Chapitre 16 Introduction au mtabolisme 1 Mtabolisme cellulaire

Chapitre 16 : Introduction au métabolisme 1. Métabolisme cellulaire 2. Rappels de thermodynamique 3. Rôle particulier de l’ATP 4. Composés extrêmement riches en énergie 5. Réactions d’oxydoréduction

Métabolisme cellulaire 1 • • • Les réactions biochimiques dans la cellule sont à l’équilibre Les organismes vivants ne sont pas à l’équilibre Par le métabolisme l’organisme vivant consomme de l’énergie libre pour assurer différentes fonctions

Métabolisme cellulaire 2 • Pour les êtres phototrophes l’énergie libre est fournie par le soleil grâce à la photosynthèse (CO 2 + H 2 O --> glucides + O 2) • Les êtres chimiotrophes obtiennent leur énergie libre en oxydant des composées organiques provenant d’autres organismes phototrophes. • L’énergie libre est le plus souvent utilisée pour la synthèse intermédiaire de composés phosphorylés riches en énergie tels que l’ATP.

Métabolisme cellulaire 3 Biomolécules Anabolisme (réactions endergoniques) Lumière Aliments Travail cellulaire Catabolisme (réactions exergoniques) Energie Matériaux de construction Déchets

Métabolisme intermédiaire Ensemble de réactions enzymatiques se déroulant à l’intérieur d’une cellule Voie métabolique : séquence de réactions permettant la synthèse ou la dégradation d’un composé Voies cataboliques : voies de dégradation; souvent productrices d’énergie (glycolyse, cycle de Krebs, ß oxydation) Voies anaboliques : voies de biosynthèse (gluconéogenèse, cycle de Calvin, acides gras etc…)

Métabolisme cellulaire 1 Chacune des réactions est catalysée par une enzyme propre Substrats, intermédiaires et produits sont appelés métabolites Environ 4000 enzymes sont connues Une simple bactérie contient entre 500 (Mycoplasma) et 5000 (Escherichia coli) gènes Un organisme eukaryote contient entre 6000 et 30 000 gènes, dont une grande partie avec une fonction encore inconnue

Catabolisme/anabolisme L’ATP et le NADPH fournissent l’énergie libre nécessaire aux réactions de biosynthèse. Ils sont formés au cours de la dégradation de métabolites complexes

Les voies métaboliques sont irréversibles • Une réaction très exergonique faisant partie d’une voie à plusieurs étapes, impose le sens de déroulement de la voie et rend celle-ci irréversible. • Par conséquence l’anabolisme et le catabolisme doivent emprunter des voies différentes A 1 2 Y X

Organisation des voies métaboliques Division en une série d’étapes élémentaires - une enzyme = une réaction élémentaire - chemin suit une “logique chimique” - certaines réactions sont possibles d’autres pas - meilleure récupération de l’énergie - utilité de cycles (cycle de Krebs, de l’urée, de Calvin, du glyoxylate)

Fonctions métaboliques d’organites d’eucaryotes

Rappel de thermodynamique Critère de spontanéité d ’une réaction : Variation d’énergie libre (de Gibbs) = ∆G ∆G < 0 réaction “exergonique” (thermodynamiquement possible) ∆G > 0 réaction “endergonique” thermodynamiquement impossible (à moins de fournir de l’énergie libre) ∆G = 0 équilibre thermodynamique

Rappel de thermodynamique ∆G = ∆ H - T∆S ∆H : variation d’enthalpie; chaleur reçue par le système ∆H > 0 : réaction endothermique ∆H < 0 réaction exothermique ∆S = variation d’entropie

Influence des [réactifs] sur la valeur de ∆G Pour un réactif “A” G = G° + 2, 303 RT log[A] Avec G° = énergie libre standard R = constante des gaz parfaits Pour une réaction A+B C+D ∆G = ∆G° + 2, 303 RT log [C][D]/[A][B] Avec ∆G° = variation d’énergie libre standard [Réactifs] = 1 M; Pression (gaz) : 1 atmosphère H 2 O = fraction molaire = 1; p. H = 0 (∆G°) ; p. H = 7 (∆G°’)

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ? Critère grossier, car les concentrations intracellulaires des réactifs sont très différentes de 1 M Bon critère : ∆G Mais demande de connaître les concentrations intracellulaires de réactifs !

