,03 RT log(Kéq) = -2,03.1,98.298.log(21,3) = -1,8 kcal/mol

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• Transport d’énergie Les cellules ont besoin d’énergie pour la fabrication des macromolécules et le mouvement en général. L’énergie libre libérée par les réactions énergétiques est transportée sous une forme particulière, l’ATP (ou l’un des autres nucléosides triphosphates, GTP…). ATP :

L’ATP possède deux types de liens avec les phosphates : 1 liaison ester (•) et 2 liaisons anhydrides (*). Ces dernières sont dites riches car elles contiennent beaucoup d’énergie. ATP + H2O ↔ ADP + Pi ∆G°’ = -7,3 kcal/mol Pi = phosphate inorganique ou orthophosphate :

Formes de résonance du Pi

ATP + H2O ↔ AMP + PP PP = pyrophosphate :

∆G°’ = -7,3 kcal/mol

L’équivalence de la variation d’énergie libre pour ces deux réactions est due au fait que c’est dans les deux cas une liaison anhydride qui est rompue. ATP + AMP ↔ 2 ADP Adénylate kinase

Les molécules d’ATP, ADP et AMP sont convertibles. L’énergie libre est beaucoup plus basse dans l’AMP et l’ADP que dans l’ATP, ce qui entraîne une redistribution des charges et ces deux molécules sont plus stables.

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Catabolisme : AMP + PP ou ADP + Pi → ATP + H2O La reformation d’ATP est désavantagée à cause de la stabilité de l’AMP et de l’ADP, ainsi qu’à cause des répulsions électromagnétiques qui existent entre les charges des O portés par les groupements phosphates. En 1940, Fritz Liebmann affirme que les aliments (lipides, oses…) peuvent être transformés par oxydation. Cette oxydation permet le passage ADP → ATP. (défavorable thermodynamiquement) Remarque : Les transports actifs sont des passages sélectifs de métabolites à travers les membranes. Ils nécessitent de l’énergie (consommation d’ATP par rupture des liaisons anhydrides).

• Réactions permettant à la cellule de se procurer de l’énergie Il existe plusieurs mécanismes qui fournissent de l’ATP. - Fermentation lactique : Réaction anaérobie (sans présence d’O2). Formation de lactate (ou acide lactique) CH3CHOHCOOH - Fermentation alcoolique : Réaction anaérobie. Formation d’éthanol C2H5OH. On connaît la fermentation depuis l’Antiquité par la fabrication du vin et de la bière, mais elle n’a été comprise que récemment. Pasteur a été le premier à découvrir que c’est un organisme, la levure qui se trouve sur la peau des raisins, qui est la cause de ce phénomène. Ensuite, ce sont les frères Bruckner qui ont découvert par hasard que la fermentation pouvait être obtenue à l’aide d’extraits de levure (pas uniquement de l’organisme tout entier
mais des fragments). - Respiration cellulaire : Réaction aérobie (avec présence d’O2). C’est le cycle de Krebs, qui est utilisé par les animaux. Il y a formation de CO2 et d’eau. Chacun de ces mécanismes commence par un tronc commun, qui est appelé glycolyse.

 Glycolyse La glycolyse est un processus qui permet à la cellule, par la transformation du glucose en pyruvate par une série d’étapes, de récupérer de l’énergie.

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Glucose (6C)



pyruvate (3C) 

fermentation lactique (ou alcoolique)

Ou 

cycle de Krebs  CO + H O + ATP (= cycle de l’acide citrique)

Lors de la glycolyse, il y a production d’ATP. Pour cellule eucaryote : glycolyse dans cytosol et cycle de Krebs dans mitochondries. La glycolyse peut être décomposée en 2 parties : - les étapes préparatoires - les étapes où il y a formation de liaisons riches, donc récupération d’énergie (ATP) La formule finale de la glycolyse est la suivante :

Bilan réactionnel de la glycolyse

Etapes préparatoires de la glycolyse



(schéma de Embder –Meyerhof 1925)

Elles mettent en forme les molécules pour la récupération d’énergie. 1. ATP + α-D-glucose → ADP + α-D-glucose-6-P

o o o o

∆G très négatif. On ajoute un phosphate au glucose, ce qui coûte un ATP. Enzymes : hexokinase (dans le cas de la levure) ou glucokinase (dans le cas du foie). L’α-D-glucose est un aldose. 2. α-D-glucose ↔ α-D-fructose-6-P ( = isomérisation )

o L’α-D-fructose-6-P est un cétose. On passe donc d’un cycle à 6C à un cycle o Enzyme : une isomérase, la glucoisomérase.

à 5C.

68 3. α-D-fructose-6-P + ATP → α-D-fructose-1-6-diphosphate + ADP ( = phosphorylation )

o ∆G négatif. o Catalysé par la 6-phosphofructokinase. o La 6-phosphofructokinase est une enzyme qui est régulateur : son activité dépend de façon complexe de la vitesse de la réaction. Son activité augmente en présence d’AMP et d’ADP mais diminue s’il y a un excès d’ATP. 4. α-D-fructose-1-6-diP ↔ glycéraldéhyde-3-P + dihydroxyacétone-3-P.

o Clivage du fructose-1-6-diP en 2 trioses phosphate au niveau des C3 et C4. o Des 2 trioses phosphate, seul le glycéraldéhyde-3-P est directement dégradé dans les étapes suivantes de la glycolyse. o Enzyme : aldolase. 5. dihydroxyacétone-3-P ↔ glycéraldéhyde-3-P. ( = isomérisation des trioses )

o Le dihydroxyacétone-3-phosphate est réversiblement transformé en glycéraldéhyde-3-P par un enzyme. Il est alors utilisable par la glycolyse. o Enzyme : triose phosphate isomérase. o Cette réaction a été découverte par le marquage radioactif d’un des carbones du glycéraldéhyde-3-P. Si on l’ajoute à de la levure, on remarque la formation de fructose-1-6-diphosphate possédant 2C marqués (la réaction 4 peut se faire dans les deux sens).

