copyright:Fernand-Alexandre Schroeder LGE - Luxembourg pyruvateacétyl-CoA cycle de Krebs C6C6 C4C4...

copyright:Fernand-Alexandre Schroeder LGE - Luxembourg

pyruvate acétyl-CoA

cycle de

Krebs

C6

C4

C5

Catabolisme des molécules organiques

protéines

lipideslipides

glucides

acides grasacides gras

acides aminés

glucose


ATP ADP ATP ADP

glucose glucose-6-P fructose-6-P fructose-1;6-diP

Bilan de cette étape:consommation de 2 molécules d’ATP: (-2ATP)

La dégradation du glucose: la glycolysela glycolyse


adénine

phosphates

La dégradation du glucose: structure de l’ATPstructure de l’ATP

ribose

ADP+

ATPPi

EAU +

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

OH

OP

OH

O

O

O

P

O

O OH

P

OH

O OH

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

OH

OP

OH

O

O

O

PO OH

OH

P

OH

O OH

OH

H O2


La dégradation du glucose: structure du NADH + Hstructure du NADH + H++

adénine

nicotinamideribose

ribose

phosphatesNH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

HO

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

OH

O

P

OH

O

O

O

P

OH

O O

N

CONH2

12

3

4

5

6

+N

CONH2

12

34

5

6

H Hazote quaternaired'où l'écritureNAD+

hydrogène supplémentaire

H+

2e hydrogènesous forme deproton

NAD+ NADH+H+

forme oxydée forme réduite

substratréduit

substratoxydé

OH

N

CONH2

12

3

4

5

6

N

COOH

12

3

4

5

6

acide nicotinique(niacine ou vitamine B3

anciennement vitamine PP)

nicotinamide


ATPADP

fructose-1;6-diP

pyruvatediphospho-glycérate

phospho-glycérate

ATPADP

H2O

NAD+NADH+H+

Pi

phosphoglycér-aldéhyde

La dégradation du glucose: la glycolyse - la glycolyse - suitesuite

Bilan de cette étape:production de 4 molécules d’ATP: (+ 4ATP)production de 2 molécules de NADH+H+: ( + 2NADH2)


Bilan de la glycolyse:consommation de 2 molécules d’ATP: - 2 ATPproduction de 4 molécules d’ATP: + 4 ATPproduction de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2

production de 2 molécules d’ATP: 2 ATPproduction de 2 molécules de NADH+H+: 2 NADH2

pyruvate

La dégradation du glucose: la glycolyse – la glycolyse – bilan provisoirebilan provisoire

glucose


CO2HS-CoA

La dégradation du glucose: décarboxylation ou oxydation du pyruvatedécarboxylation ou oxydation du pyruvate

NAD+ NADH+H+

Bilan de l’oxydation du pyruvate:production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2

pyruvate acétyl-CoA


La dégradation du glucose: structure de la coenzyme Astructure de la coenzyme A

-mercaptoéthylamine

acide pantothénique(=vitamine B5)

adénine

ribose 3-phosphate

CoA

SH

notation: CoA-SHou HS-CoA

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

O

OP

OH

O

O

O

P

O

O

PO OH

OH

OH

CH2

C CH3CH3

CHOH

C O

NH

CH2

CH2

C O

NH

CH2

CH2

SH


HS-CoA

H2O

acétyl-CoA

oxalate

-céto-glutarate

citrate

isocitrate

HS-CoA

H2O

H2O

succinate

CO2

CO2

NAD+

NADH+H+

NAD+

NADH+H+

succinyl-CoA

ATP ADP + Pi

H2O

H2Omalate

FAD

FADH2

NADH+H+

NAD+

HS-CoA

fumarate

La dégradation du glucose:

cycle de Krebscycle de Krebs

Bilan de cette étape:+ 6 NADH2

+ 2 FADH2

+ 2 ATP


phosphates

La dégradation du glucose: structure du FAD/ Hstructure du FAD/ H22

ribose

adénine

riboflavine ( vitamine B2)

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

HO

POH

O

O

O

OH

P

O

O OH

N

N N

NH

O

O

CH3

CH3

OHH

OHH

OHH

OHH

CH2

C

C

C

C

hydrogène supplémentaire

substratréduit

substratoxydé

N

N N

NH

O

O

CH3

CH3

R

H

H

2e hydrogène

forme oxydée: FAD Forme réduite: FADH2


La dégradation du glucose: localisation des voies localisation des voies métaboliquesmétaboliques

pyruvate

glucides

glucose

acétyl-CoA

cycle de

Krebs

C6

C4

C5

mitochondrie

cytosol

ATP

ATP

ATP = phosporylation liée au substrat

Le complexe enzymatique (la pyruvate déshydrogénase) responsable de l’oxydation du pyruvate est logé dans la membrane mitochondriale.