∆G°’ comme critère de spontanéité d’une réaction ? Exemple : fructose-1, 6 -bisphosphate aldolase Fructose-1, 6 -P 2 Glycéraldéhyde-3 -P + dihydroxyacétone-P ∆G°’ = + 24 k. J/mol Mais [Fru-1, 6 -P 2] ≈ 100 µM [Glycéraldéhyde-3 -P] ≈ 5 µM [Dihydroxyacétone-P] ≈ 100 µM ∆G ≈ - 8. 4 k. J/mol

Réactions proches et éloignées de l’équilibre thermodynamique Dans voies métaboliques -réactions proches de l’équilibre thermodynamique (∆G ≈ 0 à - 2 k. J/mol) -les plus fréquentes -Régulation ”passive” : [substrats] et [produits] -réactions éloignées de l’équilibre thermodynamique -(∆G < - 8 k. J/mol) -Étapes régulées -Régulation par [substrats] et [produits] -Régulation allostérique -Régulation par modification covalente

Thermodynamique des composés phosphorylés • • • Les processus endergoniques qui assurent le maintien en vie des organismes sont rendus possibles par les réactions exergoniques de l’oxidation des nutriments. Ce couplage dépend le plus souvent de la synthèse d’intermédiaires « riche en énergie » . L’ATP est une sorte de monnaie universelle d’énergie libre liaison pyrophosphate Réactions de transfert de groupement phosphoryle R 1 -O-PO 32 - + R 2 -OH R 1 -OH + R 2 -O-PO 32 - ATP + H 2 O ADP + Pi ATP + H 2 O AMP + PPi Pi= phosphate inorganique (PO 43 -) PPi= pyrophosphate (P 2 O 74 -) Structure de l’ATP montrant sa relation à l’ADP, l’AMP et l’adénosine

∆G d’hydrolyse de l’ATP + H 2 O ADP + Pi ∆G°’ = - 29. 2 k. J/mole ∆G ≈ - 55 k. J/mole si [ATP] = 5 m. M; [ADP] = 0, 1 m. M; [Pi] = 5 m. M ATP + H 2 O AMP + PPi ∆G°’ = - 32 k. J/mole ∆G ≈ - 84 k. J/mole si [ATP] = 5 m. M; [AMP] = 10 µM; [PPi] = 1 µM

Détermination du ∆G°’ d’une réaction ∆G = ∆G°’ + 2, 303 RT log [C][D]/[A][B] À l’équilibre ∆G = ∆G°’ + 2, 303 RT log [C][D]/[A][B] = 0 Donc ∆G°’ = - 2, 303 RT log [C][D]/[A][B] On détermine la concentration des substrats et produits de la réaction lorsque celle-ci a atteint son équilibre thermodynamique et on calcule ∆G°’

Utilité des valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse Reflètent le contenu énergétique d’une liaison Permettent de calculer les valeurs de ∆G°’ de réactions de transfert de groupe

Rôle particulier de l’ATP comme monnaie énergétique -Composé abondant dans la cellule (≈ 5 m. M) -Riche en énergie (∆G°’ = - 29. 2 k. J) -Utilisé par de très nombreuses enzymes -Kinases (entre autres celles qui forment autres nucléotides) -Ligases -ATPases (transport, mouvement) -Pouvant être formé - à partir de composés ”super”-riches en énergie -PEP (phosphoénolpyruvate), créatine-P, 1, 3 bisphoglycérate - par les phosphorylations oxydatives mitochondriales

Origine du haut contenu énergétique de l’ATP (des NTP) - Plus grande stabilisation de résonance des produits d’hydrolyse -Meilleure solvatation des produits -Répulsion électrostatique des charges négatives dans ATP -Formation par hydrolyse d’une fonction acide (qui s’ionise à p. H neutre) Et cependant, l’ATP, “thermodynamiquement instable”, est “cinétiquement stable” (besoin d’enzyme pour catalyser son hydrolyse). NB - ATP essentiellement présent sous forme d’ATP-Mg

Valeurs de ∆G°’ d’hydrolyse Métabolite Phosphoénolpyruvate 1, 3 -bisphoglycérate Acétylphosphate Phosphocréatine ∆G°’ hydr kcal/mol - 14, 8 - 11, 2 - 10, 3 Pyrophosphate ATP ( AMP + PPi) ATP (ADP + Pi) - 8, 0 - 7, 6 - 7, 3 Glucose 1 -phosphate Glucose-6 -phosphate Glycérol-3 -phosphate - 5, 0 - 3, 3 - 2, 2 Extrêmement riches Riches Pauvres NB: Le ∆G d’une réaction varie en fonction des concentrations totales de ses substrat et ses produits et avec leurs états de ionisation (p. H)

Transfert de groupements phosphoryle

Composés extrêmement riches en énergie Phosphoénolpyruvate 1, 3 -bisphoglycérate Acétylphosphate Phosphocréatine - 61, 9 - 49, 4 - 43, 1 PEP + ADP Pyruvate + ATP pyruvate kinase ∆G°’ = - 31, 5 k. J/mol 1, 3 -P 2 G + ADP 3 -phosphoglycerate + ATP phosphoglycérate kinase ∆G°’ = - 18, 9 k. J/mol P-créatine + ADP créatine + ATP créatine kinase ∆G°’ = - 12, 6 k. J/mol

Facteurs responsables du caractère « riche en énergie » des liaisons pyrophosphate • Stabilisation par résonance • Forces de répulsion électrostatiques • Energie de solvation