69 Les étapes qui ont été décrites jusqu’ici étaient des étapes de préparation. On y a consommé deux ATP sans produire d’énergie. -

Etapes énergétiques de la glycolyse :

Seul le glycéraldéhyde-3-P y est utilisé, mais comme il y a transformation du dihydroxyacétone en glycéraldéhyde, il faut compter toutes les réactions qui vont suivre en double. 6. glycéraldéhyde-3-P + Pi + NAD+ ↔ NADH + H+ + 1-3-diphosphoglycérate.

oxydation-phosphorylation du GAP

o C’est la première réaction où on récupère une partie de l’énergie. o Il y a formation d’un intermédiaire portant 2 P non équivalents (liaisons ester et anhydre). La liaison anhydre d’acide est riche en énergie. o C’est une réaction rédox : la réaction de phosphorylation est oxydative, tandis que le NAD+ est réduit en NADH. o Le NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide) intervient comme accepteur d’électrons. C’est un coenzyme d’oxydoréduction. (Rem : un coenzyme est une molécule indispensable au fonctionnement de la réaction. Il agit au niveau du site actif de l’enzyme. Il est transformé par la réaction mais sera régénéré à un autre moment. Il faut aussi noter que les enzymes n’ont pas tous besoin d’un coenzyme) o Enzyme : D-glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase (GAPDH)

NAD+

NADH

70 7. 1-3-diphosphoglycérate + ADP ↔ 3-phosphoglycérate + ATP

o Le clivage de la liaison anhydride libère beaucoup d’énergie. o L’énergie venant du clivage est suffisante pour former une liaison riche dans l’ATP. ADP + Pi ↔ ATP + H2O ∆G° = 7,3 kcal/mol Il y a donc couplage entre le clivage de la liaison anhydride et la formation d’ATP. C’est la première molécule d’ATP formée dans le processus de glycolyse. Mais comme on avait 2 trioses, on a récupéré déjà deux ATP. o Enzyme : phosphoglycérate kinase. 8. 3-phosphoglycérate ↔ 2-phosphoglycérate

o Transfert du P de la position 3 à la position 2. o Enzyme : phosphoglycerate mutase. 9. 2-phosphoglycérate ↔ phosphoénol pyruvate + H2O

o Donne naissance à une liaison phosphate riche en énergie par perte d’une molécule d’eau. o Réaction rédox à l’intérieur de la molécule : C2 est oxydé tandis que C3 est réduit. o Enzyme : énolase.

71 10. phosphoénol pyruvate + ADP ↔ pyruvate + ATP

o o o o

-

Tautomérie énol-cétone (la cétone est le plus stable). Clivage d’une liaison riche libérant beaucoup d’énergie, permettant de former l’ATP. Enzyme : pyruvate kinase. Remarque : ??? Bilan global de la glycolyse : Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Remarque : puisqu’il y a utilisation des deux triglycérides dans les étapes énergétiques de la glycolyse, il faut y multiplier par 2 les équations 6 à 10. Pour 2 ATP consommés, il y a donc 4 ATP produits. Ce n’est donc pas un processus très efficace. De plus, le NAD+ utilisé dans diverses étapes de la glycolyse est présent en petites quantités dans la cellule. Il doit être régénéré sans arrêt à partir de NADH. Ce processus sera différent selon qu’on se trouve en milieu aérobie ou anaérobie. Fermentations : Les fermentations sont obligatoires en milieu anaérobie. C’est d’ailleurs uniquement dans ces milieux qu’elles interviennent. Il en existe plusieurs, mais nous n’étudierons que les deux plus importantes. Elles ont pour objet de réoxyder le NADH en transformant le pyruvate. - La fermentation lactique : pyruvate + NADH + H+ ↔ lactate (acide lactique) + NAD+

La réduction du pyruvate en lactate est dans ce cas la dernière étape de la glycolyse. Elle permet de régénérer le NADH en NAD+, mais aussi d’utiliser le pyruvate, donc de tirer la réaction n°10 vers la droite. Enzyme : lactate déshydrogénase.

72 Remarque : en cas d’effort musculaire important et de courte durée, tout l’O2 environnant est consommé, on se retrouve en milieu anaérobie et la fermentation lactique a lieu qui permet d’avoir tout de même de l’énergie. Le lactate diffuse à travers la membrane et correspond à un déchet qui est éliminé par le sang. Si l’effort est trop intense, la concentration de lactate dans le sang est très élevée et on a une crampe. Le lactate est retransformé ultérieurement en glucose au niveau du foie. - La fermentation alcoolique : Ce type de fermentation a lieu dans des organismes comme la levure de bière. Ils fermentent le glucose (pyruvate) en éthnanol et CO2. C’est une réaction enzymatique. Première étape : réaction de décarboxylation. pyruvate → CO2 + acétaldéhyde (éthanal)

o Comme le CO2 se dégage, la réaction est poussée vers la droite. Elle est irréversible. o Enzyme : décarboxylase pyruvique. Seconde étape : transformation de l’aldéhyde en alcool. acétaldéhyde + NADH + H+ ↔ éthanol + NAD+

o L’éthanol est excrété par la cellule, ce qui tire la réaction vers la droite. o L’acétaldéhyde est réduit en éthanol aux dépens de NADH. o Enzyme : alcool déshydrogénase. L’éthanol et le CO2 remplacent l’acide lactique comme produit finaux de la fermentation par rapport à la fermentation lactique. La réaction globale peut s’écrire :

Remarques sur la glycolyse : 1. Démarrage de la réaction : La réaction n°6 ne peut se faire qu’en présence d’une quantité suffisante de NAD+. En cours de glycolyse, le NAD+ est régénéré par fermentation, mais, au début, il n’y a pas encore de pyruvate pour la fermentation. Il doit donc exister un autre moyen de fabriquer du NAD+. Il s’agit d’une amorce latérale.

73 Cette amorce utilise le dihydroxyacétone phosphate formé en 4. Dihydroxyacétone-3-P + NADH + H+ ↔ glycérophosphate + NAD+

L’enzyme qui catalyse cette réaction est la déshydrogénase du glycérophosphate (glycérophosphate-3-Pdéshydrogénase). Il est peu actif et ne fonctionne que quand la concentration de dihydroxyacétone est élevée. Cet enzyme est contrôlé par le taux de NAD+ formé. Dés que le NAD+ est présent en quantité suffisante, la réaction s’arrête (= rétrocontrôle). 2. Détours empruntés par la glycolyse pour récupérer de l’énergie : 1) L’équation globale des réactions 6 et 7 est : glycéraldéhyde-3-P → 3 phosphoglycérate

La cellule ne fait pas cette réaction directement, bien qu’elle soit thermodynamiquement très favorable. Elle passe par un détour qui lui permet de récupérer de l’ATP. Réaction n°6 : ∆G°’ = 1,5 kcal/mol Réaction n°7 : ∆G°’ = (-11,5 + 7,3) kcal/mol = 4,2 kcal/mol On pourrait faire l’analogie entre ces réactions chimiques et l’utilisation de l’énergie d’une chute d’eau. Plutôt que de laisser passer l’eau par son trajet normal (10 kcal), on préfère la faire monter un petit peu (1,5 kcal) pour l’amener vers une chute beaucoup plus brusque (11,5 kcal) dont on pourra utiliser l’énergie. Le couplage entre ces deux réactions :  oxydation du groupement aldéhyde en groupement carbonyle  formation d’ATP est indispensable au bon fonctionnement de la glycolyse.