pyruvate


La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrieultrastructure de la mitochondrie

membraneexterne

membraneinterne

espaceinter-membranaire

crêtemitochondriale

matrice

complexesATP-synthétase

mitoribosome

ADN mitochondrial


La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrieultrastructure de la mitochondrie

5

5


La dégradation du glucose: phospophorylation liée au substratphospophorylation liée au substrat

On voit que la glycolyse et le cycle de Krebs produisent une petite quantité d’ATP. Cet ATP est formé grâce au transfert enzymatique direct d’un groupement phosphate à partir d’un phosphate inorganique ou d’un substrat à l’ADP. Cette phosphorylation de l’ADP s’appelle phosphorylation liée au substrat.


La dégradation du glucose: exemples de phospophorylations liées au substratexemples de phospophorylations liées au substrat

ATPADP

pyruvatediphospho-glycérate

phospho-glycérate

ATPADP

H2O

HS-CoA

H2O

succinatesuccinyl-CoA

ATPADP + Pi

lors de la lors de la glycolyseglycolyse

lors du cycle lors du cycle de Krebsde Krebs


La dégradation du glucose: bilan provisoire bilan provisoire pour la dégradation pour la dégradation d’une molécule de glucosed’une molécule de glucose

Bilan de la glycolyse:production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2

production de 2 molécules d’ATP: + 2 ATP

Bilan du cycle de Krebs:production de 6 molécules de NADH+H+: + 6 NADH2

production de 2 molécules des FADH2; + 2 FADH2

production de 2 molécules d’ATP: + 2 ATP

Bilan provisoire: glucose 6CO2

production de 10 molécules de NADH+H+: 10 NADH2

production de 2 molécules des FADH2; 2 FADH2

production de 4 molécules d’ATP: 4 ATP

Bilan de l’oxydation du pyruvate:production de 2 molécules de NADH+H+: + 2 NADH2

GLYCOLYSEGLYCOLYSE

OXYDATION DUOXYDATION DU

PYRUVATEPYRUVATE

CYCLECYCLE

DE DE

KREBSKREBS


Chaîne respiratoire ou système de transporteurs d’électrons

matrice

espace intermembranaire

déshydrogénaseflavoprotéique(=flavoprotéine) cytochromes

coenzyme Q

protéinecontenant du Fe-S

ATP synthétase

chaîne de transport des électrons

mitochondrie


Chaîne respiratoire: principales oxydo-réductions et sites de principales oxydo-réductions et sites de couplagecouplage

NADH+H+ NAD+

FADH2

H+ H+ H+

½ O22-

FAD

H2O

H+

2H+

2H+

2H+

2e-

2H+

2e-

2H+

2e-

2H+

2e-

H+

H+

H+

2e-2e-

2e-

H+

2e-

½ O2

2e-

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+

Au cours du transport des électrons à l’oxygène il y a translocation de protons de la matrice vers l’espace intermembranaire. Cette translocation se réalise en trois sites et fait intervenir des protéines fer-soufre.

Dans une première étape, deux protons accompagnés de deux électrons sont arrachés du NADH2 pour passer sur la flavoprotéine (Fe-S) et ensuite sur la CoQ. Il faut noter qu’à ce niveau les deux atomes d’hydrogène ne sont plus transférés mais libérés dans la matrice et les électrons passent sur les cytochromes. ( Il faut donc deux systèmes cytochromiques pour deux électons !) Finalement les électrons réduisent l’oxygène qui se combine à deux protons pour former une molécule d’eau.


H+H+H+

ADP + Pi

ATP-synthétase

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

ATPH+

La translocation des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire engendre un gradient électrochimique. Le retour des protons dans la matrice à travers la base hydrophobe des ATPases et leur pédoncule est responsable de la phosphorylation de l’ADP. Comme cette phosphorylation est liée à l’oxydation de l’hydrogène on parle de phosphorylation oxydative.