La résonance est responsable du caractère « riche en énergie » des acyles phosphate H 2 O R-CH 2 - O-PO 32 R-CH 2 -O-H DG°’ ≤ 20 KJ/mol O H 2 O R-CO~PO 32 - O R-C-O-H Liaison d’haute énergie + HOPO 32 - R-C=O DG°’ > 40 KJ/mol + HOPO 32 -

Phosphagènes - Composés permettant de régénérer rapidement l’ATP (en particulier dans muscles) - Dérivés de la guanidine

Rôle de réservoir énergétique de la phosphocréatine P-créatine + ADP créatine + ATP ∆G°’ = - 12. 6 k. J/mol Keq = [créatine][ATP]/[P-créatine][ADP] ≈ 100 1 [ATP]/[ATP] + [ADP] Lors de contraction musculaire 0 0 1 [P-créatine]/[P-créatine] + [créatine]

Réactions d’oxydoréduction Importance biosynthèses : souvent réductions biodégradations : souvent oxydations Réactions d’oxydo-réduction souvent productrices ou consommatrices de beaucoup d’énergie

Réactions d’oxydo-réduction Ared + Box Aox + Bred “Monnaie d’échange” : NAD+/NADH et NADP+/NADPH Calcul des ∆G des réactions d’oxydoréduction : à partir des valeurs de potentiel de réduction

Mesure de la force électromotrice Pile électrochimique : Fe 3+ + Cu 3+ <====> Fe 2+ + Cu 2+ Cu+ <-------> Cu 2+ + e- (oxydation) Fe 3+ + e- <-------> Fe 2+ (réduction) Potentiel mesuré est la force électromotrice Point de référence : l'électrode de gaz d'hydrogène: 2 H+ + 2 e- <-------> H 2(g) Dans des conditions standard: [H+] = 1 M (p. H=0); H 2(g) 1 atm, 25°C

Valeurs de potentiel de réduction Demi-réaction 1/2 O 2 + 2 H+ + 2 e. Cyt a 3 (Fe 3+) Cyt a (Fe 3+) Cyt c (Fe 3+) Cyt b (Fe 3+) Ubiquinone + 2 H+ + 2 e. Fumarate + 2 H+ + 2 e. FAD (lié) + 2 H+ + 2 e. FMN (lié) + 2 H+ + 2 e. Pyruvate + 2 H+ + 2 e. Acétaldéhyde + 2 H+ + 2 e. NAD+ + H+ + 2 e. NADP+ + H+ + 2 e. Acétate + 3 H+ + 2 e- E°’ (V) H 2 O Cyt a 3 (Fe 2+) Cyt a (Fe 2+) Cyt c (Fe 2+) Cyt b (Fe 2+) Ubiquinol Succinate FADH 2 FMNH 2 Lactate Ethanol NADH NADPH Acétaldéhyde 0, 82 0, 39 0, 25 0, 22 0, 10 0, 03 ≈0 ≈0 - 0, 18 - 0, 20 - 0, 32 - 0, 58 Bons oxydants Bons réducteurs

Relation entre potentiel oxydoréduction et ∆G Travail = charge x différence de potentiel ∆G°’ = - n F ∆E°’ “-” : parce que charge négative des électrons n = souvent 2, parce que deux électrons échangés F : constante de Faraday = charge d’une “mole” d’électron = 96, 9 k. J/(Volt x mol) Oxydation du NADH par O 2 NADH + H+ + 1/2 O 2 NAD+ + H 2 O ∆E°’ = 0, 82 V - (-0, 32 V) = 1, 14 V ∆G = - 2 x 23, 06 x 1, 14 = 221 k. J/mol (soit de quoi synthétiser certainement 3 mol d’ATP)

Effet des concentrations de réactifs sur ∆E

Valeurs de potentiel de réduction Demi-réaction 1/2 O 2 + 2 H+ + 2 e Cyt a 3 (Fe 3+) Cyt a (Fe 3+) Cyt c (Fe 3+) Cyt b (Fe 3+) Ubiquinone + 2 H+ + 2 e Fumarate + 2 H+ + 2 e FAD (lié) + 2 H+ + 2 e FMN (lié) + 2 H+ + 2 e Pyruvate + 2 H+ + 2 e Acétaldéhyde + 2 H+ + 2 e NAD+ H+ + 2 e NADP+ H+ + 2 e Acétate + 3 H+ + 2 e E°’ (V) H 2 O Cyt a 3 (Fe 2+) Cyt a (Fe 2+) Cyt c (Fe 2+) Cyt b (Fe 2+) Ubiquinol Succinate FADH 2 FMNH 2 Lactate Ethanol NADH NADPH Acétaldéhyde 0, 82 0, 39 0, 25 0, 22 0, 10 0, 03 ≈0 ≈0 - 0, 18 - 0, 20 - 0, 32 - 0, 58 Chaîne Resp. Succinate déshyd. Déshydro génases