74 2) On observe le même type de couplage dans les réactions 9 et 10. Il y a oxydation dans la réaction n°9, mais c’est une réaction d’oxydoréduction interne : le C2 est oxydé tandis que le C3 est réduit. ( voir réaction n°9 page 70 ) Réaction n°10 : rupture d’une liaison riche. Preuve qu’il y a une liaison riche dans le phosphoénol pyruvate : l’hydrolyse de celui-ci en énolpyruvate a un ∆G°’ = -14 kcal/mol. Phosphoénol pyruvate + H2O → énolpyruvate + H2PO4

Ce dégagement d’énergie est dû à l’instabilité de l’énolpyruvate qui donne immédiatement du pyruvate par tautomérie énol-cétone. On pourrait donc décomposer la réaction n°10 en deux réactions. 3. Couplage de réactions : Il y a couplage lorsque deux réactions ont lieu simultanément. Un découplant est un agent qui interfère avec ce couplage. Il y a un couplage entre l’élimination du P sur le 1,3 diphosphoglycérate et la fixation d’ATP (réaction n°7). Il existe des agents découplant cette réaction. Exemple : le groupement arsenic peut prendre la place du groupement P . En solution, il y a formation d’arséniate : HAsO42- est très semblable à HPO42-. Dans la réaction n°6, à partir de l’aldéhyde, on a formation d’un dérivé ressemblant au dérivé normal, mais qui n’est pas capable de former de l’ATP par après. L’enzyme qui catalyse cette réaction est le glycéraldéhyde-3-P-déshodrygénase. Cela prouve que, malgré sa spécificité, un enzyme peut se tromper. glycéraldéhyde-3-P + HAsO42- + NAD+ → CH2O P -CHOH-COOAsO42- + NADH + H+

Le CH2O P -CHOH-COOAsO42 est instable et se décompose naturellement en CH2O P -CHOH-COO-.

75 4. Bilan énergétique de la glycolyse + la fermentation lactique : Comparaisons : a) Combustion totale du glucose (oxydation totale) : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O ∆G°’ = -686 kcal/mol b) Transformation du glucose en lactate : C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOO∆G°’ = -47 kcal/mol soit ~7% du maximum c) Glycolyse + fermentation : C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3CHOHCOO- + 2 ATP + 2 H2O Récupération de 2 ATP ou 14,6 kcal/mol, soit ~30% du rendement de la transformation en lactate ou 2% du rendement de la combustion. L’énergie est dissipée en chaleur. Le processus vu ici n’est donc pas très efficace puisque seulement 2% du maximum sont récupérés. 5. Voies d’entrée de différents oses dans la glycolyse :

1. Le glycogène : C’est un matériel de réserve. Il est transformé en glucose 1P par la phosphorylase, et ensuite en glucose 6P par la phosphoglucomutase. Il peut alors entrer dans la glycolyse.

76 2. Le fructose : Il y a deux possibilités : a. fructose + ATP → fructose 6P + ADP C’est une réaction qui se produit dans les muscles et dont l’enzyme est l’hexokinase. b. fructose + ATP → fructose 1P + ADP Réaction qui se fait dans le foie. Fructose 1P → glycéraldéhyde (non phosphorylé) + dihydroxacétone 3P. Le dihydroxyacétone 3P peut entrer dans la glycolyse, mais le glycéraldéhyde doit encore être transformé. Glycéraldéhyde + ATP → glycéraldéhyde 3P + ADP Enzyme : kinase. 3. Le mannose : Le mannose est un épimère du glucose (il diffère de celui-ci par la position d’un OH). Mannose → mannose 6P Mannose 6P → fructose 6P 4. Le galactose : Le galactose a une voie très particulière d’entrée dans la glycolyse. C’est un épimère du glucose. Le galactose sera transformé en galactose 1P. Galactose + ATP → galactose 1P + ADP (hexokinase) Le galactose 1P est lui-même transformé en glucose 1P par un processus cyclique faisant intervenir l’UMP, l’UDP galactose et l’UDP glucose. UMP (undine monophosphate)

UDP galactose UDP glucose Le cycle : ???

Ensuite, le glucose 1P est transformé en glucose 6P (isomérase) qui peut rentrer dans la glycolyse. Remarque : ce processus est fort compliqué. On pourrait imaginer un chemin direct depuis le galactose 1P jusqu’au glucose 1P, mais l’enzyme nécessaire à cette réaction n’existe pas.

77 Le cycle de Krebs ou oxydation aérobie du glucose : Comme nous l’avons vu, en milieu anaérobie, la production d’ATP à partir de glucose est modeste. Nous allons voir que l’oxydation aérobie du glucose (aussi appelée respiration cellulaire ou cycle de Krebs) produit beaucoup plus d’ATP. En milieu aérobie, la dégradation du glucose ne s’arrête pas au stade lactate, mais continue jusqu’à ce que les produits de la glycolyse soient complètement oxydés. L’oxydation aérobie consomme évidemment de l’oxygène (O2) et produit du CO2 et de l’H2O. Dans ce processus, on va produire 38 ATP, ce qui constitue bien sûr un meilleur rendement que celui de la fermentation. Expériences qui ont montré que l’on avait affaire à un processus cyclique : En 1935, Szent-Gyorgyi étudie la consommation d’O2 par des fragments de muscles de pigeons. Il obtient la courbe suivante : après 20 minutes, la consommation d’O2 cesse d’augmenter. Par contre, s’il ajoute un jus de muscle pressé, la consommation reprend. Szent-Gyorgyi analyse alors le jus pour trouver la molécule qui est à la base de ce phénomène. Il détecte du succinate, un acide à 4C. Il en ajoute à ses morceaux de muscles et la consommation d’O2 reprend, mais de façon beaucoup trop importante pour que ce soit simplement dû à une oxydation du succinate. A la place de 3/2 O2, il constate une consommation de 70 à 100 oxygènes. Il en déduit que le succinate a un rôle catalytique. Szent-Gyorgyi continue ses recherches et trouve qu’on peut avoir le même type de phénomène avec des sels de : l'acide fumarique : l’acide oxaloacétique (= oxaloacétate) : l’acide malique :