Chaîne respiratoire: phosphorylation de l’ADPphosphorylation de l’ADP


Chaîne respiratoire: prinicipe de l’oxydo-réductionprinicipe de l’oxydo-réduction

substrat

NADH+H+

NAD+ FP-H2

FP

CoQ

CoQ-H2 2 b (Fe3+)

2 b (Fe2+) 2 c (Fe3+)

2 c (Fe2+)

2 a3 (Fe3+)

2 a3 (Fe2+)2 a (Fe3+)

2 a (Fe2+)

2H+

substratoxydée

H2O

½ O2

½ O22-

ADP+ Pi

ADP+ Pi ADP+ PiATP

Site I

ATP

Site II

ATP

Site IIIFADH2

FAD

DONC:Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATPChaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP


La dégradation du glucose: localisation complète des voies localisation complète des voies métaboliquesmétaboliques

pyruvate

glucides

glucose

acétyl-CoA

cycle de

Krebs

C6

C4

C5

mitochondrie

cytosol

ATP

ATP

ATP = phosporylation liée au substrat

ATP = phosporylation oxydative

ATP


La dégradation du glucose: les navettes mitochondrialesles navettes mitochondriales

Problème:Le NADH+H+ dans cytosol (produit lors des réactions de déshydrogénation de la glycolyse) ne peut pas franchir pas la membrane mitochondriale interne.Solution: NADH+H+ est oxydé en NAD+ pour céder l’hydrogène à des molécules “navettes” capables de traverser la membrane mitochondriale interne.Il existe deux navettes:

• Navette malate / aspartate• Navette glycérol phosphate


La dégradation du glucose: la navette malate/aspartatela navette malate/aspartate

malateoxalate

NAD+NADH+H+

malate déshydrogénasecytosolique et mitochondriale



malateoxalate

mitochondrie

NAD+NADH+H+

oxalate

NAD+

NADH+H+

malate

Bilan:1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne1 molécule de NADH+H+ mitochondriale.


La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphatela navette glycérol phosphate

phospho-glycérate

CH O2 P

C

OC

O HO

phospho-dihydroxyacétone

Le glycérol phosphate peut traverser la membrane mitochondriale externe.

NAD+NADH+H+

glycérophosphate déshydrogénasecytosolique


La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphatela navette glycérol phosphate

phospho-glycérate

CH O2 P

C

OC

O HO


Au niveau de la membrane mitochondriale interne il y a oxydation du glycérol phosphate en PDHA avec transfert des électrons et H+ sur CoQ. La glycérophosphate déshydrogénase mitochondriale est en effet une flavoprotéine.

CoQH2CoQ

glycérophosphate déshydrogénasemitochondriale



mitochondrie

Bilan:1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne1 molécule de FADH2 mitochondriale.

phospho-glycérate

CH O2 P

C

OC

O HO


2H+ + 2é


La dégradation du glucose en aérobiose: bilan énergétique définitifbilan énergétique définitif

Bilan provisoire: glucose 6CO2

production de 10 molécules de NADH+H+: 10 NADH2

production de 2 molécules des FADH2; 2 FADH2

production de 4 molécules d’ATP: 4 ATP

Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATPChaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP

Donc: glucose CO2

équivalent de 10 molécules de NADH+H+: 30 ATPéquivalent de 2 molécules des FADH2; 4 ATPproduction de 4 molécules d’ATP: 4 ATP

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 38 ATP

production totale d’ATP 38 ATP

Remarque: Selon la navette utilisée une molécule de glucose va générer 36 ou 38 molécules d’ATP!


Respiration anaérobie: fermentation lactiquefermentation lactique

glucose pyruvate lactate

2NAD+2NADH2

Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation lactique):production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose

2ADP + 2Pi2ATP

2NAD+2NADH2

conséquences: suite au faible rendement énergétique, le substrat est vite consommé, le pH du milieu décroît en plus le lactate est toxique !

mode de respiration en cas d’absence d’oxygène p.ex. dans les muscles des Mammifères après exercice physique prolongé


Respiration anaérobie: fermentation alcooliquefermentation alcoolique

glucose pyruvate

2NAD+2NADH2

Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation alcoolique):production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose

2ADP + 2Pi2ATP

2NAD+2NADH2

acétaldéhyde

2CO2

éthanol

conséquence: le taux d’alcool du milieu augmente; l’éthanol est toxique !

mode de respiration en cas d’absence d’oxygène réservé à quelques rares microorganismes comme la levure p.ex.. des expériences récentes ont montré l’existence de la fermentation alcooliques chez la carpe en hibernation dans les fonds de vase pauvres en oxygène.