Szent-Gyorgyi montre qu’il existe un rapport entre la quantité d’oxygène consommée et la production de CO2 : CO2/O2 = 1. Ce rapport est caractéristique de l’oxydation des glucides : C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O Hans Krebs recherche des autres molécules ayant un rôle catalytique dans cette réaction. Il découvre le citrate (sel de l’acide citrique), qui possède 6C. Pyruvate + oxaloacétate + muscle → citrate. Krebs découvre des inhibiteurs, en particulier le malate (sel de l’acide malique). En présence de malate, il n’y a plus consommation d’O2 mais accumulation d’acétoglutarate :

78 Il découvre aussi une série d’enzymes qui sont capables de transformer tous ces acides les uns en les autres. De toutes ces informations, Krebs va déduire que le processus de transformation du pyruvate est cyclique et que tous les acides nommés plus haut y interviennent. Le citrate fait la jonction entre la glycolyse et la respiration. Le cycle de Krebs : Le cycle de Krebs se déroule dans la mitochondrie de la cellule. glycolyse

cycle de Krebs

Glucose → pyruvate → CO2 + H2O + ATP Entrée du pyruvate dans le cycle : Le pyruvate doit subir une oxydation avant de pouvoir entrer dans le cycle. pyruvate + NAD+ +CoASH → CO2 + thioster + NADH +H+

-

acétyl coenzyme A cofacteur. Il est formé d’un acide aminé, d’un nucléotide diphosphate et d’un groupement thiol. Il y a une liaison riche (thioester). on écrit CoA-SH parce que le SH est réactif (on le met en évidence). rappel : lien ester = élimination d’eau entre un alcool et un acide : ROH – R’COOH → RCOOR’ + H2O c’est une décarboxylation oxydative pyruvate → acide acétique → acétyl Co A décarboxylation-oxydation

-

lien thiester avec thiol

cette réaction est irréversible. Elle constitue une étape obligatoire pour faire rentrer les glucides (par la voie du pyruvate) dans le cycle. ici, le pyruvate est encore oxydé, tandis que dans les fermentations, le pyruvate était réduit. enzyme : déshydrogénase pyruvique (enzyme très complexe et crucial pour la régulation du cycle).

Le cycle : Il comporte 9 étapes : Les C marqués d’une étoile sont marqués radioactivement, afin que l’on puisse les suivre à la trace au fil des réactions. 1. oxaloacétate + acétyl Co A + H2O → citrate + CoASH + H+

79 o Condensation de l’actéyl CoA et de l’oxaloacétate o On remarque que le CoA-SH est régénéré. Il y a eu utilisation de l’énergie du lien thioester pour former une liaison covalente. o Le citrate est une molécule symétrique. o Enzyme : citrate synthase o Cette réaction se décompose en deux étapes : i. oxaloacétate + acétyl CoA → citryl CoA ii. hydrolyse de la liaison thioester : citryl CoA + H2O → citrate + CoASH + H+ 2. citrate ↔ cis-aconitate ↔ isocitrate

o Formation en deux étapes de l’isocitrate. o Une molécule d’eau a changé de place pour former une molécule asymétrique. o L’équilibre aurait tendance à privilégier le citrate, mais l’utilisation de l’isocitrate pousse la réaction vers la droite. o Enzyme : aconitase pour les deux étapes. o L’aconitase possède un atome de fer qui joue un rôle important dans la reconnaissance du groupement carbonyl. L’aconitase manipule le citrate comme s’il était asymétrique, alors qu’il est symétrique. Cela est dû à la présence de sites prochiraux dans le citrate. o Le produit final est un seul des 4 isomères possibles de l’isocitrate. 3. isocitrate + NAD+ ↔ oxalsuccinate + NADH + H+

o Réaction d’oxydoréduction. L’isocitrate est oxydé en présence de NAD+. o Enzyme : isocitrate déshydrogénase. 4. oxalsuccinate + H+ → CO2 + α-cétoglutanate

80

o Réaction de décarboxylation. On passe d’une molécule à 6C à une molécule à 5C. o Enzyme : isocitrate déshydrogénase. o Premier CO2 éliminé dans le cycle. Ce CO2 ne provient pas du pyruvate nouvellement entré dans le cycle mais bien de l’oxaloacétate. 5. α-cétoglutanate + NAD+ + CoASH → CO2 + NADH + H+ + succinyl CoA

o o o o o

Décarboxylation oxydative. Formation d’un lien riche (thioester). 2 cofacteurs : NAD+ et CoASH. Réaction irréversible. Enzyme : αcétoglutarate déshydrogénase. Le second CO2 éliminé ne provient pas non plus d’un pyruvate.

6. succinyl CoA + GDP + Pi ↔ GTP + CoASH + succinate

o On récupère l’énergie de la liaison thioester pour former une molécule équivalente à l’ATP, le GTP (formation d’un lien anhydride). o Enzyme : succinate thiokinase ou succinyl CoA synthétase selon qu’on regarde cette réaction dans un sens ou dans l’autre, mais c’est bien sûr le même enzyme.

81 o On peut imaginer de décomposer cette réaction en deux étapes couplées : i. clivage : ∆G°’ = -8 kcal/mol ii. GDP + Pi ↔ GTP + H2O ∆G°’ = 7,3 kcal/mol
∆G°’ = -0,7 kcal/mol o La conversion du GTP en ATP est possible : GTP + ADP ↔ GDP + ATP 7. succinate + FAD ↔ fumarate + FADH2

o Le succinate subit une réaction d’oxydoréduction. o Enzyme : succinate déshydrogénase. o Le FAD (flavine adénine dinucléotide) est un accepteur de protons, un cofacteur oxydant. Il a une structure similaire au NAD : nucléotide + pseudo-nucléotide (car ose linéaire au lieu de cyclique). Il possède deux doubles liaisons, ce qui lui permet de fixer effectivement deux H. Le FAD peut être considéré comme attaché à l’enzyme, et n’est donc pas libre comme le NAD. 8. fumarate + H2O ↔ L-malate

o On passe d’une molécule symétrique à une molécule asymétrique par addition d’eau. o Enzyme : fumarase. L’activation de l’enzyme est stéréospécifique car elle ne forme et ne déshydrate que le stéréoisomère L du malate. 9. L-malate + NAD+ ↔ NADH + H+ + oxaloacétate

o ∆G°’ > 0. Cette réaction ne se fait donc pas spontanément en milieu libre, mais comme l’oxaloacétate est directement consommé, la réaction est poussée vers la droite. o Enzyme : malate déshydrogénase.

82 Bilan du cycle :

Ceci est le bilan d’un tour du cycle de Krebs. Pour chaque groupe acétyl entrant dans le cycle, 2C sont éliminés sous forme de CO2. Ces C ne sont pas ceux introduits par le groupement acétyl (observé grâce au marquage). Quatre paires d’atomes d’hydrogène sont fournies par les déshydrogénations enzymatiques (3 sont utilisées pour réduire le NAD+ et une pour réduire le FAD).

Remarques : - Il faut plusieurs tours de cycle pour que tous les C de l’acétyl CoA soient sous forme de CO2. - La raison de ce mécanisme compliqué est qu’il permet de récupérer de l’énergie (ATP, GTP) mais aussi qu’il permet des réactions chimiques complexes (oxydation du pyruvate, du méthyl) dans des conditions ménagées. - On n’a pas encore vu le rôle de l’O2 dans la respiration qui doit pourtant être aérobie. Les atomes d’oxygène du CO2 produit ne sont pas ceux de l’O2 inspiré. - Les cofacteurs doivent encore être régénérés. Il y a production d’un NADH dés l’entrée du cycle et de trois autres ensuite, plus un FADH2 . - La récupération d’énergie paraît faible jusqu’ici : seulement 1 GTP et 2 ATP de la glycolyse récupérés, alors qu’on sait que 38 ATP sont produits. En fait, la réponse à tous ces problèmes (utilisation de l’O2, régénération des cofacteurs, formation d’ATP) se situe dans des mécanismes annexes au cycle.

83 Mécanismes annexes au cycle de Krebs : Nous n’allons en voir qu’un seul : Chaîne respiratoire, chaîne de transport d’électrons : Ces mécanismes nous permettront de comprendre la régénération (réoxydation) des cofacteurs et la récupération de l’énergie. Il existe un couplage très étroit entre le cycle de Krebs et la chaîne de Warburg. Engelhardt : Comment expliquer la production d’ATP par l’oxydation aérobie du glucose ? Il étudie la respiration sur des globules rouges, et observe la production d’ATP in vivo, mais seulement en présence d’O2. Il établit donc un parallélisme entre la ventilation et la production d’ATP. Par contre, in vitro, si les globules rouges sont lysé, il n’observe pas de production d’ATP, même en présence d’O2. De plus, si on ajoute de l’ATP, celui-ci est consommé. En fait, en lysant les globules rouges, il a libéré des ATPases qui clivent l’ATP. Kalckar : Quand on lyse, on a dans l’extrait une ATPase. Kalckar va détruire l’activité biologique de cet enzyme. Pour cela, il va utiliser un enzyme qui réagit plus vite que l’ATPase. On prend l’hexokinase dont le Km (= 10-6M) est plus petit que le Km de l’ATPase (= 10-2M). Si son Km est plus petit, il aura consommé tout l’ATP avant que l’ATPase n’aie le temps de interagir. Km = concentration à la demi vitesse maximum. L’hexokinase est facilement dosable. Sa présence empêche le masquage de la production d’ATP, car elle catalyse la réaction suivante : glucose + ATP ↔ glucose 6 P + ADP Kalckar montre ainsi qu’il y a une grande production d’ATP, même in vitro. En mesurant la concentration de glucose 6 P, il a établi un rapport P(fixé sur glu)/O(absorbé) = 2,5 Or on connaît l’oxydation du pyruvate : pyruvate + 5/2O2 → 2 H2O + 3CO2 ∆G°’ = -280 kcal/mol Kalckar observe la production de 12,5 ATP (= 2,5 P par O × 5/2 O2) par pyruvate, donc 25 par glucose. Thermodynamiquement, plus de 12,5 ATP pourraient être produits : 12,5 × 7,3 = 91 kcal/mol. Pourtant, si on n’observe que le cycle de Krebs, on voit la formation que d’un GTP. D’où viennent les autres ? Keelin : Keelin était un parasitologue. Etudiant les moustiques, il les colle avec de la glu sur une lame de microscope. Il constate alors que les pattes changent de couleur quand le moustique se débat. Il fait des observations au microspectroscope (ancêtre du spectrophotomètre, composé d’un microscope et d’un prisme) et remarque des bandes dans le spectre d’absorption. Au repos : Le muscle est oxygéné (présence d’O2)
la molécule colorée est sous la forme oxydée

84 Agitation : Le muscle n’est pas fort oxygéné
forme réduite de la molécule
3 raies nettes dans le vert. Keelin met ainsi en évidence des protéines (les cytochromes « c ») présentes dans les mitochondries des cellules du muscle. Ces cytochromes ont un petit poids moléculaire et comportent un groupement hème apparenté à l’hème de l’hémoglobine. La découverte des cytochromes a permis la compréhension des phénomènes d’oxydoréduction de la récupération d’énergie. Ce sont des éléments capitaux de la récupération d’énergie. Les cytochromes sont oxydés lors de la respiration cellulaire. Ils sont placés dans la membrane interne de la mitochondrie (la majorité des enzymes du cycle de Krebs sont situés dans la matrice). On peut facilement isoler les cytochromes c dans les muscles de pigeon. Spectre d’absorption du cytochrome : oxydé : réduit : -----Oxydé : pic à 400 nm et bandes à 600 nm. Réduit : pics à 400, 500 et 600 nm. Rem : la troisième bande présente in vivo est due à un autre cytochrome. Dans l’hème, on a un changement de l’état d’oxydation du fer. On passe de Fe2+ à Fe3+. Le cytochrome va donc permettre de faire des réactions rédox grâce aux hèmes. La structure et les fonctions du cytochrome sont très différentes de celles de la myoglobine malgré la présence d’un groupement hème. En effet, dans la myoglobine, l’atome de Fe ne change pas d’étage d’oxydation. Il existe plusieurs sortes de cytochromes , c, c1, a, b, a3, qui diffèrent par leur groupement hème. L’ensemble forme les différents éléments de la chaîne respiratoire, ou chaîne de transfert d’électrons. La chaîne respiratoire est donc un édifice complexe de protéines, mais aussi un ensemble de processus qui contiennent des cytochromes de tous types. La chaîne permet la réoxydation de NADH et FADH2 (produits dans le cycle de Krebs et la glycolyse), et régénèrent donc NAD+ et FAD, qui sont nécessaires à l’oxydation aérobie du glucose. A l’autre extrémité de la chaîne, on a la réduction de l’oxygène moléculaire : ½O2 → H2O On voit enfin où se situe le rôle de l’O2. Il intervient dans l’oxydation du NADH en NAD+ et donc dans la chaîne de transport d’électrons (chaîne respiratoire).