Dégradation du glucose: bilans énergétiques et rendementsbilans énergétiques et rendements

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 38 ATPénergie libre d’une mole de glucose: G = -686 kcal/molénergie libre d’une mole d’ATP: G = -7,3 kcal/molénergie libre de 38 moles d’ATP: G = -7,3 * 38 = -277,4 kcalrendement de la respiration: 277,4 / 686 = 0,404 ( = 40,4%)(à titre de comparaison: rendement d’une voiture: à peu près 25 %)

A peu près 60 % de l’énergie libre contenue dans une mole de glucose est dissipée sous forme de chaleur. Une partie de cette chaleur est utilisée chez les oiseaux et le mammifères pour maintenir leur température corporelle élevée; le reste se perd par rayonnement, sudation ou autres mécanismes de refroidissement.

rendement de la fermentation: 14,6 / 686 = 0,021 ( = 2,1%)


Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaireUtilisation de l’ATP dans la contraction musculaire

L'énergie mécanique de la contraction musculaire provient directement de l'énergie chimique (ATP). Pendant l'activité musculaire, la régénération de l'ATP se fait suivant 3 voies successives:

•par interaction de l'ADP avec la créatine phosphate: (< 10 secondes) •par respiration cellulaire anaérobie (< 1minute)•par respiration cellulaire aérobie (> 1 minute)



1. Au début d'une activité musculaire, l'ATP emmagasiné dans les muscles actifs est consommé en 6 secondes environ. Un système de production rapide d'ATP se met en place, en attendant que les voies métaboliques s'adaptent à la demande accrue d'ATP. L'ADP se couple alors à la créatine phosphate (créatine kinase), composé à haute énergie emmagasiné dans les muscles. Il en résulte un transfert presque instantané d'énergie et la formation d'une molécule d'ATP. Une puissance musculaire maximale peut ainsi être maintenue pendant 10 à 15 secondes (sprint sur 100 m).

CC

H

HO

ONCH3

H

C

NH

NH

PO

OH

OH

créatine phosphate



CC

H

HO

ONCH3

H

C

NH

NH

PO

OH

OH

créatine phosphate

CC

H

HO

ONCH3

H

C

NH

NH

H

créatine

ADP ATP

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

OH

OP

OH

O

O

O

P

O

O OH

P

OH

O OH

NH2

N

N

N

N1

2

3

4

5

6

7

8

9

1C

2C3C

4C

5CH2

H HH

OH

H

OH

OP

OH

O

O

O

PO OH

OH

créatine kinase

1. phosophocréatine ( < 15 secondes)


Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaireUtilisation de l’ATP dans la contraction musculaire2. Respiration cellulaire anaérobie : la glycogénolyse.Pour des exercices musculaires de plus longue durée, le glycogène musculaire doit être dégradé. Les réserves de glycogène du muscle sont transformées en acide lactique via le glucose-6-phosphate, avec production de 2 molécules d'ATP par molécule de glucose (faible rendement énergétique). La glycolyse anaérobie commence plus tardivement que la dégradation de la créatine phosphate (au maximum après 30 secondes) et produit de l'ATP 2,5 fois plus vite que la voie aérobie. Ainsi, lorsqu'il faut de grandes quantités d'ATP pendant de courtes périodes d'activité musculaire soutenue (30-40 secondes), la voie anaérobie en fournit une grande partie. Ensemble, les réserves d'ATP et de créatine phosphate et le système glycogénolyse-acide lactique peuvent entretenir une activité musculaire pendant presque une minute.



glycogène (>100 000 -glucose)

glucose-6-P lactatepyruvate

2. glycogénolyse avec respiration anaérobie ( < 1 minute)



3. Respiration cellulaire aérobie : la phosphorylation oxydative du glucose et des acides gras.(> 1 minute)Pour que l'effort soit maintenu, il faut absolument qu'il y soit hydrolyse aérobie du glucose et des acides gras. Lors des contractions lentes ou au repos, la plus grande partie de l'approvisionnement en ATP est assurée par la respiration cellulaire aérobie, qui utilise l'énergie fournie par la dégradation des acides gras. Lorsque les muscles se contractent de façon plus soutenue, c'est le glucose qui devient la principale source d'énergie. Globalement, l'oxydation complète d'une molécule de glucose en CO2 et en eau fournit 38 molécules d'ATP (rendement énergétique élevé).

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 38 ATP

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