85 Nous avons affaire à un processus indirect, réversible. Toutes ces réactions ont lieu dans la mitochondrie, où sont situés les cytochromes. La mitochondrie est un organite cellulaire de environ 1µm de large. Il en existe ~2000 dans chaque cellule, et plus dans les cellules musculaires. Elle possède une membrane externe et une membrane interne formant des crêtes, le tout entourant une matrice. Les deux membranes ont des rôles différents. Les réactions de la chaîne respiratoire ont lieu au niveau de la membrane interne tandis que les enzymes du cycle de Krebs se trouvent dans la matrice et ceux de la glycolyse dans le cytosol.

Membrane externe : La membrane externe est constituée de lipides lipides et de protéines. Elle a une perméabilité sélective due à ses pores : elle est perméable aux ions et aux molécules de petit poids moléculaire (PM < 10000). La composition du cytosol et de l’espace inter-membranaire membranaire est ainsi quasi identique. id Membrane interne : La membrane interne a une grande teneur en protéines (80%), et contient peu de lipides (20%). Elle est imperméable aux ions et aux petites molécules, sauf quand elles sont transportées de manière active. La chaîne respiratoire fait partie intégrante de cette membrane. Matrice : La matrice contient, outre les enzymes du cycle de Krebs, l’ADN de la mitochondrie ainsi que les ribosomes, des acides aminés et tous les enzymes nécessaires à la synthèse des protéines.

86 La chaîne respiratoire : Pour se représenter les chaînes respiratoires, on imagine des ensembles complexes. La structure fine de ces complexes est encore mal connue et on la représentera par une boîte noire. Complexe I : NADH-ubiquinone réductase. Réoxydation du NADH par un transfert de protons sur le coenzyme Q. Dans ce complexe, on a un cofacteur : FMN (flavine mononucléotide diphosphate, autre forme du FAD). Il est aussi important de remarquer la présence du FeS. Au sein du complexe, on a donc :

Enzyme : NADH réductase. Le complexe FMN-FeS est ancré dans le membrane tandis que Q et QH2 sont libres. Le Q peut donc passer d’un complexe à l’autre. Q est un coenzyme, il est nécessaire au bon fonctionnement du complexe I et sera régénéré par le complexe III. Ubiquinol : QH2 Ubiquinone : QComplexe III : Ubiquinol-cytochrome c réductase. L’atome de Fe change d’étage d’oxydation : il passe de +2 à +3. Au sein du complexe, on a :

On réduit le cytochrome c1. Cela se fait par un transport d’électrons et non plus de protons comme dans les complexes I et II. En effet, le Fe change d’état d’oxydation. C’est ce phénomène qui donne son nom à la chaîne de transport d’électrons. Il faut remarquer ici que 2 protons sont libérés. Complexe IV : Cytochrome oxydase. Réoxydation du cytochrome et réduction de l’O2 en H2O. Au sein du complexe, on a :

Complexe II : Succinate-ubiquinone réductase. Oxydation du FAD en FADH2 par l’intermédiaire de Q qui sert donc de charnière. Le cofacteur FAD fait luimême partie du complexe, mais il est représenté séparément pour simplifier. En fait, on a :

87 La succinate déshydrogénase (enzyme du cycle de Krebs, étape n°7) intervient ici. Remarques : - La chaîne respiratoire constitue une grande partie des protéines qui se trouvent dans la membrane mitochondriale interne. - Le complexe IV est le seul possédant des molécules capables de réagir avec l’oxygène moléculaire. - Il est important que le processus ne génère pas d’ion superoxyde : O2 + e- ↔ O2- qui est très réducteur. C’est là l’avantage d’un passage direct de O2 à H2O. Bilan au niveau des chaînes respiratoires : NADH + H+ ↔ NAD+ + H2O (complexes I, III et IV) FADH2 + ½ O2 ↔ FAD + H2O (complexes II, III et IV) Pourquoi parle-t-on de transfert d’électron ? FADH2 ↔ FAD + 2H+ + 2e- (cfr ce qui se passe aux complexes II et III)

Comme on transfère 2H+, on doit aussi transférer 2e-. On peut calculer l’énergie que représente un tel phénomène : ∆G°’ = -nF∆E◦’ où n est le nombre d’électrons transférés. On a deux couples d’oxydoréduction :

88 NAD+ + H+ + 2e- ↔ NADH ½ O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O

∆E◦’ = -0,32V ∆E◦’ = +0,82V


∆E◦’ = 0,82V –(-0,32V) = 1,14V
∆G°’ = -23,062 × 1,14 × 2 = -52,6 kcal/mol Pour chaque production d’une mole de NAD+ (par réoxydation de NADH), on a libération de 52,6 kcal. Dans le cas du FAD, (réoxydation du FADH2), ∆G°’ = -43,4 kcal/mol. Nous avons donc affaire à un processus qui libère beaucoup d’énergie, ce qui permet bien sûr une récupération d’énergie. NADH/NAD+ 0,42V

18 kcal/mol


1 ATP

0,18V

8,3 kcal/mol


1 ATP

0,54V

24,9 kcal/mol
1 ATP

cyt b cyt c O2

Dans chacun des complexes, on a libération d’énergie
production d’ATP
formation de 3 ATP par NADH + H+ réoxydé. Dans le cas du FADH2, on a seulement 2 ATP, qui sont produits au niveau des complexes III et IV, mais pas du complexe II (∆G°’ est trop faible). Le bilan est donc : Réoxydation de 4 NADH + H+ et de 1 FADH2
∆G°’ = -251 kcal/mol. On peut comparer cela avec l’oxydation complète du pyruvate (∆G°’ = -280 kcal/mol) Il y a donc récupération d’environ 90% de l’énergie au niveau des chaînes respiratoires. En fait, c’est un gradient de protons qui permet de récupérer de l’ATP. Comment les ATP sont-ils produits ? Hypothèse chimiosmotique de Mitchell : Il explique la production d’ATP à partir de réactions d’oxydoréduction et de la structure des mitochondries.

89 Il y a un pompage des protons par les complexes et ils sont envoyés dans l’espace inter-membranaire grâce à l’énergie libérée par l’oxydation. Il y a accumulation des protons à cet endroit puisque la membrane interne est perméable aux petites molécules et aux ions : [H+] augmente. Au niveau du complexe II, deux protons sont expulsés. En fait, tous les complexes en expulsent. L’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP est produite par l’apparition d’un gradient de protons entre l’espace inter-membranaire et la matrice. Ce gradient permet la synthèse d’ATP grâce à un système appelé ATP synthétase. Les protons repassent dans la matrice et il y a rééquilibrage des charges. L’oxydation du NADH expulse 11H+, tandis que celle du FADH2 expulse 8H+. Pour synthétiser une molécule d’ATP, il faut fournir entre 3 et 4 protons. En entrant dans la matrice, ces protons permettront de former respectivement 3 et 2 ATP. L’ATP synthétase est constituée de deux éléments : F0 et F1. F0 : 3 sous-unités. C’est une pompe à protons, qui transporte activement les H+ dans la matrice. F1 : 5 sous-unités. Synthétise l’ATP (ADP + Pi ↔ ATP + H2O). L’accumulation des protons (apparition d’un gradient) correspond donc à une accumulation d’énergie. Il y a apparition d’une « force proton-motrice ». Processus de transfert : nH+int → nH+ext. ∆G = RT ln([H+]nint/[H+]next) = 2,03 nRT (pHext – pHint) Il apparaît à la membrane un potentiel puisqu’on a un appauvrissement de H+ à l’intérieur (apparition d’une charge -) et un enrichissement à l’extérieur. C’est un potentiel de membrane : ∆G = -nF∆Φ où ∆Φ = Φext - Φint ∆GT = -nF∆Φ – 2,03 nRT ∆pH ∆p = ∆Φ – (2,03 RT/F)∆pH = ∆Φ – 0,050∆pH = 0,14 – 0,059(-1,4) = 224V

∆p : variation d’énergie pas mole de protons (valeurs à 25°C)


∆G°’ = -5,2 kcal/mol. C’est l’énergie qu’il faut fournir pour amener les protons dans l’espace intermembranaire. Donc, l’énergie récupérable lorsqu’ils passent dans l’autre sens. Or, il faut 7,3 kcal/mol pour produire 1 ATP. Donc, pour produire 3 ATP, il faut au moins 4 électrons. Arguments en faveur de l’hypothèse de Mitchell : 1) On isole les mitochondries et on les traite au détergent. Il y a perturbation des bicouches lipidiques de la membrane interne et elle est partiellement dissoute. Les H+ accumulés dans l’espace inter-membranaire peuvent donc traverser la membrane sans passer par l’ATP synthétase et on observe effectivement que l’ATP n’est plus produit.

90 b) Utilisation d’un découplant comme le dinitrophénol.

Le dinitrophénol est une molécule lipophile (peut donc se dissoudre dans la membrane) qui peut être chargée (capable de fixer des protons). En présence du découplant, la synthèse d’ATP cesse car le dinitrophénol peut transporter des H+ et passer à travers la membrane interne de la mitochondrie. Remarque : Il existe des découplants naturels qui ont le même rôle. Exemple : un animal qui hiberne n’a pas besoin de beaucoup d’énergie mais doit tout de même maintenir sa température. Une protéine est présente dans les mitochondries pendant l’hibernation qui dissipe le gradient de protons en chaleur. Cette protéine disparaît une fois l’hiver passé. c) Raker montre les rôles respectifs de F0 (transport des H+) et F1 (synthèse d’ATP). Il utilise pour cela les utlrasons : en agitant violemment la membrane par ultrasons, on parvient à cliver des parties de cette membrane. Ces petits morceaux de membrane se ressoudent pour former de petites vésicules. Ces vésicules, isolées, sont traitées par de l’urée (agent dénaturant doux, qui respecte l’activité locale), ce qui a pour effet de séparer les entités F0et F1.

Les F0 ont encore un rôle de transporteur d’H+ tandis que les F1 qui sont isolés peuvent jouer le rôle d’ATPases. En effet, puisqu’il n’y a plus d’énergie pour faire aller la réaction dans le sens de la production d’ATP, il y a dégradation de l’ATP jusqu’à atteinte de l’équilibre entre ATP et ADP. On peut reconstituer l’entité complète F0/F1 et montrer qu’elle a à nouveau un rôle d’ATP synthétase.

91 Remarques : La mitochondrie sert de lieu de synthèse de l’ATP (ATP qui servira dans le cytosol) à partir de l’ADP provenant du cytosol. Il faut donc faire circuler l’ADP dans un sens et l’ATP dans l’autre. L’ATP et l’ADP sont transférés au travers de la membrane interne par des translocases. Ce sont des protéines spécialisées qui ont aussi un rôle régulateur. Il s’agit d’un transport actif car il nécessite l’intervention d’une protéine. La translocase se trouve dans la membrane interne. Elle peut fixer l’ADP ou l’ATP et subit alors une permutation qui amène l’ATP à l’extérieur ou l’ADP à l’intérieur. Elle a une affinité différente pour l’ADP ou l’ATP selon sa position. Cela est dû à la polarité de la membrane et à la charge différente de l’ATP et l’ADP. Ainsi, on évite qu’une molécule ne traverse la membrane dans le mauvais sens. L’échange est équitable : il y a autant d’ADP qui rentrent que d’ATP qui sortent. Bilan total de la synthèse d’ATP au cours de l’oxydation aérobie du glucose : glucose ↓ glycolyse ↓ pyruvate ↓ acétyl CoA

cycle de Krebs + chaînes resp.

CO2 + H2O

G + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvate + 2 ATP + 2(NADH + H+) + 2H2O 2 (NADH + H+) + 2 (1/2 O2) + 6Pi + 6 ADP → 2 NAD+ + 6 ATP + 2H2O

pyruvate + 5(1/2 O2) + 15 Pi + 15 ADP → 3CO2 + 15 ATP + 17 H2O en effet : 4 NADH → 12 ATP 1 FADH2 → 2 ATP 1 GTP → 1 ATP ×2 car il y a 2 pyruvate par glucose
30 ATP !

Le bilan global est donc de 38 ATP ! Bilan global (glycolyse – cycle de Krebs – chaînes respiratoires) C6H12O6 + 6O2 + 38 ADP + 38 Pi → 6CO2 + 38 ATP + 44 H2O La combustion du glucose : Glucose + 6O2 → 6CO2 + 6H2O produit 686 kcal/mol. L’oxydation aérobie du glucose permet de récupérer 38 ATP, soit 272 kcal/mol. Le rendement est donc de 40%. La récupération d’énergie est partielle, le reste de l’énergie est dissipée en chaleur. Pourtant, si on ne considère que l’oxydation du pyruvate, ∆G = -280 kcal/mol et 30 ATP sont récupérés, soit 251 kcal/mol. Le rendement est de ~90%, ce qui est exceptionnel !

92

On voit donc que la partie glycolyse du processus est peu efficace, l’essentiel des ATP étant récupérés à partir du cycle de Krebs. Le processus efficace (cycle de Krebs) se serait ajouté par après au processus de glycolyse primitif au cours de l’évolution. Cependant, le processus de fermentation est toujours présent dans les cellules pratiquant la respiration. En effet, dans certaines conditions (effort musculaire très violent), la cellule peut se retrouver en anaérobie, et c’est alors que la fermentation lactique intervient. Tous ces processus (glycolyse, cycle de Krebs, oxydation aérobie) sont parfaitement régulés. Ils font appel à des rétrocontrôles dont l’action est réversible. Régulation des processus de glycolyse et de désoxydation aérobique : Glucose ↓ Fructose 1-6 diP ↓ Pyruvate ↓ Acétyl CoA ↓ Citrate

phosphofructukinase (1) déshydrogénase pyruvique (2) Citrate synthétase (3)

Cycle de Krebs Succinyl CoA NADH FADH2 Chaîne respiratoire ATP Ce système subit un rétrocontrôle et l’ATP sert d’élément régulateur au niveau de plusieurs enzymes. (1) est inhibé par un excèse d’ATP : son activité ralentit, et donc l’ensemble du processus ralentit. (2) est aussi inhibé par un excès d’ATP. Son activité diminue aussi en présence d’un excès d’acétyl CoA. Le + (2) est en fait un complexe enzymatique qui est sensible à la concentration en ATP et au rapport NADH/NAD

(reflet de la saturation des chaînes respiratoires) par la phosphorylation d’une sérine. est contrôlé par la concentration de succinyl CoA (problème au niveau du cycle de Krebs) et de NADH (problème au niveau de la chaîne respiratoire). (3)

Les navettes :

93 La glycolyse est localisée dans le cytosol et le cycle de Krebs dans la mitochondrie. Cependant, le NADH ne va jamais passer la membrane interne de la mitochondrie. Il existe un système de navettes qui permettent de faire passer le pouvoir réducteur du NADH du cytosol à la matrice. Il en existe plus exactement de 2 types, suivant le type de cellule. - Navette du glycérophosphate : Cette navette se rencontre dans les cellules de muscle, de cerveau… Dans le cytosol, on a : dihydroxyacétone-3-P + NADH + H+ ↔ NAD+ + glycérophosphate-3-P

Enzyme : glycérophosphate déshydrogénase. Remarque : c’est la même réaction qui permet de lancer la glycolyse en anaérobie en absence de NAD+ et jusqu’à obtention d’une concentration suffisante de celui-ci. En aérobie, on a le transfert du glycérophosphate (du cytosol vers la matrice) et oxydation à l’intérieur de la matrice. Dans la matrice : glycérophosphate + FAD ↔ FADH2 + dihydroxyacétone ( voir schéma précédent ) Enzyme : glycérophosphate déshydrogénase. Ce n’est pas le même enzyme que plus haut : celui-ci utilise le FAD comme cofacteur. Ensuite, il y a retour du dihydroxyacétone dans le cytosol et réoxydation du FADH2 par les chaînes respiratoires dans la matrice. Rappel : FADH2 → 2ATP alors que NADH → 3ATP. Dans les tissus utilisant ce type de navette, on rencontre donc un bilan déficient de 2 ATP (ici, le bilan total est de 36 ATP). - Navette malate-aspartate : Présente dans les cellule de foie.

94 L’oxaloacétate ne peut pas passer à travers la membrane, ce qui complique le mécanisme. On a une transamination. Oxydo-réduction : oxaloacétate + NADH + H+ ↔ NAD+ + malate Transamination : (passage amine → cétone et en même temps cétone → amine) glutamate + oxaloacétate ↔ α-cétoglutarate + aspartate

On a une transamination dans le cytosol et dans la mitochondrie. Dans le bilan total de la glycolyse, il faut tenir compte de cette navette mais pas au point de vue de l’ATP car ici, on n’utilise plus du FAD mais bien du NAD. Le bilan est donc bien de 38 ATP… Transformation des lipides : Le cycle de Krebs ne fonctionne pas qu’à base d’oses. C’est un processus général qui peut transformer d’autres molécules, par exemple les lipides. En effet, notre réserve énergétique est essentiellement constituée de graisses. Les lipides peuvent fournir les ATP dont la cellule a besoin (lipide ~9 kcal/g ; ose ~4kcal/g). Un adulte possède ~130000 kcal sous forme de graisses et 600 kcal sous forme d’oses. Les lipides de réserve sont des triglycérides (glycérol + acides gras) :

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- 1ère étape : clivage du lipide en glycérol et acides gras. Se produit au niveau de l’intestin qui produit des lipases (clivent des liaisons ester). Il existe 3 types de lipases : celles qui clivent au niveau du C1, celles qui clivent au niveau du C2, et celles qui clivent au niveau du C3. Les acides gras sont véhiculés vers le foie, où ils sont oxydés en CO2. Le glycérol s’intègre au processus de glycolyse. -

2ème étape : oxydation de l’acide gras.L’oxydation se fait par étapes : élimination de 2C à la fois.

Expérience de Kraft : Il donne à manger à des lapins des dérivés d’acides gras contenant des groupements facilement reconnaissables et observe les résidus dans les excréments. Si n est pair, on retrouve dans l’urine du phenylacétate : Si n est impair, on retrouve du benzoate : Ceci ne s’explique que par le fait que les acides gras sont clivés par 2C. Exemples : ??? n=3 n=4 Soit un acide gras contenant nC et un groupement acide. 1) formation d’un Acétyl CoA : molécule activée. Pour faire cette réaction, on a bien assez d’énergie provenant de ATP → AMP + PP Or, H2O + PP → 2Pi (enzyme : pyrophosphatase) On obtient de l’AMP et pas de l’ADP. Pourquoi ? Décomposons la réaction : a) b) 2) Formation d’une double liaison. 3) On ajoute de l’eau, suppression de la double liaison. 4) Réaction d’oxydation avec comme cofacteur NADH.